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湍流,紊流,层流计算例子

湍流,紊流,层流计算例子
湍流,紊流,层流计算例子

一个例题:

流体流速为3.02m/s ,管径为50mm ,计算层流内层,缓冲层,湍流层厚度。(ρ=997.7kg/m 3,μ=90.285*10(-5)Pa.s )。

1. 计算Re 数

μ

ρb du =Re =0.05*3.02*997/90.285*10-5=1.67*105〉4000, 可判断管内为湍流。

2. 计算f 范宁系数(f 的计算有许多经验公式,以下是工程上常用的,其他的可参考有关书籍)

f=0.046*Re (-1/5)=0.00415

3. 计算u *

u *=b u *2f =3.02*2

00145.0=0.138m/s 4.计算y (各个层厚度)

*u /γ?=+y y (γ=μ/ρ=9.056*10-7m 2

/s ) a. 当y +=5时,y 为层流内层厚度,即

y=5*9.056*10-7/0.138=3.28*10-5m

b. 当y +=5和30时,为缓冲层厚度, 即5

30==++-y y y y =1.64*10-4m c. 湍流层厚度为,

30=+-y i y r =25-0.0328-0.164=24.8mm

计算结束。

第四章 层流流动与湍流流动

第四章层流流动及湍流流动 由于实际流体有粘性,在流动时呈现两种不同的流动形态:层流流动及湍流流动,并在流动过程中产生阻力。 对可压缩流体,阻力使流体受压缩。 对不可压缩流体,阻力使流体的一部分机械能转化为热能散失,这个转变过程不可逆。散失的热量称为能量损失。 单位质量(或单位体积)流体的能量损失,称为水头损失(或压力损失),并以h w(或Δp)表示。 本章首先讨论流体的流动状态,再对粘性流体在两种流动状态下的能量损失进行分析。 第一节流动状态及阻力分类 一、流体的流动状态 1.雷诺试验:1882年雷诺作了如教材45页图4-1所示的流体流动形态试验。 试验装置:在圆管的中心用细玻璃管向圆管的水流中引入红色液体的细流。 试验情况: (1)当水的流速较小时(图4-1a),红色液体细流不与周围水混和,自己保持直线形状与水一起向前流动。 (2)如把水的流速逐渐增大,至一定程度时,红色细流便开始上下振荡,呈波浪形弯曲(如图4-1b)。 (3)当再把水流速度增大,红色细流的振荡加剧,至水的流速增大至某一速度后,圆管中红色细流消失,红色液体混入整个圆管的水中(如图4-1c)。 试验的三种不同状况说明: (1)对(图4-1a)所示,表明水的质点只有向前流动的位移,没有垂直水流方向的移动,即各层水的质点不相互混和,都是平行地移动的,这种流动称为层流; (2)对(图4-1b)所示,说明流动的水质点已开始有垂直水流方向的位移,离开圆管轴线较远的部位水的质点仍保持平行流动的状态; (3)对(图4-1c)所示,说明流动中水的质点运动已变得杂乱无章,各层水相互干扰,这种流动形态称为紊流或湍流。

2.雷诺数: 流体之所以出现不同的流动形态,主要由流体质点流动时其本身所具有的惯性力和所受的粘性力的数值比例决定。 惯性力相对较大时,流体趋向于作紊流式的流动; 粘性力则起限制流体质点作纵向脉动的作用,遏止紊流的出现。 雷诺根据此原理提出了一个判定流体流动状态的无量纲参数——雷诺数(Re): 对在圆管中流动的流体而言,雷诺数的表现形式为 v:圆管内流体的平均流速(m/s);ε:动力粘度(Pa·s)。 D:圆管直径(m);ν:运动粘度(m2/s)。 实验确定,流体开始由层流形态向紊流转变时,称为下临界雷诺数, Re=2100~2320;当Re>10000~13800时流体的流动形态为稳定的紊流,称上临界雷诺数;当Re=(2100~2320)~(10000~13800),流动形态为过渡状态,可以是紊流或层流。临界雷诺数随体系的不同而变化,即使同一体系,它也会随其外部因素(如圆管内表面粗糙度和流体中的起始扰动程度等)的不同而改变,所以临界雷诺数为一个范围数。 对于非圆管中的流体流动,雷诺数的表现形式为 R:水力半径(m);A:流体的有效截面积(m2); x:截面上与流体接触的固体周长(湿周)(m)。 (但水力半径R不是圆截面的几何半径r,如充满流体圆管的水力半径为: ) 这里,取下临界雷诺数为500。对工程中常见的明渠水流,下临界雷诺数常取300。 当流体绕过固体(如绕过球体)流动时,出现层状绕流(物体后无旋涡)和紊状绕流(物体后形成旋涡)的现象,此时雷诺数用下式计算:

fluent湍流设置

湍流边界条件设置 在流场的入口、出口和远场边界上,用户需要定义流场的湍流参数。在FLUENT 中可以使用的湍流模型有很多种。在使用各种湍流模型时,哪些变量需要设定,哪些不需要设定以及如何给定这些变量的具体数值,都是经常困扰用户的问题。本小节只讨论在边界上设置均匀湍流参数的方法,湍流参数在边界上不是均匀分布的情况可以用型函数和UDF(用户自定义函数)来定义,具体方法请参见相关章节的叙述。 在 大多数情况下,湍流是在入口后面一段距离经过转捩形成的,因此在边界上设置均匀湍流条件是一种可以接受的选择。特别是在不知道湍流参量的分布规律时,在边 界上采用均匀湍流条件可以简化模型的设置。在设置边界条件时,首先应该定性地对流动进行分析,以便边界条件的设置不违背物理规律。违背物理规律的参数设置 往往导致错误的计算结果,甚至使计算发散而无法进行下去。 在Turbulence Specification Method (湍流定义方法)下拉列表中,可以简单地用一个常数来定义湍流参数,即通过给定湍流强度、湍流粘度比、水力直径或湍流特征长在边界上的值来定义流场边界上的湍流。下面具体讨论这些湍流参数的含义,以保证在设置模型时不出现违背流动规律的错误设置: (1)湍流强度(Turbulence Intensity) 湍流强度I的定义为:I=Sqrt(u’*u’+v’*v’+w’*w’)/u_avg (8-1) 上式中u',v' 和w' 是速度脉动量,u_avg是平均速度。 湍流强度小于1%时,可以认为湍流强度是比较低的,而在湍流强度大于10%时,则可以认为湍流强度是比较高的。在来流为层流时,湍流强度可以用绕流物体的几何特征粗略地估算出来。比如在模拟风洞试验的计算中,自由流的湍流强度可以用风洞的特征长度估计出来。

