毕 业 论 文
题 目： 玻璃纤维增强混凝土固液两相流体输送分析
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学院： 机械工程学院
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专业：材料成型及控制工程 班级：1201学号201202050125
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学生姓名： 唐林波
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导师姓名： 陶友瑞
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完成时间： 2016-5-25
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诚 信 声 明
本人声明：
1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；
2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；
3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。
作者签名： 日期： 年 月 日
毕业设计（论文）任务书
题目： 玻璃纤维增强混土固液两相流体输送分析
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姓名 唐林波 学院 机械工程学院 专业 材料成型 班级 1201 学号 201202050125
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指导老师 陶有瑞 职称 教 授 教研室主任 陈 国 强
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一、基本任务及要求：
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1.查阅资料并分析FLUENT管道输送的研究现状，重点把握Fluent仿真的特点； 2.设计仿真用的模型，并参考资料书上的参数设置； 3.对玻璃纤维增强混凝土进行了解及其应用情况； 4.建立模型，并进行仿真与分析； U
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5.做相关实验并分析实验结果与仿真结果相对照；
二、进度安排及完成时间：
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1. 3月1日～3月20日，查阅资料、撰写文献综述和开题报告； U
2. 3月21日～4月3日，课题调研、资料收集、方案设计； 3. 4月4日～5月1日， 试验研究及结果分析； 4. 5月2日～5月22日，撰写毕业论文； 5. 5月23日～6月5日，将毕业论文送指导老师审阅、评阅老师评阅； 6. 6月7日～6月19日，毕业论文答辩和资料整理。
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目 录
摘要 ...................................................................... I Abstract .................................................................................................................................. II 第1章 绪 论 .......................................................................................................................... 1 1.1 玻璃纤维混凝土 .................................................. 1 1.1.1 玻璃纤维增强混凝土 ....................................... 1 1.1.2 玻璃纤维增强混凝土的工程应用 ............................. 1 1.2 计算流体力学 .................................................... 2 1.3 计算流体力学（CFD）的发展应用及特点 ............................. 3 1.3.1 计算流体力学的发展 ....................................... 3 1.3.2 计算流体力学的应用 ....................................... 4 1.4 课题研究的目的、意义 ............................................ 5 第2章 CFD软件Fluent简介 ............................................................................................... 6 2.1 Fluent概述 ..................................................... 6 2.2 Fluent软件的基本特性 ........................................... 6
2.2.1 Fluent软件的网格特性 .................................... 6 2.2.2 Fluent软件定义边界条件特性 .............................. 6 2.2.3 Fluent软件的处理特性 .................................... 7 2.3 Fluent的程序结构 .......................................... 7
