摇摆条件下矩形管内流体流动模型
摇摆条件对湍流流动特性的影响
摇摆条件对湍流流动特性的影响鄢炳火1,顾汉洋2,杨燕华2,于雷1【摘要】摘要：利用Fluent软件对摇摆条件下矩形管内的湍流流体进行理论分析,分析了多种湍流模型和多个参数对流动特性的影响。
在摇摆条件下,矩形管中心区域速度分布趋于均匀化,但壁面附近的速度梯度增大,从而使摩擦阻力系数增加。
壁面会对摇摆条件对湍流流体的影响产生抑制作用。
在纵摇条件下,小长宽比矩形管内速度等高线成哑铃状分布。
对于本文的计算流体,摇摆条件下的湍流摩擦阻力系数与Re的 0.47次方成反比。
【期刊名称】原子能科学技术【年(卷),期】2010(044)012【总页数】6【关键词】摇摆;湍流;矩形管近年来,随着核动力系统在海洋上的广泛使用,人们逐渐开始系统地研究海洋条件(尤其是摇摆条件)对核动力系统热工水力特性和冷却剂流动特性的影响[1-2]。
对于层流流体,其流动特性较有规律,可通过构建数学模型对其进行分析。
但由于自然界大多流体均是湍流流体,其运动规律和运动特性难以用数学模型来描述,使人们难以对海洋条件下的核反应堆热工水力特性进行系统性研究。
目前,国内外尚无这方面公开发表的文献。
矩形通道具有结构紧凑、燃料芯体温度低、换热面积大等突出特性,它适合于具有高传热性能的紧密传热组件,在核动力领域具有很大的应用潜力。
相对于传统的棒状燃料组件的压水堆,采用板状燃料组件的压水堆堆芯活性段的流道形状有很大的改变,堆芯流动及传热特性差异很大。
为了板型燃料组件的优化设计和深入的安全分析,有必要对这种特定复杂堆芯结构进行研究。
随着计算机技术的迅猛发展,CFD作为流体力学领域第3种重要研究方式逐渐被认可。
CFD模拟既可深入了解流体的流动及传热过程,又可减少实验以节省成本。
近年来的大量研究成果充分证实了它的可靠性[3]。
本工作采用Fluent软件对摇摆条件下矩形通道内的湍流流体进行理论研究,分析摇摆条件和矩形通道尺寸对湍流流体流动特性的影响。
1 理论模型1.1 数学模型首先建立摇摆坐标系,如图1所示。
材料工程《管内流体流动现象》课件
层流时管内速度分布
r2 u uc (1 rw2 )
平均速度
u
Vs
rw2
1 2
uc
材料工程基础及设备多媒体课件
uc rw
层流时的速度分布
11
第一章 流体流动—第三节 管内流体流动现象
（一）层流的速度分布与平均速度
▲ 推导
p1
p2
r 2 -（-2 rL
du ）＝０ dr
du p r
dr 2l
u p R2 r2
4l
▲
umax
umax
p
4l
R2
材料工程基础及设备多媒体课件
12
第一章 流体流动—第三节 管内流体流动现象
（一）层流的速度分布与平均速度
u p R2 r2
4l
Re≤2000
umax
u
层流时流体在圆管中的速度分布
材料工程基础及设备多媒体课件
13
第一章 流体流动—第三节 管内流体流动现象
四、边界层
定义：
(1)名义厚度δ：定义为在边界层的外边界流速达
到外部势流速度U 的99%时的厚度。即壁面法
向上的一段距离，速度由0→0.99Umax
(2)位移厚度 ：*设平板边界层内的速度分布为
u(y)，位移厚度定义为
*=
(1 u )dy
0
U
(3)动量损失厚度θ：
u (1 u )dy 0U U
惯性力 粘性力
d
u2
m2 kg
kg m/s 2
单位时间通过单位截面积的动量。
s2 m3
m2
u d
kg m/s 2 s m/s m2 m
kg m/s 2 m2
管中流动优秀课件
5.2.4 动能和动量修正系数
圆管层流中旳动能与动量修正系数分别为2和4/3.(P143)
1. 压强损失
由哈根-伯肃叶公式可得用流量计算旳压强损失为：
哈根-伯肃叶公式
用平均速度计算旳压强损失为：