紊流参数的确定

决定湍流参数 在入口、出口或远场边界流入流域的流动,FLUENT需要指定输运标量的值。本节描述了对于特定模型需要哪些量,并且该如何指定它们。也为确定流入边界值最为合适的方法提供了指导方针。 使用轮廓指定湍流参量 在入口处要准确的描述边界层和完全发展的湍流流动,你应该通过实验数据和经验公式创建边界轮廓文件来完美的设定湍流量。如果你有轮廓的分析描述而不是数据点,你也可以用这个分析描述来创建边界轮廓文件,或者创建用户自定义函数来提供入口边界的信息。一旦你创建了轮廓函数,你就可以使用如下的方法: ●Spalart-Allmaras模型:在湍流指定方法下拉菜单中指定湍流粘性比,并在在湍流粘性 比之后的下拉菜单中选择适当的轮廓名。通过将m_t/m和密度与分子粘性的适当结合,FLUENT为修改后的湍流粘性计算边界值。 ●k-e模型:在湍流指定方法下拉菜单中选择K和Epsilon并在湍动能(Turb. Kinetic Energy)和湍流扩散速度(Turb. Dissipation Rate)之后的下拉菜单中选择适当的轮廓名。 ●雷诺应力模型:在湍流指定方法下拉菜单中选择K和Epsilon并在湍动能(Turb. Kinetic Energy)和湍流扩散速度(Turb. Dissipation Rate)之后的下拉菜单中选择适当的轮廓名。 在湍流指定方法下拉菜单中选择雷诺应力部分,并在每一个单独的雷诺应力部分之后的下拉菜单中选择适当的轮廓名。 湍流量的统一说明 在某些情况下流动流入开始时,将边界处的所有湍流量指定为统一值是适当的。比如说,在进入管道的流体,远场边界,甚至完全发展的管流中,湍流量的精确轮廓是未知的。 在大多数湍流流动中,湍流的更高层次产生于边界层而不是流动边界进入流域的地方,因此这就导致了计算结果对流入边界值相对来说不敏感。然而必须注意的是要保证边界值不是非物理边界。非物理边界会导致你的解不准确或者不收敛。对于外部流来说这一特点尤其突出,如果自由流的有效粘性系数具有非物理性的大值,边界层就会找不到了。 你可以在使用轮廓指定湍流量一节中描述的湍流指定方法,来输入同一数值取代轮廓。你也可以选择用更为方便的量来指定湍流量,如湍流强度,湍流粘性比,水力直径以及湍流特征尺度,下面将会对这些内容作一详细叙述。 湍流强度I定义为相对于平均速度u_avg的脉动速度u^'的均方根。 小于或等于1%的湍流强度通常被认为低强度湍流,大于10%被认为是高强度湍流。从外界,测量数据的入口边界,你可以很好的估计湍流强度。例如:如果你模拟风洞试验,自由流的湍流强度通常可以从风洞指标中得到。在现代低湍流风洞中自由流湍流强度通常低到0.05%。. 对于内部流动,入口的湍流强度完全依赖于上游流动的历史,如果上游流动没有完全发展或者没有被扰动,你就可以使用低湍流强度。如果流动完全发展,湍流强度可能就达到了百分之几。完全发展的管流的核心的湍流强度可以用下面的经验公式计算:

windfarmer中湍流定义

WindFarmer中湍流定义 1. 关于风速的估计设计等效湍流(通道10):使用Frandsen方法估计设计等效湍流,并使用Wohler系数进行加权调整。(Wohler系数是和组件的材料和尺寸相关的,可以从S-N的对数-对数曲线的斜率-循环应力S对疲劳循环次数N的幅度中得到,4一般是简单的钢组件,10-15之间是简单的复合材料组件)。为了描述疲劳寿命的变化,而不只是描述湍流带来的载荷影响,所以输出量使用Wohler 系数进行加权调整。该通道10计算的特征或代表湍流强度值可以用于比较允许设计水平。 (摘自《风场湍流强度的计算及其对风电机组选型的影响》作者王承凯) 2. 关于风速和风向的未计算且未加权的平均湍流(通道11):使用Frandsen方法估计的设计等效湍流。考虑平均湍流强度,排除任何Wohler权值或者因数值。 3. 风机入射湍流(通道7):入射湍流强度,包含其他风机的尾流影响。 4. 风机环境湍流(通道8):不计尾流的湍流强度。 5. 实际工程计算得到的风机入射湍流与环境湍流值一样。 5. 对风机载荷更具体的分析,需要使用粘性涡流模型来获得在风电场中实际的

湍流强度,以及特定的风机设计参数,需要使用Bladed软件来建模风机载荷。 6. WindFarmer中附加湍流的计算公式(摘自windfarmer理论手册) Iadd = 5.7Ct0.7Iamb0.68(x/x n)-0.96 Ct:thrust coefficient x: the distance downstream x n:the calculated length of the near wake(using the method proposed in [3.9, 3.10])风速标准偏差的标准偏差值可以有MCP+模块计算,并在WTI文件当中输出