2.4 Fluent程序可以求解的问题 ....................................... 8 2.5 用Fluent程序求解问题的步骤 ..................................... 8 第3章 建立所需模型与计算 .................................................................................................. 9 3.1 DesignModeler几何建模 .......................................... 9
3.2.1 实例概述 ................................................. 9 3.2.2 模型建立 ................................................. 9 3.2.3 生成几何体 .............................................. 10 3.2.4 输出几何体 .............................................. 10
3.3 ANSYS Meshing 网格划分 ......................................... 10
3.3.1 模型导入 ................................................ 10 3.3.2 网格划分 ................................................ 11 3.3.3 定义边界 ................................................ 12 3.3.4 网格导出 ................................................ 12
3.3.5 网格划分的概述 .......................................... 12
3.4 Fluent中模型的瞬态模拟 ................................................................................. 12
3.4.1输入与检查网格 .......................................... 12 3.4.2选择求解器 .............................................. 13 3.4.3.定义材料 ................................................ 13 3.4.4.定义边界条件 ............................................ 15 3.4.5 设置求解控制参数 ........................................ 15 3.4.6 迭代计算 ................................................ 15 3.4.7 结果后处理 .............................................. 16
3.5 做直径不同的模型进行仿真对比以更好分析 ......................... 17 第4章 进行实验来与Fluent仿真相对照 ........................................................................ 19 4.1 实验设备与材料 ................................................. 19 4.2 实验基本原理和进行实验 ......................................... 20 4.3 测得的实验数据与仿真分析的数据相比较 ........................... 21 4.4 对实验结果与仿真结果进行探讨 ................................... 21 第5章 结论 .......................................................................................................................... 22 致谢 .......................................................................................................... 错误！未定义书签。 参考文献 .................................................................................................................................. 24
摘要
FLUENT可以对流动、传热及化学反应等若干问题进行模拟仿真。在工程仿真与实验领域中应用最广泛的一门学科为计算流体力学CFD（Computational Fluid Dynamics）。质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定是任何流体运动都得遵循的规律。这些基本定律可由数学方程组来描述，如欧拉方程、N-S方程。CFD研究问题的方法是采用数值计算方法，并使用计算机求解相关的控制流体流动的数学方程，进而研究流体的运动规律。
液体管道通常受各种原因会发生水力的瞬变，在水力瞬变过程中可能产生过高或过低的压力，严重时会对管道及其附属设备造成破坏。因此，在管道设计和运行过程中需要对可能出现的瞬态过程进行计算分析，以便在设计时留出足够的余量，或在运行中控制瞬变过程的影响。对一个类似于塑料圆管，通过抽真空让其慢慢装满玻璃纤维增强混凝土的分析，在工程实际中也有意义，通过分析混凝土在圆管里的流速、压力、密度等云图，在工程实际中应给予桶多大的压力才能更好的让混凝土流动，设计多厚的桶壁才能承受相应的压力。
