沿程损失阻力系数的FLUENT数值模拟(计算流体力学作业)..
沿程损失阻力系数的
F L U E N T数值模拟(计算流体
力学作业)..
-标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
计算流体力学课程作业
作业题目：沿程损失阻力系数的FLUENT数值模拟
学生姓名：易鹏
学生学号：
专业年级：动力工程及工程热物理12级学院名称：机械与运载工程学院
2012年5月2日
沿程损失阻力系数的
FLUENT 数值模拟
一、 引言
沿程损失（pipeline friction loss ）是指管道内径不变的情况下，管内流体流过一段距离后的水头损失。其中边界对水流的阻力是产生水头损失的外因，液体的粘滞性是产生水头损失的内因，也是根本原因。沿程能量损失的计算公式是：2
f l v h =λd 2g
。其中：l 为管长，λ为沿程损失系数，d 为管道内径，2v 2g
为单位重力流体的动压头（速度水头），v 为流体的运动粘度系数。粘性流体在管道中流动时，呈现出两种流动状态，管道中的流速cr v v <(cr v 为层流向湍流
转变的临界流速)为层流，此时整个流场呈一簇互相平行的流线。则cr v v >时为湍流，流场中的流体质点作复杂的无规则的运动。沿程损
失与流动状态有关，故计算各种流体通道的沿程损失，必须首先判别流体的流动状态。
沿程损失能量损失的计算公式由带粘性的伯努利方程 22112212f v p v p ++z =++z +h 2g ρg 2g ρg 推出，可知，12f P -P h =ρg 其中： ——单位质量流体的动能（速度水头）。流体静止时为0。
——单位质量流体的势能（位置水头）。
2v 2g
z
——单位质量流体的压力能（压强水头）。
又由量纲分析的π定理，得出 2Δp L =λ1d ρV 2
，计算出达西摩擦因子22Δpd λ=LρV
， 则2f L V h =λD 2g ,由于Vd Re =ν，μν=ρ，则d λ=f(Re )。 关于沿程损失最著名的
是尼古拉茨在1932～ 1933
年问所做的实验(右图为实
验装置图)。其测得曲线如
图1，从此得出了几个重要
结论：
1．层流区 Re ＜2320为层流区。在该区域内，管壁的相对粗糙度对沿程损失系数没有影响。
2．过渡区 2320＜Re ＜4000为由层流向湍流的转换区，可能是层流，也可能是湍流，实验数据分散，无一定规律。
3．湍流光滑管区 4000＜Re ＜26．98（d/ε）8/7，为湍流光滑管区。勃拉修斯（p.Blasius ）1911年用解析方法证明了该区沿程损失系数与相对粗糙度无关，只与雷诺数有关，并借助量纲分析得出了4×10e3＜Re ＜10e5范围内的勃拉休斯的计算公式为
0.25
0.3164Re λ= p
ρg
湍流光滑管的沿程损失系数也可按卡门一普朗特（Karmn-Prandtl ）公式
1/21/2
1
2lg(Re )0.8λλ=-
进行计算。 当105＜Re ＜3×106时，尼古拉兹的计算公式为
0.2370.00320.221Re λ-=+
4．湍流粗糙管过渡区 26．98（d/ε）8/7＜Re ＜2308（d/ε）0.85为湍流粗糙管过渡区。该区域的沿程损失系数与按洛巴耶夫（Б.H.Лo6ae в）的公式进行计算，即
2lg Re 1.42lg 1.2731.42V q
d v εελ-???????????? ? ???????????
??== 5．湍流粗糙管平方阻力区 2308(d/ε)0.85 1/21 2lg 1.742d ε λ=+ 进行计算。 图1尼古拉茨曲线 三、数值模拟 1、前处理 因为层流有精确解所以在此不做讨论，而湍流状态下如果考虑圆管的粗糙度也是十分复杂，而且在粗糙表面的流动很难模拟，所以在此我们重点研究湍流水力光滑区的达西摩擦因子与Re的关系。FLUENT中通过改变流速或者粘度系数来控制Re，并进行数值模拟，计算出管中试验段两端的压力的差值，即可得到沿程损失阻力系数（达西摩擦因子），再将所得的值与上图水力光滑区曲线或布拉休斯公式对比，判断其是否正确。 1．模型建立一个半径r=21mm，长l=3m的圆截面直管，其中前2m是前置段，用来让湍流充分发展，后1m为实