雷诺试验 层流和湍流

§1.4.2流动类型与雷诺准数 现在开始介绍流体流动的内部结构。流动的内部结构是流体流动规律的一个重要方面。因为化工生产中的许多过程都和流动的内部结构密切联系。例如实际流体流动时的阻力就与流动结构紧密相关。其它许多过程,如流体的热量传递和质量传递也都如此。流动的内部结构是个极为复杂的问题,涉及面广。以下紧接着的内容只作简单的介绍,因而在许多方面只能限于定性的阐述。 1、流动类型——层流和湍流 1883年著名的雷诺实验揭示出流动的两种截然不同的型态。 雷诺实验装置如图所示: 在水箱内装有溢流装置,以维持水位稳定,水 箱的底部安装一个带喇叭型进口的直径相同的 玻璃管,管出口处装有一个阀门用来调节流量, 水箱上方安装有内有颜料的小瓶,有色液体可 经过细管子注入玻璃管内。在水流经过玻璃管 的过程中,同时把有色液体送到玻璃管以后的 管中心位置上。 雷诺实验观察到: ⑴、水流速度不大时,有色细流成一直线,与水不混合。此现象表明:玻璃管内的水的质点是沿着与管轴平行的方向作直线运动。即流体分层流动,层次分明,彼此互不混杂,掺和(唯其如此,才能使有色液体保持直线)这种流型叫层流或滞流。 ⑵、水流速度增大到某临界值时,有色细流开始抖动,弯曲,继而断裂,细流消失,与水完全混合在一起,整根玻璃管呈均匀颜色,此现象表明,玻璃管内的水的质点除了沿着管道向前运动外,各质点还作不规则的,杂乱的运动,且彼此间相互碰撞,相互混合,质点速度的大小和方向随时发生变化,这种流型叫湍流或紊流。 2、流型的判据—雷诺准数 对管流而言,影响流型的因素有,流道的几何尺寸(管径d)流动的平均速度u 和流体的物理性质(密度ρ和粘度μ)。 雷诺发现,可以将这些影响因素综合成一个无因次数群duρ/μ,作为流型的判据。此数群称为雷诺(Reynolds)数,以R e表示,即:

定义湍流参数

FLUENT6.1全攻略 6 定压强跳跃、流动方向、环境总压和总温。 (9)出口通风条件:在出口处给定损失系数、流动方向、环境总压和总温。 (10)排气风扇条件:在假设出口处存在排气风扇的情况下,给定出口处的压强跳跃和静压。 8.2.2 定义湍流参数 在流场的入口、出口和远场边界上,用户需要定义流场的湍流参数。在FLUENT 中可以使用的湍流模型有很多种。在使用各种湍流模型时,哪些变量需要设定,哪些不需要设定以及如何给定这些变量的具体数值,都是经常困扰用户的问题。本小节只讨论在边界上设置均匀湍流参数的方法,湍流参数在边界上不是均匀分布的情况可以用型函数和UDF (用户自定义函数)来定义,具体方法请参见相关章节的叙述。 在大多数情况下,湍流是在入口后面一段距离经过转捩形成的,因此在边界上设置均匀湍流条件是一种可以接受的选择。特别是在不知道湍流参量的分布规律时,在边界上采用均匀湍流条件可以简化模型的设置。在设置边界条件时,首先应该定性地对流动进行分析,以便边界条件的设置不违背物理规律。违背物理规律的参数设置往往导致错误的计算结果,甚至使计算发散而无法进行下去。 在Turbulence Specification Method (湍流定义方法)下拉列表中,可以简单地用一个常数来定义湍流参数,即通过给定湍流强度、湍流粘度比、水力直径或湍流特征长在边界上的值来定义流场边界上的湍流。下面具体讨论这些湍流参数的含义,以保证在设置模型时不出现违背流动规律的错误设置: (1)湍流强度(Turbulence Intensity ) 湍流强度I 的定义如下: avg u w v u I 2 22'''++= (8-1) 上式中'u 、'v 和'w 是速度脉动量,avg u 是平均速度。 湍流强度小于1%时,可以认为湍流强度是比较低的,而在湍流强度大于10%时,则可以认为湍流强度是比较高的。在来流为层流时,湍流强度可以用绕流物体的几何特征粗略地估算出来。比如在模拟风洞试验的计算中,自由流的湍流强度可以用风洞的特征长度估计出来。在现代的低湍流度风洞中,自由流的湍流强度通常低于0.05%。 内流问题进口处的湍流强度取决于上游流动状态。如果上游是没有充分发展的未受扰流动,则进口处可以使用低湍流强度。如果上游是充分发展的湍流,则进口处湍流强度可以达到几个百分点。如果管道中的流动是充分发展的湍流,则湍流强度可以用公式(8-2)计算得到,这个公式是从管流经验公式得到的:

湍流与层流_湍流研究概述

第一篇 大气的组成与物理特性 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 大气的气体成份 大气中的粒子群 大气的运动、能量与构造 大气的光学特性 大气的电学特性
1

第二篇 大气湍流
粘性流体的两种形态: 层流和湍流。 层流是流体运动中较简单的状态, 普遍的却是湍流。
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湍流研究的意义
湍流的研究与国防建设和国民经济中 的航空、船运、环境保护、气象、化工、 冶金、水利、医学等学科密切相关,如果 能掌握它的运动规律,对它进行合理的应 用和有效的控制,那么对基础研究与实际 应用将有重大的意义。
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湍流研究的成果
人们对湍流结构、湍流边界层、湍流 剪切流、湍流的传热传质、湍流扩散、湍 流统计模型、大气湍流、晴空湍流、等离 子湍流、湍流测量等问题进行了广泛的研 究,并取得了丰硕的成果。
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本节的内容
湍流的一般定义和描述; 湍流与层流的区别; 湍流理论发展的历史; 湍流理论简介; 湍流的特点; 大气湍流的复杂性; 湍流研究技术的发展。
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湍流的一般定义和描述
1. 湍流是随机的(Reynolds,Taylor,Von Karman ,Hinze等),又具有拟序结 构。 2. 流体的湍流运动是由各种大小和涡量 不同的涡旋叠加而成的,其中最大涡 尺度与流动环境密切相关,最小涡尺 度则由粘性确定;流体在运动过程中, 涡旋不断破碎、合并,流体质点轨迹 不断变化。
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湍流边界条件参数的设置