关键字：FLUENT；瞬变；玻璃纤维增强混凝土；流体力学
I
Abstract
FLUENT to flow, heat transfer and chemical reaction on the problems such as simulation.The most widely used in the field of engineering simulation and experiment of a discipline for Computational Fluid Dynamics CFD (Computational Fluid Dynamics).The law of conservation of mass, the law of conservation of momentum and energy conservation is any fluid motion has to follow the rule.These basic laws can be made of mathematical equations to describe, such as euler equation and navier-stokes equation.CFD study method is a numerical calculation method, and use the computer to solve the relevant control mathematical equations of fluid flow, and then studies the movement rule of fluid.Computational fluid dynamics in the engineering practice, the application of CFD software to solve some typical fluid mechanics problems also has great value.In recent years, with the development of the development of computer hardware and related software, CFD technology has made significant progress in the engineering field, particularly fluid analysis and fluid flow plays a big role.
Liquid pipeline will happen often affected by various reasons of hydraulic transients, may be produced in the process of hydraulic transient pressure too high or too low, serious when damage to the pipelines and additional equipment.Therefore, in the process of pipeline design and operation needs to be possible to calculate the transient process analysis, in order to set aside enough allowance, when the design or the influence of the transient process in the operation of the control.For a similar to use the bucket full of concrete analysis on water dispenser, also has significance in engineering practice, through the analysis of concrete in a bucket of velocity, pressure, density, such as cloud, should give barrels in engineering practice how much pressure to make concrete flow better, more thick barrel wall to the corresponding under pressure.
KEY WORDS: FLUENT; Transient; Glass fiber reinforced concrete; Fluid mechanics
II
第1章 绪 论
1.1 玻璃纤维混凝土
1.1.1 玻璃纤维增强混凝土
玻璃纤维增强混凝土按纤维种类一般分为钢纤维增强混凝土、玻璃纤维增强混凝土及碳纤维增强混凝土等,其中玻璃纤维增强混凝土是开发应用较早的一种纤维增强混凝土[1]。由于硅酸盐水泥水化时产生大量Ca(OH）2，使混凝土呈较强的碱性。玻璃纤维常因被碱蚀而导致脆化,使混凝土的韧性和抗弯强度严重下降。 现在使用抗碱玻璃纤维代替普通玻璃纤维作为混凝土的增强材料。使玻璃纤维的碱蚀脆化现象得到了一定的改善。目前各国使用的玻璃纤维增强混凝土一般都是用抗碱玻璃纤维和低碱水泥作为原料的。用于玻璃纤维增强混凝土的玻璃纤维一般不是玻璃单丝,而是由100一200根单丝组成的纤维束。每根单丝的直径约0.01mm。而由单丝组成的集束状纤维断面一般都不是圆形。若干根集束纤维松弛地粘结在一起组成粗纱，称其为玻璃纤维无捻粗纱。将其切割成适当的长度或用无捻粗纱编织成纤维毡或网格布,即可用于玻璃纤维增强混凝土的制备。玻璃纤维增强混凝土所用水泥主要是低碱水泥。主要品种有低碱硫铝酸盐水泥、混合型低碱水泥、改性硅酸盐水泥等。其中低碱硫铝酸盐水泥是目前在玻璃纤维增强混凝土中应用最多的一种水泥。
1.1.2 玻璃纤维增强混凝土的工程应用