在等径管路中，因为流体与管壁以及流体本身旳内部摩擦，使流体能量沿流动方向逐渐降低，这种引起能量损失旳原因叫做沿程阻力。沿程能量损失能够用压强损失、水头损失、功率损失三种形式表达。
假如管长远远不小于起始段，起始段旳影响能够忽视。假如管长不不小于起始段，则沿程损失计算公式：式中A旳试验值可由表5-2查出。
液压传动中，大部分是短管，可用简化公式计算
1、什么叫层流?2、怎样判断流动状态?3、什么叫水力直径?4、简述层流和湍流流动损失和速度关系？练习: 2，6
作 业
答：不能。因为临界流速跟流体旳粘度、流体旳密度和管径（当为圆管流时）或水力半径（当为明渠流时）有关。而临界雷诺数则是个百分比常数，对于圆管流为2320。
问题： 能不能直接用临界流速作为鉴别管路中旳流态（层流和湍流）旳原则？
其中: A——过流断面面积, S ——湿周
水利半径
雷诺数 旳特征尺寸l在圆管中取直径d，在异形管中用什么呢？
流体流动旳状态
Reynolds试验
层流 成直线
过渡流 开始抖动
湍流 杂乱无章
层 流
层流旳特点（1）有序性。水流呈层状流动，各层旳质点互不混掺，质点作有序旳直线运动。 （2）粘性起主要作用，遵照牛顿内摩擦定律。（3）能量损失与流速旳一次方成正比。 （4）在流速较小且雷诺数Re较小时发生。
取半径r处宽度为dr旳微小环形面积
利用哈根-伯肃叶（Hagen-Poiseuille）定律能够测定粘度，它是测定粘度旳根据。因为,根据公式能够导出：
摇摆状态下矩形通道内弹状流压力模型
摇摆状态下矩形通道内弹状流压力模型阎昌琪;金光远;孙立成;闫超星【摘要】本文通过可视化方法对竖直与倾斜条件下矩形通道内弹状流单元的参数进行研究，尝试给出摇摆状态下矩形通道内弹状流压力模型。
通过图像处理给出气弹段空泡份额以及两相速度的计算关系式，并验证漂移流模型在液弹段的适用性，给出弹状流单元的长度份额以及空泡份额的计算关系式。
根据实验结果给出摇摆条件下矩形通道内弹状流压力组分的模型，并重点分析摩擦压降模型的适用程度。
结果表明，弹状流压力模型可很好地预测摇摆条件下矩形通道内的压力。
%The visualization method was used to investigate the parameters of slug flow unit in rectangular channel (40 mm × 3 mm ) under vertical and inclined conditions , aiming at establishing the pressure model of slug flow in rectangular channel in rolling motion .The calculation correlations for void fraction and two‐phase velocity for gas slug segment were acquired ,and the applicability of drift flux model was confirmed for liquid slug segment .The length fraction and void fraction of slug flow unit were calculated . According to the experiment results ,the pressure model of slug flow model was estab‐lished ,and the predicted frictional pressure drop turned out to be in a good agreement with the experiment value .