2011-8-30蓝色流体|流体专业论坛专注流体 - Pow… 标题: [fluent相关]湍流边界条件参数的设置 作者: ifluid 时间: 2009-4-14 15:02 标题: 湍流边界条件参数的设置 在流场的入口、出口和远场边界上,用户需要定义流场的湍流参数。在FLUENT 中可以使用的湍流模型 有很多种。在使用各种湍流模型时,哪些变量需要设定,哪些不需要设定以及如何给定这些变量的具 体数值,都是经常困扰用户的问题。本小节只讨论在边界上设置均匀湍流参数的方法,湍流参数在边 界上不是均匀分布的情况可以用型函数和UDF(用户自定义函数)来定义,具体方法请参见相关章节的 叙述。 在大多数情况下,湍流是在入口后面一段距离经过转捩形成的,因此在边界上设置均匀湍流条件是一种可以接受的选择。特别是在不知道湍流参量的分布规律时,在边界上采用均匀湍流条件可以简 化模型的设置。在设置边界条件时,首先应该定性地对流动进行分析,以便边界条件的设置不违背物 理规律。违背物理规律的参数设置往往导致错误的计算结果,甚至使计算发散而无法进行下去。在 Turbulence Specification Method (湍流定义方法)下拉列表中,可以简单地用一个常数来定义湍 流参数,即通过给定湍流强度、湍流粘度比、水力直径或湍流特征长在边界上的值来定义流场边界上 的湍流。下面具体讨论这些湍流参数的含义,以保证在设置模型时不出现违背流动规律的错误设置: (1)湍流强度(Turbulence Intensity) 湍流强度I的定义为: I=Sqrt(u’*u’+v’*v’+w’*w’)/u_avg 上式中u',v' 和w' 是速度脉动量,u_av g是平均速度。 湍流强度小于1%时,可以认为湍流强度是比较低的,而在湍流强度大于10%时,则可以认为湍流强 度是比较高的。在来流为层流时,湍流强度可以用绕流物体的几何特征粗略地估算出来。比如在模拟 风洞试验的计算中,自由流的湍流强度可以用风洞的特征长度估计出来。在现代的低湍流度风洞中, 自由流的湍流强度通常低于0.05%。 内流问题进口处的湍流强度取决于上游流动状态。如果上游是没有充分发展的未受扰流动,则进口处可以使用低湍流强度。如果上游是充分发展的湍流,则进口处湍流强度可以达到几个百分点。如 果管道中的流动是充分发展的湍流,则湍流强度可以用公式(8-2)计算得到,这个公式是从管流经验公 式得到的: I=u’/u_avg=0.16*Re_DH^-0.125 其中Re_DH是Hy draulic Diameter(水力直径)的意思,即式(8-2)中的雷诺数是以水力直径为特 征长度求出的。 (2)湍流的长度尺度与水力直径 湍流能量主要集中在大涡结构中,而湍流长度尺度l则是与大涡结构相关的物理量。在充分发展的管流中,因为漩涡尺度不可能大于管道直径,所以l 是受到管道尺寸制约的几何量。湍流长度尺度l 与管道物理尺寸L关系可以表示为: l = 0.07L 式中的比例因子0.07是充分发展管流中混合长的最大值,而L则是管道直径。在管道截面不是圆形 时,L可以取为管道的水力直径。

层流和紊流

层流和紊流 cengliu he wenliu 层流和紊流 laminar flow and turbulent flow 实际液体由于存在粘滞性而具有的两种流动形态。液体质点作有条不紊的运动,彼此不相混掺的形态称为层流。液体质点作不规则运动、互相混掺、轨迹曲折混乱的形态叫做紊流。它们传递动量、热量和质量的方式不同:层流通过分子间相互作用,紊流主要通过质点间的混掺。紊流的传递速率远大于层流。水利工程所涉及的流动,一般为紊流。 雷诺数表征液流惯性力与粘滞力相对大小,可用以判别流动形态的无因次数,记作。雷诺数的定义式为: [19-01]式中、、分别为液体的密度动力粘滞系数、运动粘滞系数;、为流动的特征速度和特征长度。雷诺数小时,粘性效应在整个流场中起主要作用,流动为层流。雷诺数大时,紊动混掺起决定作用,流动为紊流。对于同样的液流装置,由层流转换为紊流时的雷诺数恒大于紊流向层流转换的雷诺数。前者称上临界雷诺数,其值随试验条件而变,很不稳定;后者称下临界雷诺数,其值比较稳定,对于一般条件下的管流(圆管直径为特征长度,断面平均流速为特征速度),约为2300。 层流只存在粘滞切应力。在简单的剪切流中,粘滞切应力: [19-02]式中[19-03]为剪切变形速度,亦即速度沿垂直方向的变化率;为动力粘滞系数,只和液体种类及温度有关的常数。此式表达了著名的牛顿内摩擦定律。层流中摩擦阻力及沿程水头损失均与流速的一次方成正比,流速分布呈抛物线型。圆管层流流速分布如图1[ 层流和紊流流速分布比较] 所示。 紊流又称湍流。液体运动呈随机性,即速度、压强等均随时间、空间作不规则的脉动,是紊流的基本特征(图2[紊流流