GRC是英文Glass fiber Reinforced Concrete的缩写，中文名称是玻璃纤维增强混凝土。GRC是一种以耐碱玻璃纤维为增强材料、水泥砂浆为基体材料的纤维水泥复合材料。玻璃纤维增强混凝土可以应用于水力水电工程，可以用于防渗，其较好的力学性能也可用于地下工程中，在建筑装饰中也可广泛使用。1、地下工程中使用GRC：瑞士、美国等国家,常用钢纤维喷混凝土做为地下工程的临时支持,但有时也允许做为永久支护,美国肯塔基州的哈伦一座宽10.4m的泄洪隧洞就使用钢纤维喷混凝土作永久支护。GRC较钢纤维喷混凝土造价要低,因而,可以考虑在地下工程中使用GRC。2、交通工程中应用：水利水电工程离不开公路交通,当前我国已经开始应用钢纤维混凝土路面来代替普通混凝土路面,钢纤维混凝土路面具有路面厚度薄、伸缩缝少(20～30m)、纵缝少(4.5～ 7m)、整体性能好(面板间距20～ 30m)、经济效益好等优点。3、钢纤维混凝土还应用于桥面,钢纤维混凝土桥面抗裂性、耐磨性好,可减少维修工作量。因此,GRC技术也可以考虑代替钢纤维混凝土在公路路面及桥梁桥面上应用。4、渠道防
1
渗：渠道防渗使用GRC技术的前景是广阔的,对于大量使用混凝土板防渗的渠道,且施工现场缺少水源和建材的渠道更适于GRC板防渗,因为它便于机械化生产,便于运输、安装。可大量用于水工混凝土的加固、修补,目前大量50、60年代的水工混凝土建筑物,逐渐老化,急待修补。5、工程斜坡及边坡的支护 在施工中为避免岩石堕落对工地施工人员造成危险以及循环作业造成消极影响时,常采用加筋钢丝网喷混凝土临时支护。如用GRC材料代替挂网喷混凝土,可以使喷混凝土厚度减薄,回弹率下降,省去繁重的挂网作业,加快施工进度,同时可以避免喷射死角,以最佳方式适应边坡地形。
1.2 计算流体力学
计算流体力学（Computational Fluid Dynamics）是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析[2]。CFD的基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值得集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解这些方程组获得场变量的近似值。
计算流体力学在数值研究上大体沿两个方向发展，一个是在简单的几何外形下，通过数值方法来发现一些基本的物理规律和现象[3]，或者发展更好的计算方法；另一个则为解决工程实际需要，直接通过数值模拟进行预测，为工程设计提供依据[4]。理论的预测出自于数学模型的结果，而不是出于一个实际的物理模型的结果。计算流体力学是领域交叉的学科，涉及计算机科学、流体力学、偏微分方程的数学理论、计算几何、数值分析等，这些学科的交叉融合，相互促进和支持，推动了学科的深入发展。
流体的运动一般可以通过流动基本方程及相关模型和状态方程由偏微分方程（组）或积分形式方程来描述[5]。CFD中把这些方程称为控制方程。这些控制方程的微分或积分项中包括时间/空间变量（自变量）以及物理变量（因变量）。这些变量分别对应着时间域和空间域及各自区域上的解。要把这些积分和微分项用离散的代数形式代替，必须首先把求解的问题离散化[6]。此过程就是求解域被近似为一系列的网格点或单元体的中心，定点或其它特性点上。在每个网格点上或控制体上，流体运动方程的积分微分项被近似表示为离散分布的变量函数，并由此得控制方程的近似代数方程[4]。在实际科学及工程中，常采用程序设计语言把求解的过程编成计算机程序，形成CFD软件，通过运行这些软件来得到所需的数据。
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1.3 计算流体力学（CFD）的发展应用及特点
1.3.1 计算流体力学的发展
计算流体动力学是20世纪60年代伴随计算科学与工程（Computational Science and Engineering,CSE)迅速崛起的一门学科分支[7]。总的来说随着计算机技术及数值计算方法的发展，从60年代至今，其发展过程可以分为三个阶段。 ⑴ 萌芽时期（1965~1974）
初始阶段的主要的是解决计算流体力学中的基本的理论问题，如模型方程（辐射、气体－颗粒作用、化学反应、燃烧湍流、流变、传热等）、数值方法（差分格式、代数方程求解等）、网格划分、程序编写及如何实现等，并就数值结果与大量传统的流体力学实验结果的精确解进行比较，以确定数值预测方法的可靠性、精确性及影响规律[8]。期间著名的研究成果由Lax、Kreiss等人给出的非定常偏微分方程差分逼近的稳定性理论，促进了时间相关方法[9]。另一方面，Thompson, Thams和Mastin采用微分方程来根据流动区域的形状生成适体坐标体系希望解决工程上具有复杂几何区域内的流动问题，人们开始研究网格的变换问题，从而使计算流体力学对不规则的几何流动区域有了较强的适应性，逐渐在CFD中形成了专门的研究领域：“网格形成技术”。 ⑵ 开始走向工业应用阶段(1975～1984年)
随着计算机硬件的不断开发，具有千万次、亿万次计算能力的计算机的出现，同时计算方法的不断改进和数值分析理论的长足发展，人们在不断探索计算流体力学的这些理论如何在工业设计中得到应用[10]。因此，该阶段的主要研究内容是探讨CFD在解决实际工程问题中的可行性、可靠性及工业化推广应用。同时，CFD也在重点解决流动为基础的工程问题，如气固、液固多相流，非牛顿流、化学反应流、煤粉燃烧、多孔介质数值模拟等[11]。然而，这些研究都是专业研究团队在进行，软件之间没有互换性，通常都是为了特定目的而开发一新的程序，为了理解前人的目的新实用的人通常需要花费大量的时间与精力来理解程序设计意图。1977年，Spalding等开发的用于预测二维边界层内的迁移现象的GENMIX程序公开，其后，他们首先意识到公开计算源程序很难保护自己的知识产权，因此，在1981年，组建的CHAM公司将包装后的计算软件正式投放市场，开创了CFD商业软件的先河，但是，在当时，该软件使用起来比较困难，软件的推广并没有达到预期的效果。我国80年代初期，随着与国外交流的发展，科研所、部分高校开始兴起CFD的研究热潮。 ⑶ 快速发展期(1985年～)
CFD在工程设计的应用以及应用效果的研究取得了丰硕的成果，在学术界得到了
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充分的认可。同时Spalding领导的CHAM公司在发达国家的工业界进行了大量的推广工作， Patankar也在美国工程师协会的协助下，举行了大范围的培训，皆在推广应用CFD，然而，工业界并没有表现出太多的热情。