【期刊名称】《原子能科学技术》【年(卷),期】2015(000)006【总页数】7页(P1062-1068)【关键词】摇摆运动;矩形通道;弹状流;压力模型【作者】阎昌琪;金光远;孙立成;闫超星【作者单位】哈尔滨工程大学核安全与仿真技术国防重点学科实验室，黑龙江哈尔滨 150001;哈尔滨工程大学核安全与仿真技术国防重点学科实验室，黑龙江哈尔滨 150001;哈尔滨工程大学核安全与仿真技术国防重点学科实验室，黑龙江哈尔滨 150001;哈尔滨工程大学核安全与仿真技术国防重点学科实验室，黑龙江哈尔滨 150001【正文语种】中文【中图分类】TL334弹状流可认为是间歇流、脉动流或不稳定流，由于这种流动不可避免地存在于化工、航空、电子、核动力设备等行业中，国内外学者对弹状流特性开展了大量研究[1-6]，弹状流的气液压力波动形式多样，不同的通道截面，气液占有的份额、速度以及加速度皆不同。
第九章 管内流体流动
将 u ( y l ) 在 y 点处校泰勒级数展开， 略去高阶小量，可得
dU dU (U )l [U ( y) ( ) y l ] u( y) l ( )y dy dy
类似地，对于流体微团由 y-l 到 y 点 处的迁移，其引起的时均速度差值为
dU dU (U ) 2 [U ( y) ( ) y l ] U ( y) l ( )y dy dy
因此，湍流流动时流体内部的切应力可表 示为：
( yz )e yx ( yz )T
(9-14)
其中，(τyx)e表示湍流流体的切应力，称 为有效切应力 (τyx)T是湍流脉动产生的附加应力，即 雷诺应力
τyx是通常意义的粘性切应力
按通常约定，下标y表示切应力作用面与 y方向垂直，x表示应力方向
普朗特因此想法引进了—个与气体分子 子自由程相对应的概念——混合长度l
并在此基础上建立了一个比式(9—16)更 直观的湍流模型
如图9—5所示，在任意时间间隔，从流 场中的 y+l 点处或 y-l 点处有一个流体微 团到达y点 假定：流体微团到达 y 点时，仍保持原 所在区域的时均速度U ( y l ) 或 U ( y l ) ，流体微团的到达，使 y 点 流体的动量发生了突然的变化
混合长度理论假定由于流体微团横向运 动而引起的速度差U 1 或 U 2 ，等于 为y点处的纵向脉动速度 U ' ，故有：
对于牛顿型流体，粘性切应力可通过牛 顿剪切定理将其与速度联系起来 而雷诺应力因影响因素较多，目前只能 通过假设将其与时均速度联系起来，即 所谓的湍流模型
基于分数Maxwell模型对摇摆条件下流体流动特性的理论分析
—
式 中 ， 、 分 别表 示摇摆 角度 与摇摆 振 幅 ，ａ ； ｒｄ
２
为摇摆 周期 ，Ｓ 。
＝一
： —
（８２） ／ Ｊ ５ －
对流 体进 行受力 分析 （ 图 １。 主要是 沿 见 ） 着流 动方 向对 流体 产生作用 ， 而 主要是 在垂 直 流动 方 向上对 流体 产生 作用 。在 本文 中 ，主要考 虑 对 流体 的影 响 。
本 文基 于分 数 Ｍａｗｅｌ 型 ，将摇 摆 运动对 ｘ ｌ模 流体 的影 响转换 成一 种周 期 性 波 动 的压 差 ，分析
速度 ，ｍ ｓ 为时间 ，ｓ 为圆管的轴向坐标 ， ／；ｆ ； ｍ； 和 为分布系数 ，０ ≤１ ≤ ≤ｌ ≤ ，０ ，
为 了使 式 （１ 具 有物理 意义 ，必须 设定 ≤ 。 ） 当 ＝ ：１ ，式 （ ）就 变 成 传 统 的 Ｍａｗｅｌ 时 １ ｘ ｌ 模 型 ；当 ＝０， ＝１ ，式 （ ） 时 １ 便对 应 着牛 顿
詈 Ｏ 嘉 ＋］ ＋＋出 Ｏ罢 ｐ ｕ分数 Ｍａｗ ｌ 型克服了传 ｘ ｅ模 ｌ 统模 型无 法描 述非 线性 响应 的缺 点 ，可 以广泛 用 于 粘 稠 性 流 体 的 相 关 计 算 。 Ｈａａ ｙｔ等 用 分 数 Ｍａｗｅｌ模 型对平 行平 板 之 间 的波 动流 体 进行 了 ｘ ｌ 分析 计 算 …。Ｊ 等 用分 数 Ｍａ ｗ ｌ模 型对 圆管 内 ｉ ａ ｘ ｅｌ 粘 稠性 流体 的波 动进行 了理论 研 究 。 Ｊ