FLUENT中湍流参数的定义

FLUENT 中湍流参数的定义 2011-07-28 10:46:03| 分类:默认分类|举报|字号订阅 流场的入口、出口和远场边界上,用户需要定义流场的湍流参数。在FLUENT 中可以使用的湍流模型有很多种。在使用各种湍流模型时,哪些变量需要设定,哪些不需要设定以及如何给定这些变量的具体数值,都是经常困扰用户的问题。本小节只讨论在边界上设置均匀湍流参数的方法,湍流参数在边界上不是均匀分布的情况可以用型函数和UDF(用户自定义函数)来定义,具体方法请参见相关章节的叙述。 在大多数情况下,湍流是在入口后面一段距离经过转捩形成的,因此在边界上设置均匀湍流条件是一种可以接受的选择。特别是在不知道湍流参量的分布规律时,在边界上采用均匀湍流条件可以简化模型的设置。在设置边界条件时,首先应该定性地对流动进行分析,以便边界条件的设置不违背物理规律。违背物理规律的参数设置往往导致错误的计算结果,甚至使计算发散而无法进行下去。 在Turbulence Specification Method (湍流定义方法)下拉列表中,可以简单地用一个常数来定义湍流参数,即通过给定湍流强度、湍流粘度比、水力直径或湍流特征长在边界上的值来定义流场边界上的湍流。下面具体讨论这些湍流参数的含义,以保证在设置模型时不出现违背流动规律的错误设置: (1)湍流强度(Turbulence Intensity)

湍流强度I的定义为: I=Sqrt(u’*u’+v’*v’+w’*w’)/u_avg (8-1) 上式中u',v' 和w' 是速度脉动量,u_avg是平均速度。 湍流强度小于1%时,可以认为湍流强度是比较低的,而在湍流强度大于10%时,则可以认为湍流强度是比较高的。在来流为层流时,湍流强度可以用绕流物体的几何特征粗略地估算出来。比如在模拟风洞试验的计算中,自由流的湍流强度可以用风洞的特征长度估计出来。在现代的低湍流度风洞中,自由流的湍流强度通常低于0.05%。 内流问题进口处的湍流强度取决于上游流动状态。如果上游是没有充分发展的未受扰流动,则进口处可以使用低湍流强度。如果上游是充分发展的湍流,则进口处湍流强度可以达到几个百分点。如果管道中的流动是充分发展的湍流,则湍流强度可以用公式(8-2)计算得到,这个公式是从管流经验公式得到的: I=u’/u_avg=0.16*Re_DH^-0.125 (8-2) 其中Re_DH是Hydraulic Diameter(水力直径)的意思,即式(8-2)中的雷诺数是以水力直径为特征长度求出的。 (2)湍流的长度尺度与水力直径 湍流能量主要集中在大涡结构中,而湍流长度尺度l则是与大涡结构相关的物理量。在充分发展的管流中,因为漩涡尺度不可能大于管道直径,所以l 是受到管道尺寸制约的几何量。湍流长度尺度l 与管道物理尺寸L 关系可以表示为: l = 0.07L (8-3)

层流与紊流

紊流是流体力学中的一个术语,是指流体从一种稳定状态向另一种稳定状态变化过程中的一种无序状态。具体是指流体流动时各质点间的惯性力占主要地位,流体各质点不规则地流动。 紊流一般相对“层流”而言。一般用雷诺数判定。雷诺数小,意味着流体流动时各质点间的粘性力占主要地位,流体各质点平行于管路内壁有规则地流动,呈层流流动状态。雷诺数大,意味着惯性力占主要地位,流体呈紊流流动状态,一般管道雷诺数Re<2000为层流状态,Re>4000为紊流状态,Re=2000~4000为过渡状态。在不同的流动状态下,流体的运动规律.流速的分布等都是不同的,因而管道内流体的平均流速与最大流速的比值也是不同的。因此雷诺数的大小决定了粘性流体的流动特性。 流体在管内流动时,其质点沿着与管轴平行的方向作平滑直线运动。此种流动称为层流或滞流,亦有称为直线流动的。流体的流速在管中心处最大,其近壁处最小。管内流体的平均流速与最大流速之比等于0.5,根据雷诺实验,当雷诺准数Re<2100时,流体的流动状态为层流。 粘性流体的层状运动。在这种流动中,流体微团的轨迹没有明显的不规则脉动。相邻流体层间只有分子热运动造成的动量交换。常见的层流有毛细管或多孔介质中的流动、轴承润滑膜中的流动、绕流物体表面边界层中的流动等。层流只出现在雷诺数Re(Re=ρUL/μ)较小的情况中,即流体密度ρ、特征速度U和物体特征长度L都很小,或流体粘度μ很大的情况中。当Re超过某一临界雷诺数Recr时,层流因受扰动开始向不规则的湍流过渡,同时运动阻力急剧增大。临界雷诺数主要取决于流动形式。对于圆管,Recr≈2000,这里特征速度是圆管横截面上的平均速度,特征长度是圆管内径。层流远比湍流简单,其流动方程大多有精确解、近似解和数值解。层流一般比湍流的摩擦阻力小,因而在飞行器或船舶设计中,应尽量使边界层流动保持层流状态。 也就是说是层流还是紊流与不由速度决定,而由雷诺数决定 层流:沿程损失与流速的1次方成正比; 紊流光滑区:沿程损失与断面平均流速的1.75次方成正比; 紊流粗糙区;沿程损失与断面平均流速的2次方成正比。(

湍流的产生和解释

湍流的产生和解释 湍流是如何产生的有哪些模型可以预测和解释湍流现象 关于第一个问题,可以先从流体的流动讲起。假设有这样一根管道,我在一头加上一个水龙头,然后通过调节水龙头的大小来控制水的速度。一开始,水龙头开度比较小,这时候是层流(如下图)。 细致地调节细管中红水的流速,当它与主流管内水流速度相近时,可以看到清水中有稳定而清晰的红色水平流线,表明这时主流管中各水层互不干扰地流动。逐渐加大水龙头的开度,层流就慢慢的变成湍流了。这时流线不再清楚可辨,流场中有许多小漩涡,层流被破坏,相邻流层间不但有滑动,还有混合。这时的流体作不规则运动,有垂直于流管轴线方向的分速度产生(如下图)