1985年的第四界国际计算流体力学会议上，Spalding作了CFD在工程设计中的应用前景的专题报告，在该报告中，他将工程中常见的流动、传热、化学反应等过程分为十大类问题，并指出CFD都有能力加以解决，分析了工业界不感兴趣，是因为软件的通用性能不好，使用困难。如何在CFD的基础研究与工程开发设计研究之间建立一个桥梁?如何将研究结果为高级工程设计技术人员所掌握，并最大限度地应用于工程咨询、工程开发与设计研究?这正是本时期应用基础研究所追求的目标。此后，随着计算机图形学、计算机微机技术的快速进步，CFD的前后处理软件得到了迅速发展，如GRAPHER，GRAPHER TOOL，ICEM－CFD等等。同时，一些经济实力雄厚的实体也见到了CFD 应用软件的巨大商机，纷纷介入。如美国的FLUNENT、ANSYS及英国的AEA等。
1.3.2 计算流体力学的应用
CFD分析研究可以获得工程设计、生产管理、技术改造中所必需的参数，如流体阻力（阻力损失），液体粘度系数，固液之间的传热量（散热损失等），气或固体颗粒的停留时间，产品质量、燃烬程度、反应率、处理能力（产量）等综合参数以及各种现场可调节量（如风量、风温、组分等）对这些综合参数的影响规律性。还可以提供流动区域内精细的流场（速度矢量）、温度场、各种与反应进程有关的组分参数场，通过对这些场量的分析，发现现有装置或设计中存在的不足，为创新设计、改造设计提供依据。相当于是一个通用的、多功能的大型冷、热态试验场（数值试验）。
CFD有强大的模拟仿真功能，自然界和工程问题中有大量的多相流动。物质一般具有气、液、固三相，但在多相流系统中相的概念有更为广泛的意义。我们通常所指的多相流动中，相可以定义为具有相同类别的物质，该类物质在所处的流动中具有特定的惯性响应并与流体场相互作用。
FLUENT软件是多相流建模方面的领导者，其丰富的模型能力可以帮助设计者洞察设备内那些难以探测的现象，比如Eulerian多相流模型通过分别求解各相流动方程的方法分析相互渗透的各种流体或各相流体流体，对于颗粒相流体采用特殊的物理模型进行模拟。很多情况下，占用资源较少的混合模型也用来模拟颗粒相与非颗粒相的混合。
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1.4 课题研究的目的、意义
本课题主要对玻璃纤维增强混凝土固液两相流输送进行仿真分析，运用有限元软件ANSYS中的fluent建立恰当的几何模型，进行网格划分并定义边界类型，进行模型计算设置包括定义密度、导热系数、材料物性、两相属性设置等等参数，进行计算及进行结果后处理，看输送的管道或它输送的物品的速度场云图，压力云图等。Fluent通过在计算机上求解描述流体运动、传热和传质的偏微分方程（组），并对上述现象进行过程模拟，从而获得流体在特定条件下的有关信息。FLUEN可用来进行流体动力学的基础研究，复杂流动结构的工程设计，了解在燃烧过程中的化学反应，分析实验结果等。其主要优点是能以较少的费用和较短的时间获得大量有价值的研究结果，对投资大、周期长、难度高的实验研究来说,Fluent 的优点就更为突出。因此，将Fluent与工程研究相结合，不仅有助于工程设计的改进，而且能减少实验的工作量。
玻璃纤维增强混凝土属于高浓度物质，长期以来人们对高浓度浆体的流动特性认识都不是很全面，管道输送多采用模拟实验方法确定，及在实验室内用管室径较小的循环管道测定一定浓度及流速下管道的水力坡度。对高浓度物质难以测量是因为浆体为不透明的混合体，无法通过透明管道形象地观察物体在管道内的流动情况；浆体粘度、屈服应力的测定需要大量的实验，用于测定水、油等粘度的粘度计对浆体不适用；浆体在管道中的流速，沿程阻力，压力测量比较困难。随着技算机的发展和软件的升级，运用数值计算的方法成为研究管道输送高浓度物质的新手段。
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第2章 CFD软件Fluent简介
2.1 Fluent概述
Fluent是目前国际上主流的商用CFD软件包，在美国的市场占有率为60%。凡是和热传递、流体、化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、强大的前后处理功能、先进的数值方法。广泛应用于航空航天、汽车设计、石油天然气和涡轮机设计等方面。为了解决边界运动的问题，FLUENT软件中开发了动/变形网格技术，用户只需指定初始网格和运动壁面的边界条件，余下的网格变化完全由解算器自动生成。 网格变形方式有三种：动态铺层式、弹簧压缩式以及局部网格重生式。其中局部网格重生式是FLUENT所独有的，而且用途广泛，可用于变形较大问题、非结构网格以及物体运动规律事先不知道而完全由流动所产生的力所决定的问题；FLUENT软件拥有强大的网格支持能力，支持界面不连续的网格、混合网格、动/变形网格以及滑动网格等。值得强调的是，FLUENT软件还拥有多种基于解的网格的动态自适应技术、自适应技术。
2.2 Fluent软件的基本特性
2.2.1 Fluent软件的网格特性
FLUENT软件采用基于完全非结构化网格的有限体积法，而且具有基于网格节点和网格单元的梯度算法。Fluent网格具有非常灵活的特性，可以让用户使用非结构网格，包括三角形、四面体、四边形、六面体、金字塔形网格来解决具有复杂外形的流体流动，甚至可以用混合型非结构网格。根用户可以据解的具体情况对网格进行修改，像简化或者粗化。Gambit作为Fluent前处理软件，能够读入多种CAD软件的三维几何模型和多种CAE软件的网格模型。Fluent可用于二维轴对称、二维平面和三维流动分析，能够完成多种参考系下的流场模拟、不可压流和可压流计算、定常与非定常流动分析、层流和湍流模拟等。它的湍流模型包括k-ε模型、LES模型双层近壁模型Reynolds应力模型等。
2.2.2 Fluent软件定义边界条件特性
Fluent可让用户定义多种边界条件，如流动入口和出口边界条件避免边界条件等，可采用多种局部的笛卡尔和圆柱坐标系的分量流入，所有边界条件均可随时间和空间变化，包括轴对称和周期变化等。
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2.2.3 Fluent软件的处理特性