流体 。
了摇 摆条件 下非牛顿流体和 牛顿流体 的运动特 性 ，分析 了摇 摆运 动对 速度 和速度 梯 度 的影 响 。
当船体作简谐运动时 ，布置在船体 中的管道 随船 体一 起 运 动 ，这样 管 道 中的流 动流 体便 受 到 切 向力 （ ） 心力 （ ） 、离 和科 氏惯 性力 的作 用 ，
化学反应过程与设备课件03反应器中的流体流动模型
理想流动非理想流动理想流动反应器的分类和应用反应器内流体的流动特征主要指反应器内反应流体的流动状态、混合状态等，它们随反应器的几何结构和几何尺寸而异。
反应流体在反应器内不仅存在浓度和温度的分布，而且还存在流速分布。
这样的分布容易造成反应器内反应物处于不同的温度和浓度下进行反应，出现不同停留时间的微团之间的混合，即返混。
这些流动特征影响反应速率和反应选择率，直接影响反应结果。
所以，研究反应器中的流体流动模型是反应器选型、计算和优化的基础。
流动模型是对反应器中流体流动与返混状态的描述。
一般将流动模型分为两大类型，即理想流动模型和非理想流动模型。
非理想流动模型是关于实际工业反应器中流体流动状况对理想流动偏离的描述。
è 理想置换流动模型¢含义：理想置换流动模型也称作平推流模型或活塞流模型。
与流动方向相垂直的同一截面上各点流速、流向完全相同，即物料是齐头并肩向前运动的。
¢特点在定态情况下，所有分子的停留时间相同，浓度等参数只沿管长发生变化，与时间无关。
所有物料质点在反应器中都具有相同的停留时间。
¢反应器内浓度变化¢长径比较大和流速较高的连续操作管式反应器中的流体流动可视为理想置换流动。
è理想混合流动模型¢含义：理想混合流动模型也称为全混流模型。
反应物料以稳定的流量进入反应器，刚进入反应器的新鲜物料与存留在其中的物料瞬间达到完全混合。
反应器内物料质点返混程度为无穷大。
¢特点：所有空间位置物料的各种参数完全均匀一致，而且出口处物料性质与反应器内完全相同。
¢反应器内浓度变化¢搅拌十分强烈的连续操作搅拌釜式反应器中的流体流动可视为理想混合流动。
è非理想流动理想流动模型是二种极端状况下的流体流动，而实际的工业反应器中的反应物料流动模型往往介于两者之间。
对于所有偏离理想置换和理想混合的流动模式统称为非理想流动。
摇摆条件下窄矩形通道内流动传热特性数值模拟
图 ｌ 摇摆坐标 系示 意图
Ｆｉ ｇ ． １ Ｓ ｃ ｈ ｅ ｍａ ｔ ｉ ｃ Ｄｉ ａ ｇ ｒ ａ ｍ ｏ ｆ Ｒｏ ｌ ｌ ｉ ｎ ｇ Ｃｏ ｏ ｒ ｄ ｉ ｎ ａ ｔ ｅ
单位体积上的摇摆附加 力，可表示为 ：
李隆键等 ： 摇 摆条件下窄矩形通道 内流动传热特性数值模拟
８ ５
Ｆ＝ ｐ ｆ＝ 【 ｇ — ａ 一 × ， 一
水作为工质 ，静止条件下单相水流动方向垂直 向
（ ｏ ｘ Ｃ Ｏ × ， ） 一 ２ ｃ ｏ ｘ ］
式 中， 为摇摆 角 速度 ，ｒ ａ ｄ ／ ｓ ；
原点 ，流体 从 Ｆ 邵流 入 。矩 形通 道 厚 度 为 ，宽
传热特性做了大量的研究 ， 并取得了一定的成果 ， 但研究研究的流道多数为圆形截面管道 。由于窄 矩 形 通 道 特 殊 的 几 何 特 征 及 宽 窄 边 尺 寸 相 差 较
大， 基于圆管的流动和换热经验关系式不再适用。 本工作对不 同摇摆工况下窄矩形通道流体 的 流动与传热特性进行数值模拟 ，并与非摇摆工况 下通道 内流动特性进行 比较 ，分析雷诺数 Ｒ 已 、摇 摆周期 和摇摆幅度 传热特性影响规律。 对窄矩形通道内流动与
（ ２ ）
为 摇摆 角加 速
上 ，流体的进 口温度为 ３ ０ ５ ． １ ６ Ｋ；出 口边界采用 单 向 出流 条件 ；忽 略 壁 面厚 度 ，定 热 流 密 度 Ｑ＝ ６ × １ ０ ｗ／ ｍ ；展向一侧采用对称边界条件 ，