所以我们现在可以说,层流与湍流的最大区别就是流速了(单单对于上例来说)。流速较小的时候,流动比较规则,分层现象比较明显。流速大了之后就开始乱了,各种漩涡,滑动。 现在来看看究竟怎么区别层流和湍流,或者说究竟与哪些因素有关。这里我们先引入雷诺数的概念。雷诺数(Reynolds number)一种可用来表征流体流动情况的无量纲数,以Re 表示,Re=ρvd/ η,其中v、ρ、η分别为流体的流速、密度与黏性系数,d 为一特征长度。黏性就是指当流体运动时,层与层之间有阻碍相对运动的内摩擦力。举个例子,假如有一群人手拉手的往前跑,大家开始跑得都很慢,突然有一个人不想跟他们一起玩这个脑残的游戏了,所以任性的加快了速度。如果手拉的不紧,他就很容易逃脱—这就是黏性比较小,相互之间摩擦力较小;如果手拉的越紧,他就越不容易逃脱—这就是黏性比较大,相互之间摩擦力较大。另一方面,要是不容易逃脱,他只要加快速度,终究是可以逃脱的。 这个例子或许不那么恰当,但是可以说明雷诺数的概念了。雷诺数其实是一个无量纲数,表示作用于流体微团的惯性力与粘性力之比。当雷诺数较小时,黏滞力对流场的影响大于惯性力,流场中流速的扰动会因黏滞力而衰减,流体流动稳定,为层流;反之,若雷诺数较大时,惯性力对流场的影响大于黏滞力,流体流动较不稳定,流速的微小变化容易发展、增强,形成紊乱、不规则的湍流流场。这里贴一张从层流发展为湍流的图(中间有一段过渡段,这也很容易理解,数值上的绝对反映到实际情况下,基本都有一段过渡段)。 再简单的概况一下,湍流就是当流体的惯性力影响大于黏滞力时,流动有 较规则分层明显的层流变为不规则的运动的情况。 对于第二个问题,有哪些模型可以预测和解释湍流现象 现在的模型大多都是近似的模型。如果硬要说说预测和解释的话,应该是连续方程和N-S方程,这两个方程基本上可以描述世界上所有的流动现象。但是由于各种原因(理论上,这个偏微分方程的求解是世界性的难题,计算流体力学方面,直接求解对计算机的

湍流边界条件的设置

1、湍流强度 定义:速度波动的均方根与平均速度的比值 小于1%为低湍流强度,高于10%为高湍流强度。 计算公式: I=0.16*(re)^(-1/8) 式中:I—湍流强度,re—雷诺数 2、湍流尺度及水力直径 湍流尺度(turbulence length):a physical quantity related to the size of the large eddies that contain the energy in turbulent flows。 通常计算方式: l=0.07L L为特征尺度,可认为是水力直径,因数0.07是基于充分发展的湍流管流中的混合长度的最大值。 湍流参数的选取: (1)充分发展的内部流动,选取湍流强度(intensity)和水力直径(hydraulic diameter) (2)导流叶片流动、穿孔板等流动,选取强度(intensity)和长度尺度(length scale)。 (3)四周为壁面引起湍流边界层的流动,选取强度(intensity)和长度尺度(length scale),使用边界层厚度,特征长度等于0.4倍边界层,输入此值到turbulence length scale中。 3、湍动能(Kinetic energy) 湍流模型中最常见的物理量(k)。利用湍流强度估算湍动能: k=3/2*(u*I)^2 其中:u—平均速度,I—湍流强度 4、湍流耗散率(turbulent disspipation rate)

湍流耗散率即传说中的ε。通常利用k和湍流尺度l估算ε计算公式为: cu通常取0.09,k为湍动能,l为湍流尺度 5、比耗散率ω 计算公式为: ω=k^0.5/(l*c^0.25) 式中:k为湍动能,l为湍流尺度,c为经验常数,常取0.09

第五章FLTRAN层流和湍流分析算例

第五章FLOTRAN层流和湍流分析算例 问题描述 该算例是一个二维的导流管分析,先分析一个雷诺数为400的层流情况,然后改变流场参数再重新分析,最后再扩大分析区域来计算其湍流情况。该算例所用单位制为国际单位制。分析区域图示如下: 分析方法及假定 用FLUID141单元来作二维分析,本算例作了如下三个分析: ·雷诺数为400的假想流的层流分析 ·降低流体粘性后(即增大雷诺数)的假想流的层流分析 ·雷诺数约为260000的空气流的湍流分析 分析时假定进口速度均匀,并且垂直于进口流场方向上的流体速度为零。在所有壁面上施加无滑移边界条件(即所有速度分量都为零);假定流体不可压缩,并且其性质为恒值,在这种情况下,压力就可只考虑相对值,因此在出口处施加的压力边界条件是相对压力为零。 第一次分析时,流场为层流,着可以通过雷诺数来判定,其公式如下: 第二次分析时,将流体粘性降低到原来的十分之一(雷诺数相应增大)后再在第一次分析的基础上重启动分析 对于内流来说,当雷诺数达到2000至3000时,流场即由层流过渡到湍流,故第三次分析(空气流,雷诺数约为260000)时,流场是湍流。对于湍流分析,上图所示的导流管的后端应加长,以使流场能得到充分发展。此时,应在该次求解之前改变ANSYS的工作名以防止程序在上一次分析结果的基础上作重启动分析。 几何尺寸及流体性质 进口段长度 4 m 进口段高度 1 m 过渡段长度 2 m 出口段高度 2.5 m 层流分析时出口段长度 6 m 湍流分析时出口段长度12 m 假设流体密度 1 Kg/m3 假设流体粘性第一次分析0.01Kg/m-s;第二次分析0.001 Kg/m-s