Fluent使用C语言写的，可实现动态内存分配及高校数据结构，具有极大的灵活性和很强的处理能力。它还提供了用户自定义子程序功能，可让用户自行定义连续方程、动量方程、能量方程，自定义边界条件初始条件、流体的物性等，这给特殊问题的处理带来了极大的方便。
2.3 Fluent的程序结构
Fluent程序软件包括以下几个部分组成： ⑴ Gambit——用于建立几何结构和网格的生成。 ⑵ Fluent——用于进行流动模拟的求解器。 ⑶ prePDF——用于模拟PDF燃烧过程。 ⑷ TGrid——用于从现有的边界网格生成体网格。 ⑸ Filter——将其他程序生成的网格，用于Fluent计算。
利用Fluent软件进行流体与传热的模拟计算流程如图2-1所示。首先利用Gambit进行流体区域几何形状的构建、边界类型以及网格的生成，并输出用于Fluent求解器计算的格式；然后利用Fluent求解器对流动区域进行求解计算，并进行计算结果的后处理。
图2-1 基本程序机构示意图
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2.4 Fluent程序可以求解的问题
Fluent软件可以计算二维和三维流动计算问题，在计算过程中，网格可以自适应调整。Fluent软件应用非常广泛，主要范围如下： (1) 可压缩与不可压缩问题。 (2) 稳态和瞬态流动问题。 (3) 无黏流，层流及湍流问题。 (4) 牛顿流体及非牛顿流体。 (5) 对流换热问题。
（6) 导热与对流换热耦合问题。 (7) 辐射换热问题。
(8) 惯性坐标系和非惯性坐标系下流动问题模拟。
(9) 用Lagrangian轨道模型模拟稀流相（颗粒，水滴，气泡等）。 (10) 一维风扇、热交换器性能计算。 (11) 两相流问题。
（12 复杂表面形状下的自由面流动问题。
2.5 用Fluent程序求解问题的步骤
利用FLUENT软件求解问题的具体步骤如下： (1) 确定几何形状，生成计算网格（用GAMBIT）. (2) 选择2D /3D求解器。 (3) 输入并检查网格。 (4) 选择求解的方程。 (5) 确定流体的材料性质。 (6) 两相属性设置。
(7) 确定边界类型及边界条件。 (8) 条件计算控制参数。
(9) 流场初始化。 （10）求解计算。
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第3章 建立所需模型与计算
3.1 DesignModeler几何建模 DesignModeler中能够实现CAD与CAE互换。创建想要设计的模型是产品研发
的第一步，当然也是最为核心的一部。DesignModeler是CAD与CAE的桥梁，CAD模型通常不会考虑CAE分析的需要。DesignModeler基于Workbench,提供适用于有限元计算的建模功能，包含具体模型创建，CAD模型修复、CAD模型简化，以及概念化模型创建功能。
3.2 圆管几何模型的建立 3.2.1 实例概述
圆管内部流体与管壁的相对运动会产生一定程度的振动而使管道系统动力失稳，严重时会给系统带来灾难性的毁坏。故研究弯管内多相流的速度、压力分布等流动特性，不仅能够为安全输运、流动参数控制等提供参考，还可为管线防腐、节能降耗措施选取等提供依据。管道的几何尺寸如图3-1所示。其中H1=7.5cm,V2=13.6cm。
图3-1 管道草图
3.2.2 模型建立
这个模型很简单，workbench可以建立比较复杂的模型。步骤大概如下：首先得下载ANSYS,它里面包含了几何建模，网格划分，及FLUENT仿真分析。打开Work-Bench双击Toolbox菜单下Component Systems中的Geometry。在树形菜单中选择XY-Plane,
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选择XY平面视图，单击树形菜单下第一个按钮Sketching,展开“几何绘制（Draw)界面，在Draw下拉菜单中，选择Line，画出想要的草图。然后在逐步标注。
3.2.3 生成几何体
利用旋转命令完成几何体。单击菜单栏中的旋转命令Revolve,选择要旋转的草图，单击Apply，再选择旋转轴，单击Generate,得到圆管如图3-2所示。
3.2.4 输出几何体
图3-2 管道模型
单击File中的Export,输入File Name为Gemo3-1,保存类型保持默认，单击Save按钮将模型保存至相应的文件中。最后，单击File下拉菜单的Close DesignModeler。
3.3 ANSYS Meshing 网格划分
3.3.1 模型导入
直接将已建好的几何导入Meshing,进行网格划分。Meshing可以对圆管进行四面体网格划分，然后利用Inflashing生成边界层，再利用Named Selection定义边界，完成网格划分。
启动Workbench,在Workbench界面中双击左侧Component Systems面板的Mesh项，此时Project Schematic项目视图区出现了一个新的Mesh工程，选中Mesh工程菜单的第二行Geometry,并在右击鼠标展开的菜单中选择Import Geometry,单击Browse按钮，浏览并复制Gemo3-1文件，这就把几何模型导入了。
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3.3.2 网格划分
打开ANSYS Meshing 软件的操作界面，在Outline中，单击Geometry号，可以看到其中已存在一个（Solid),如图3-4。单击Outline中的Mesh，在Outline的下方Details of “Mesh”面板中将Physcis preference设置为CFD，并选择FLUENT求解器，如图3-5。
图3-4 图3-5
右击Outline中的Mesh,在展开的菜单中选择Insert下级菜单中的Inflation,这是为了插入一个膨胀的方法，接着，在Details of “Inflation”面板中，设置Geometry为建好的模型整体，Boundary为模型的1个旋转外表面（有几个选择外表面就选几个），inflation option 选择为Total Thichness,并设置Maximum Thickness为5mm,一般选择壁厚。右击Mesh,单击Generate Mesh,生成图3-6所示的网格。