度 ，ｒ ａ ｄ ／ ｓ ；， 为流体微元的矢径 ；ａ 为非惯性坐 标系 的平移加速度 ；ｃ ｏ ｘ （ ｃ ａ ｘ ｒ ） 为质点 向心加速 度； × ， 为质点切 向加速度 ；２ ｏ× Ｕ为质点科 氏 加速度 。 通常可认为摇摆波动规律服从三角 函数 规律 【 ４ 】 ，三者可分别表示为 ：
摇摆条件下圆管内的摩擦阻力模型
摇摆条件下圆管内的摩擦阻力模型鄢炳火;顾汉洋;杨燕华;于雷【摘要】对摇摆条件下的层流和湍流流体的受力特性进行了分析.从Navier-Stokes方程出发建立了摇摆条件下层流和湍流流体的流动模型,推导出了摇摆条件下圆管内层流和湍流流体的速度表达式和摩擦阻力系数表达式.分析了摇摆条件对流体流动特性的影响机理.将理论模型与实验结果进行了比较验证,两者较为吻合.%The forces affected on the laminar and turbulent flows in rolling motion were analyzed. The flowing models of laminar and turbulent flows were established on the basis of Navier-Stokes equation. The correlations of velocity and frictional resistance coefficient of laminar and turbulent flows in rolling motion were derived. The influence mechanism of rolling motion on the flowing characteristics of these flows was also investigated. The theoretical models were validated with experimental results. The theoretical results are consistent with experimental results.【期刊名称】《原子能科学技术》【年(卷),期】2011(045)005【总页数】5页(P554-558)【关键词】摇摆;圆管;摩擦阻力【作者】鄢炳火;顾汉洋;杨燕华;于雷【作者单位】海军工程大学,核能科学与工程系,湖北,武汉,430033;上海交通大学,核科学与工程学院,上海,200240;上海交通大学,核科学与工程学院,上海,200240;海军工程大学,核能科学与工程系,湖北,武汉,430033【正文语种】中文【中图分类】TL33对于海洋条件下的流体，由于受到随时间和空间变化的附加外力的作用，其流动和传热特性与稳态条件下流体的流动和传热特性有很大的差异。
流体力学中的流体流动的物理模型与流动状态
流体力学中的流体流动的物理模型与流动状态引言流体力学是研究流体运动和流动行为的分支学科。
流体流动是指流体在外力驱使下的运动过程，包括了流体的速度、压力、密度等特性的变化。
流体流动的物理模型与流动状态的研究，对于理解各种工程问题和自然现象起着重要的作用。
本文将介绍流体力学中的流体流动的物理模型以及不同流动状态的特点与应用。
1. 流体流动的物理模型流体流动的物理模型是对流体流动过程中各种因素的定量描述。
根据流体的性质和运动状态，可以建立不同的物理模型。
主要有以下几种：1.1. 理想流体模型理想流体模型是指忽略流体黏性和压缩性的假设，并通过连续介质力学的基本方程来描述流体的运动。
在理想流体模型中，流体可以看作是由无数微小粒子组成的连续介质，其速度场和压力场满足欧拉方程和连续方程。
1.2. 粘性流体模型粘性流体模型考虑了流体的黏性，即流体分子间相互作用引起的内摩擦力。