第四章层流和紊流及水流阻力和水头损失

第四章 层流和紊流及水流阻力和水头损失 1、紊流光滑区的沿程水头损失系数λ仅与雷诺数有关,而与相对粗糙度无关。 () 2、圆管紊流的动能校正系数大于层流的动能校正系数。() 3、紊流中存在各种大小不同的涡体。() 4、紊流运动要素随时间不断地变化,所以紊流不能按恒定流来处理。() 5、谢才公式既适用于有压流,也适用于无压流。() 6、' 'y u x u ρτ -=只能代表 X 方向的紊流时均附加切应力。() 7、临界雷诺数随管径增大而增大。() 8、在紊流粗糙区中,对同一材料的管道,管径越小,则沿程水头损失系数越大。() 9、圆管中运动液流的下临界雷诺数与液体的种类及管径有关。() 10、管道突然扩大的局部水头损失系数ζ的公式是在没有任何假设的情况下导出的。() 11、液体的粘性是引起液流水头损失的根源。() 11、不论是均匀层流或均匀紊流,其过水断面上的切应力都是按线性规律分布的。() 12、公式gRJ ρτ=即适用于管流,也适用于明渠水流。() 13、在逐渐收缩的管道中,雷诺数沿程减小。() 14、管壁光滑的管子一定是水力光滑管。() 15、在恒定紊流中时均流速不随时间变化。() 16、恒定均匀流中,沿程水头损失 hf 总是与流速的平方成正比。() 17、粘性底层的厚度沿流程增大。() 18、阻力平方区的沿程水头损失系数λ与断面平均流速 v 的平方成正比。() 19、当管径和流量一定时,粘度越小,越容易从层流转变为紊流。() 20、紊流的脉动流速必为正值。() 21、绕流阻力可分为摩擦阻力和压强阻力。() 22、有一管流,属于紊流粗糙区,其粘滞底层厚度随液体温度升高而减小。() 23、当管流过水断面流速符合对数规律分布时,管中水流为层流。() 24、沿程水头损失系数总是随流速的增大而增大。() 25、边界层内的流动也有层流与紊流之分。() 26、当雷诺数 Re 很大时,在紊流核心区中,切应力中的粘滞切应力可以忽略。() 27、其它条件不变,层流内摩擦力随压力的增大而() ⑴增大;⑵减小;⑶不变;⑷不定。 28、按普朗特动量传递理论,紊流的断面流速分布规律符合() ( 1 )对数分布;( 2 )椭圆分布;( 3 )抛物线分布;( 4 )直线分布。 29、其它条件不变,层流切应力随液体温度的升高而() ( 1 )增大;( 2 )减小;( 3 )不变;( 4 )不定。 30、其它条件不变,液体雷诺数随温度的增大而() ( 1 )增大;( 2 )减小;( 3 )不变;( 4 )不定。 31、谢才系数 C 与沿程水头损失系数λ的关系为() ( 1 ) C 与λ成正比;( 2 ) C 与 1/λ成正比;( 3 ) C 与λ2 成正比;( 4 ) C 与λ1 成正比。 32、A 、B 两根圆形输水管,管径相同,雷诺数相同,A 管为热水,B 管为冷水,则两管流量() ( 1 ) qvA > qvB ; ( 2 ) qvA = qvB ;( 3 ) qvA < qvB ;( 4 )不能确定大小。 33、圆管紊流附加切应力的最大值出现在() ( 1 )管壁;( 2 )管中心;( 3 )管中心与管壁之间;( 4 )无最大值。 34、粘滞底层厚度δ随 Re 的增大而() ( 1 )增大;( 2 )减小;( 3 )不变;( 4 )不定。 35、管道断面面积均为 A (相等),断面形状分别为圆形、方形和矩形,其中水流为恒定均匀流,水力坡度 J 相同,则三者的边壁切应力0τ的相互关系如下,如果沿程阻力系数λ也相等,则三管道通过的流量的相互关系如下:() ( 1 )τ0圆>τ0方>τ0矩,q v 圆>q v 方>q v 矩; ( 2 )τ0圆<τ0方<τ0矩,q v 圆τ0方>τ0矩,q v 圆q v 方>q v 矩。

[整理]FLUENT边界条件(2)—湍流设置.

FLUENT边界条件(2)—湍流设置 (fluent教材—fluent入门与进阶教程于勇第九章) Fluent:湍流指定方法(Turbulence Specification Method) 2009-09-16 20:50 使用Fluent时,对于velocity inlet边界,涉及到湍流指定方法(Turbulence Specification Method),其中一项是Intensity and Hydraulic Diameter (强度和水利直径),本文对其进行论述。 其下参数共两项, (1)是Turbulence Intensity,确定方法如下: I=0.16/Re_DH^0.125 (1) 其中Re_DH是Hydraulic Diameter(水力直径)的意思,即式(1)中的雷诺数是以水力直径为特征长度求出的。 雷诺数 Re_DH=u×DH/υ(2) u为流速,DH为水利直径,υ为运动粘度。 水利直径见(2)。 (2)水利直径 水力直径是水力半径的二倍,水力半径是总流过流断面面积与湿周之比。 水力半径 R=A/X (3) 其中,A为截面积(管子的截面积)=流量/流速 X为湿周(字面理解水流过各种形状管子外圈湿一周的周长) 例如:方形管的水利半径 R=ab/2(a+b) 水利直径 DH=2×R (4) 举例如下: 如果水流速度u=10m/s,圆形管路直径2cm,水的运动粘度为1×10-6 m2/s。 则 DH=2×3.14*r^2/(2*3.14*r)=2*3.14*0.01^2/(3.14*0.02)=0.01 r为圆管半径 Re_DH=u×DH/υ=10*0.02/10e-6=20000 I=0.16/Re_DH^0.125=0.16/20000^0.125=0.0463971424017634≈5%

湍流的产生和解释

湍流的产生和解释 湍流是如何产生的?有哪些模型可以预测和解释湍流现象? 关于第一个问题,可以先从流体的流动讲起。假设有这样一根管道,我在一头加上一个水龙头,然后通过调节水龙头的大小来控制水的速度。一开始,水龙头开度比较小,这时候是层流(如下图)。 细致地调节细管中红水的流速,当它与主流管内水流速度相近时,可以看到清水中有稳定而清晰的红色水平流线,表明这时主流管中各水层互不干扰地流动。逐渐加大水龙头的开度,层流就慢慢的变成湍流了。这时流线不再清楚可辨,流场中有许多小漩涡,层流被破坏,相邻流层间不但有滑动,还有混合。这时的流体作不规则运动,有垂直于流管轴线方向的分速度产生(如下图)。