图3-6 划分好网格后的模型
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3.3.3 定义边界
右击Outline中的Model,在展开的菜单中选择Insert,并在下级菜单中选择Named Selection。在Details of “inflation”面板中设置Geometry为+Y方向的管道进口断面，单击Apply按钮，然后单击Outline,给其重命名为“inlet”。同样的可以定义出口为“outline”。
3.3.4 网格导出
3.3.5 网格划分的概述
划分网格是仿真实验的最重要的一部，网格划分的好坏，会影响仿真计算的精度，对收敛性影响影响也很大，如果网格质量不好可能会使实验得不到有效的收敛解。前面第一章已提到，在流体力学控制方程的微分和积分项中包括时间或者空间变量，这些变量分别对应着相应的求解域和这些求解域上的解。要把积分和微分项用离散的代数形式代替就要进行控制方程的离散化。而网格划分就是这一过程的前提。
网格一般采用贴体网格。它主要有以下几种类型：O型网格、H型网格、C型网格、，对于较复杂的求解域还采用多项网格、重叠网格等。这些类型的网格都可以称作结构网格。此外，还有一大类网格称作非结构网格。这类网格更适用于处理形状复杂的求解域。
3.4 Fluent中模型的瞬态模拟
3.4.1输入与检查网格
启动Fluent15.0的3D解算器，导入网格模型，如图3-7。
图3-7 网格模型
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其中可以检查模型的尺寸，检查最小体积和最小面积是否为负数。单击General操作面板Mesh中的Check,检查网格，待文本窗口中出现Done,表示模型网格合适。
3.4.2选择求解器
在准备好网格之后就需要确定采用什么样的求解器及采用什么样的工作模式。Fluent提供了分离式和耦合式的两种求解器，其中耦合求解器形式还分为耦合隐式求解器和耦合显式求解器。
⑴ 分离求解器是顺序地、逐一地求解各方程。也就是先在全部网格上解出一个方程后，再解另外一个方程。由于控制方程是非线性的，且相互之间是耦合的，因此，在得到收敛解之前，要经过多轮迭代。
⑵ 耦合式求解器是同时求解连续方程、动量方程、能量方程及组分输运方程的耦合方程组，然后，再逐一求解湍流等标量方程。由于控制方程是非线性的，且相互之间是耦合的，因此，在得到收敛解之前，也要经过多轮迭代。
非耦合求解方法主要用于不可压缩或低马赫数压缩性流体的流动。耦合求解器的方法则可用在高速可压缩流动。Fluent默认的是非耦合求解器，但对于高速可压缩流动，或需要考虑体积力（浮力或离心力）的流动，求解问题时网格比较密，常采用耦合隐式求解方法解能量和动量方程，可较快的得到收敛解。但是这需要的内存比较大。
这里需要调用湍流模型，打开Viscous-Laminar(默认设置为层流模型），选择K- Epsilon Model中的Standard(标准模型），保持Model Constants中参数不变，单击OK。
3.4.3.定义材料
在Fluent中，流体和固体的物理属性都用材料这个名称来一并表示，Fluent要
求为每个参与计算的区域定义一种材料。Fluent在其材料库中已提供了如air 和water等一些常用材料，用户可以从中复制过来直接使用，或修改后使用。当然，用户还可创建新的材料。一旦这些材料被定义好之后，便可将材料分配给相应的边界区域。Fluent中默认的流体材料为空气，固体材料为铝，这里需要混凝土。我们只需定义第一相为水，第二相为固体颗粒材料。水我们直接复制系统自带的就可以了，颗粒材料需要自定义。因系统没自带颗粒材料，我们需要定义“New Materials”,如图3-8。
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图3-8 调用新材料
保持介质类型为Fluid(欧拉模型采用的固体颗粒也必须定义成流体介质），我们需要把Cp（Specific Heat)、Density、Thermal Conductivity、Viscosity四个参数定义到新材料中来。如图3-9.
图3-9 定义新材料
；
采用同样的方法我们可以定义颗粒物的密度、导热系数和粘度三个参数。
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3.4.4.定义边界条件
单击Boundary Conditions,界面已存在划分网格是定义的inlet和outline。一般边界条件需要定义进口速度，出口速度，和壁面三个边界。有时需要定义进口压力和出口压力。这些数据需要经过实验测得，我测得进口速度为33m/s。
3.4.5 设置求解控制参数
算法设置中进行初始化，从而保持默认设置。及对Solution Methods单击Default。同时对松弛因子也保持默认设置。收敛精度我一般设置成如图3-10。
图3-10 设置收敛精度
收敛精度与很多因素有关，比如网格问题，网格太疏或者质量太差都会使残差波动。流场本身边界复杂，流动也比较复杂，对收敛精度的设置也影响较大。计算瞬态问题时，若时间步长小，用双精度求解器可以获得更好的收敛性。
3.4.6 迭代计算
点击Run Calculation,设置时间步长、时间步数和最大迭代次数。如图3-11。
图3-11 设置计算参数
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3.4.7 结果后处理
图3-11 压力云图
图3-12 曲线收敛图
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图3-13 流场速度矢量图
3.5 做直径不同的模型进行仿真对比以更好分析
用同样的方法，建模一个直径是上面圆管2倍，高也是两倍的模型，进行同样的参数设置，得到的结果后处理如下图，以更好的分析结果。
图3-14 压力云图
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图3-15 曲线收敛图
图3-15速度矢量图