粘性流体模型可以通过把连续介质力学的基本方程加上黏性项来描述流体流动。
1.3. 可压缩流体模型可压缩流体模型考虑了流体的压缩性，即流体在受到外力作用时可以发生密度变化。
可压缩流体模型可以通过加上状态方程来描述流体流动。
1.4. 多相流模型多相流模型用于描述多种物质或多种相态的流体混合在一起的复杂流动过程。
多相流模型可以应用于研究气液两相流、气固两相流、液固两相流等多种多相流动。
2. 流动状态的分类与特点流体流动可以分为不同的状态，根据流动性质的不同可以进行分类。
常见的流动状态有以下几种：2.1. 局部稳定流动局部稳定流动指流体在一定范围内保持稳定的流动状态。
在局部稳定流动中，流体的速度、压力等物理量可能随位置和时间的变化而发生改变，但整体上保持稳定。
局部稳定流动可以通过纳维-斯托克斯方程或雷诺平均-纳维-斯托克斯方程进行数值模拟和分析。
2.2. 局部非稳定流动局部非稳定流动指流体在一定范围内不保持稳定的流动状态。
在局部非稳定流动中，流体的速度、压力等物理量会出现大幅度变化或者产生涡流等现象。
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第４ 卷 第６ ４ 期
２ １年６ ０ ０ 月
原
子
能
科
学
技
术
Ｖｏ ． ４， ． １ ４ ＮＯ ６
Ａ ｔ ｍ ｉ ｏ ｃ Ｅｎｅ ｇｙ Ｓ ｉｎｃ ｎ ｅ ｈｎ ｌ ｇｙ ｒ ｃｅ ｅａ ｄ Ｔ ｃ ｏｏ
Ｊ ｎ ２ １ ｎ ． ００
摇摆 条件 下矩 形 管 内流体 流 动模 型
Ｆｌ ｗｉ ｇ Ｍ ｏ ｅ ｎ Ｒｅ ｔ ｎ ｕ ａ ｂ ｓ ａ ｌｉ ｇ Ｍ ｏ ｉ ｎ ｏ ｎ ｄ ｌｉ ｃ ａ ｇ ｌ ｒ Ｔｕ ｅ ｔ Ｒｏ ｌｎ ｔｏ
ＹＡＮ ｎ — ｕｏ Ｂｉ ｇ ｈ 。ＹＵ ｉ Ｌｅ ，ＹＡＮＧ ｎ ｈ Ｙａ — ｕａ （． ｐ ｒｍｅ ｔ ｆ Ｎｕｌａ ｎ ｒ ｙ Ｓｉｎｅａ ｄ Ｅ ｇ ｎｅｉｇ，Ｎａ ａ ｉｅｓｔ ｆＥｎ ｉｅｒｎ Ｗｕ ａ ３０ ３ ｈｎ ； １ Ｄｅ ａ ｔ ｎ ｃｅ ｒＥ ｅｇ ｃｅｃ ｎ ｎ ｉｅｒｎ ｏ ｖ ｌ ｖｒｉ ｏ ｇｎ ｅｉｇ， ｈ ｎ ４０ ３ ，Ｃ ｉａ Ｕｎ ｙ
近年 来 ， 随着核 能在海 洋上 的广泛应 用 ， 海
洋 条 件 对 核 动 力 系 统 运 行 特 性 的 影 响 越 来 越 被
于核反 应堆板 状燃料 元件 中的矩形 通道 尚未涉
及 。本 工 作 通 过 分 析 受 力 和 压 降 变 化 建 立 摇 摆
人 们所 关 注 。Ｍｕａａ等 和 Ｉｈｄ ｒｔ ｓ ｉａ等 分 别
鄢炳火 ， 雷 杨燕华 于
，
（． １ 海军 工 程 大 学 核 能科 学 与 ２ 程 系 ， 北 武 汉 １ ２ 湖
４ ０ ３ ； ３ ０ ３ ２ 上海 交 通 大 学 核科 学与 ５ 程 学 院 ， 海 １ ２ 上
２０４） ０ ２０
摘 要 ： 立 了摇 摆 条 件 下 矩 形 管 内层 流 流 动模 型 ， 导 出 了 速 度 分 布 表 达 式 ， 析 了摇 摆 运 动 对 矩 形 管 建 推 分 内层 流 流 动 的 影 响 。 离心 力 的作 用 在 系 统 中被 相 互 抵 消 。 切 向 力 会 引起 速 度 波 动 ， 度 波 动周 期 因 而 速 与摇 摆 周 期 一 致 。切 向力 不会 改 变 平 均 速 度 分 布 ， 而 不 会 改 变 层 流 平 均 摩 擦 阻 力 系数 。在 矩 形 管 内 因 的层 流流 体 中也 会 出 现 Ｒｃ ａｄｏ ｉ ｒｓｎ效 应 。 ｈ 关键 词 ： 摆 ； 形 管 ； 度 摇 矩 速 中图 分 类 号 ： ３ ＴＬ ３ 文献标志码 ： Ａ 文 章编 号 ：０ ０６ ３ （００ ０ —６ １０ １０ —９ １２ １） ６０ ７—５