生活中的流体力学之烟囱效应数值模拟简单案例

正文共： 1081字 10图 预计阅读时间： 3分钟1 前言在阅读本案例内容之前，强烈建议读者朋友先阅读我们此前发布的推文 ——《FLUENT 中的静水压力》，该文由原资深作者撰写，直观且深入地探讨了静水压力的处理方法。我们都清楚，在管道内流动仿真分析中，是否需要考虑重力，核心取决于重力是否会对流场的速度分布、压力分布或相分布等产生显著影响。今天，我们将通过一个实际工程案例，继续深入探讨这一关键问题。2 问题讨论考虑如下二维平面管道模型，我们需要计算液态水从底部流入后，从两个高度不同的出口流出的水量分配情况。需要特别说明的是，模型中所有管段的通流截面尺寸完全相同。很显然，由于两个出口存在明显的标高差异，由此产生的静水压差必然会对流量分配产生决定性影响。因此，本案例的仿真计算必须准确考虑重力的作用。那么，如何正确考虑重力的影响呢？或许有些读者会认为，计算时只需在软件中打开重力项开关即可。我们先关闭重力项进行计算，结果显示，标高更高的上出口流量反而更大。这一结果明显违背物理常识，因为水流向上流动必须克服重力做功，正常情况下上出口的流量应当小于下出口。接下来，我们开启重力项，将 Y 方向重力加速度设置为 - 9.81 m/s²，但操作密度（operating density）保持软件默认设置，再次进行计算。结果令人意外，本次计算结果与关闭重力项时几乎完全一致，这表明重力的影响并未被正确纳入计算。相信读者朋友查阅前文提到的《FLUENT 中的静水压力》一文后，就能明白其中的缘由。在单相流仿真中，除了开启重力项，还必须将操作密度设置为 0。完成这一关键设置后重新计算，结果终于符合物理逻辑：下出口的流量显著大于上出口。我们不妨进一步思考，本案例是否存在其他方法，即便不将操作密度设置为 0，也能正确模拟重力的影响？答案是肯定的，采用两相流模型即可实现。我们设置介质为空气和液态水，选用 VOF 多相流模型，定义液态水为主相，空气为次相。操作密度采用软件默认方法，由于 VOF 模型需要瞬态求解，我们将时间步长设置为 0.01s。待计算达到稳态后，查看两个出口的流量情况。可以发现，采用两相流计算得到的流量分配结果，与上文正确考虑重力影响的单相流计算结果基本一致。不过需要特别强调的是，对于本案例而言，采用两相流计算是更为严谨、更为准确的方法。重力与惯性力的相对大小是本案例的核心关键，当流体流速较低时，重力的影响可能超过惯性力，即弗劳德数较小，此时水平管内可能形成非满管流。在极端情况下，水流甚至无法到达上管，导致上出口流量为零。这种工况下，即便是正确设置了操作密度的单相流方法也无法准确模拟，必须采用两相流模型，在此我们不做更深入的探讨。来源：仿真与工程