由速度矢量图可以知道，模拟了一个管道，有材料的入口和出口，从图上可以看出入口在下面，出口在上面。因为出口和入口的直径我都设置了只有8mm，所以入口速度比出口速度快，这点管道越长越为明显。
由曲线收敛图可以看出，尽管管道装的混凝土是比较复杂的固液混合成分，但在比较简单且合适的模型中仿真时依然能够收敛，这说明计算过程并不存在问题，说明我选取的计算精度还算合理，网格的画分的疏密程度也可以。 由压力云图得知从入口到出口，材料对管道的压力逐渐增加。
综合考虑管道内部压力场与速度场的分析得知，随着直径的增加管道内部压力场减小，有利于减小管道壁的受压，而管道内部速度场同样也减小，不利于液体流动，但当管道直径增加是液体对管道的压力影响将降低。
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第4章 进行实验来与Fluent仿真相对照
4.1 实验设备与材料
真空泵、皮管、水桶、胶带、玻璃管、密封胶、木片、塑料容器、沙子（小于4.75毫米）、水泥（325#）、少许玻璃纤维。
图4-1 玻璃纤维
图4-2 真空泵
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4.2 实验基本原理和进行实验
先行备好实验设备，把塑胶容器上下底盖用密封胶密封，保证容器不漏水。把玻
璃管插入皮管中，玻璃管外圆直径一定要比皮管的内直径大，这样玻璃管插入皮管时能保证被皮管卡住，从而保证密封性。在玻璃管上挠上适当的胶带插入塑胶容器的盖子上的孔中。这上述几个步骤中都要保证密封性，所以玻璃管挠上胶带后要慢慢旋入盖子中开的8毫米的孔中，所选的的这些管子大小一定要合适。然后，在水桶中加入清水，把水泥、沙子、少许分开好的玻璃纤维加入水桶中，戴上皮手套进行搅拌，等搅拌均匀后把已经插好在塑料容器中的皮管放入水桶里，然后开启真空泵，对容器进行抽真空，这样桶中的混凝土就会源源不断的被抽入塑料容器中。
图4-3 搅拌好玻璃纤维混凝土
图4-4 抽真空前
图4-5 正在抽真空
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4.3 测得的实验数据与仿真分析的数据相比较
测进口压力
将下端流入进口接到u水银管上，然后在上端用真空泵抽真空，此时u型水银管的一侧水银不断上升，待水银位置稳定读取其数值为0.62*105Pa。
测出口压力
将模型上端的管子直接接到u型水银管处，然后用真空泵抽取，待水银不在上升是读取其数值，得到出口压力0.44*105Pa。 测时间
实验所需时间为60s,仿真所需时间为40s。
4.4 对实验结果与仿真结果进行探讨
由于实验设备和时间有限，仿真中玻璃纤维、沙子、混凝土和水的配量不能定义，
所以实验时只能重复试样找到自己认为比较合理且易抽真空的状态，再加上抽真空时可能漏气，所以实验测得地压力，速度与仿真的结果有差异。但容器的大小与仿真时的模型一致，上下盖开的孔也是一样。实验中用U型测得地进、出口压力为0.62*105Pa、0.44*105Pa。仿真时进出口压力别是0.55*105Pa、0.41*105Pa。材料充满容器所需时间为60s,仿真所用时间为40s。这说明实验设备有漏气的可能，或者材料粘度过大。若能准确测得进出口压力和充填时间，这有可能用参数反求法得知玻璃纤维增强混凝土的粘度系数，惯性系数等。
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第5章 结论
这个毕业设计是为了了解高浓度浆体的流动特性，需要用到流体动力学的理论和充填浆体的特点，还需要对充填浆体在不离析的情况下做流体质点、均匀性和连续性的假设，建立充填管道输送的数学模型。可以深入分析得到的结果作为管道系统的设计依据，因此对管道输送高浓度物质时的设计具有实用价值。
将近一个学期的毕业设计，应用著名的国际商用软件进行了高浓度管道的研究、设计、参数优化和数值仿真。虽然受计算机条件的限制、实验设备的简陋及自身能力有限等影响并没有仿真出很好的效果，但是从中获益非浅，现总结如下：
1、按照要求在Workbench软件中建立了三维圆管计算模型，并根据管道的流场特点，在模型的网格生成方面，采用了结构化网格和非结构化的网格结合的方法，靠近进出口的地方网格划分的尽可能密一些，而在远离进出口的壁面地方网格可以疏一些。这样可以提高计算结果的准确性。
2、将所建立的管道模型输入现在流行的商用专业CFD软件——Fluent中，采用标准的K-e两相流方程湍流模型进行流体动力学数值模拟计算，通过管道的外表面速度和压力分布云图，分析外表面流场特性。
3、对比了直径不同模型的内流场特性,直径大的对壁面的压力小。
4、模型网格划分和模型简化对计算结果有较大的影响，须进一步深入研究，以使仿真计算结果更准确地反映实际流动规律，为管道设计提供定量化参数，另外三维模型设计的比较简单结果与实际并不是很吻合，但是限于本人计算机能力和实验设备，我并没有很好的完成此项工作，这也是今后努力的方向。
综上所述，本文对管道流场的湍流现象有了一定的理性研究，熟练掌握了CFD软件的模拟仿真方法，通过对比实验数据与仿真数据，对管道流场的影响因素有了一定的了解，为今后指导设计获得更好的仿真效果提供了依据。鉴于本人学识和时间以及计算机条件的限制，本文的工作尚有许多不完善之处，敬请各位老师批评指正。
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致谢
论文是在导师陶有瑞教授的悉心指导下完成的，本文从选题到完稿无不浸透着导师的心血。在这次大型的毕业设计中，陶老师严谨的治学态度、耐心的讲解使我获益非浅。陶老师在繁忙的科研工作的同时，利用空闲时间给我学习软件上的指导和模型的选择，及对问题的反向思维的引导对我今后读研有莫大的帮助，与陶老师和其几个研究生相处的几个月，让我感受到他们对科研的认真与严谨态度。特别是亲自参与过陶老师最近研究出的新材料制作成滚轮，让我感受到科研就在自己身边。本次论文设计不仅丰富了我的知识范畴，最重要的是培养了我严谨务实，勤恳认真的科研态度，这将使我受益一生，再一次衷心表达对陶老师深深的敬意。
感谢与我同样用Fluent仿真的董兆宇同学与我在设计过程中的相互帮助。 感谢曹亮老师在本次论文编写过程中给以的意见。 感谢材料教研室给我们提供的试验设备。
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