所以我们现在可以说,层流与湍流的最大区别就是流速了(单单对于上例来说)。流速较小的时候,流动比较规则,分层现象比较明显。流速大了之后就开始乱了,各种漩涡,滑动。 现在来看看究竟怎么区别层流和湍流,或者说究竟与哪些因素有关。这里我们先引入雷诺数的概念。雷诺数(Reynolds number)一种可用来表征流体流动情况的无量纲数,以Re表示,Re=ρvd/η,其中v、ρ、η分别为流体的流速、密度与黏性系数,d为一特征长度。黏性就是指当流体运动时,层与层之间有阻碍相对运动的内摩擦力。举个例子,假如有一群人手拉手的往前跑,大家开始跑得都很慢,突然有一个人不想跟他们一起玩这个脑残的游戏了,所以任性的加快了速度。如果手拉的不紧,他就很容易逃脱—这就是黏性比较小,相互之间摩擦力较小;如果手拉的越紧,他就越不容易逃脱—这就是黏性比较大,相互之间摩擦力较大。另一方面,要是不容易逃脱,他只要加快速度,终究是可以逃脱的。 这个例子或许不那么恰当,但是可以说明雷诺数的概念了。雷诺数其实是一个无量纲数,表示作用于流体微团的惯性力与粘性力之比。当雷诺数较小时,黏滞力对流场的影响大于惯性力,流场中流速的扰动会因黏滞力而衰减,流体流动稳定,为层流;反之,若雷诺数较大时,惯性力对流场的影响大于黏滞力,流体流动较不稳定,流速的微小变化容易发展、增强,形成紊乱、不规则的湍流流场。这里贴一张从层流发展为湍流的图(中间有一段过渡段,这也很容易理解,数值上的绝对反映到实际情况下,基本都有一段过渡段)。 再简单的概况一下,湍流就是当流体的惯性力影响大于黏滞力时,流动有较规则分层明显的层流变为不规则的运动的情况。 对于第二个问题,有哪些模型可以预测和解释湍流现象? 现在的模型大多都是近似的模型。如果硬要说说预测和解释的话,应该是

紊流计算理论公式

湍流量的指定方法 湍流强度I定义为相对于平均速度u_avg的脉动速度u^'的均方根。 小于或等于1%的湍流强度通常被认为低强度湍流,大于10%被认为是高强度湍流。从外界,测量数据的入口边界,你可以很好的估计湍流强度。例如:如果你模拟风洞试验,自由流的湍流强度通常可以从风洞指标中得到。在现代低湍流风洞中自由流湍流强度通常低到0.05%。. 对于内部流动,入口的湍流强度完全依赖于上游流动的历史,如果上游流动没有完全发展或者没有被扰动,你就可以使用低湍流强度。如果流动完全发展,湍流强度可能就达到了百分之几。完全发展的管流的核心的湍流强度可以用下面的经验公式计算: 例如,在雷诺数为50000是湍流强度为4% 湍流尺度l是和携带湍流能量的大涡的尺度有关的物理量。在完全发展的管流中,l被管道的尺寸所限制,因为大涡不能大于管道的尺寸。L和管的物理尺寸之间的计算关系如下: l07 L = .0 其中L为管道的相关尺寸。因子0.07是基于完全发展湍流流动混合长度的最大值的,对于非圆形截面的管道,你可以用水力学直径取代L。

如果湍流的产生是由于管道中的障碍物等特征,你最好用该特征长度作为湍流长度L而不是用管道尺寸。 注意:公式L l07 =并不是适用于所有的情况。它只是在大多 .0 数情况下得很好的近似。对于特定流动,选择L和l的原则如下:对于完全发展的内部流动,选择强度和水力学直径指定方法,并在水力学直径流场中指定L=D_H。 对于旋转叶片的下游流动,穿孔圆盘等,选择强度和水力学直径指定方法,并在水力学直径流场中指定流动的特征长度为L 对于壁面限制的流动,入口流动包含了湍流边界层。选择湍流强度和长度尺度方法并使用边界层厚度d_99来计算湍流长度尺度l,在湍流长度尺度流场中输入l=0.4d_99这个值 湍流粘性比m_t/m直接与湍流雷诺数成比例(Re_t?k^2/(e n))。Re_t在高湍流数的边界层,剪切层和完全发展的管流中是较大的(100到1000)。然而,在大多数外流的自由流边界层中m_t/m相当的小。湍流参数的典型设定为1

风场湍流强度的计算及其对风电机组选型

风场湍流强度的计算及其对风电机组选型的 影响 王承凯 (龙源电力集团公司) 摘要:本文从IEC61400-1风电机组安全等级标准引出了风场湍流强度这一重要参数,在分析了湍流强度的含义及其产生的原因后,针对湍流强度计算中常见的几个误区进行了分析说明,并给出了湍流强度计算时测风塔的选择原则,最后给出了有效湍流强度超标的几种处理方式。本文对于充分认识湍流强度、正确计算风场湍流强度和风电机组选型具有一定的指导意义。 关键词 风场 湍流强度 风电机组 选型 1 关于IEC61400-1 IEC61400风力发电机组系列标准由IEC(国际电工委员会)制定,内容涵盖风力发电机组的各个方面,如设计标准、安全要求、运行性能测试、载荷测试、噪声测量、电能质量、叶片测试、防雷击保护、机型认证以及远程监控系统等。其中IEC61400-1是关于风力发电机组的安全要求,由IEC第88技术委员会-风力发电机组工作组制定,是风力发电机组最基本的标准之一,其适用于扫风面积不小于40平方米的风力机。该标准具体规定了风力发电机组的设计、制造、安装、维护以及在特定环境条件下运行的安全要求,涉及到风力发电机组的各子系统,如控制和保护机构、内部电气机构、机械系统、叶轮系统、支承机构以及电气联接设备等,目的在于避免风力发电机组在寿命期内的意外损坏。 IEC61400-1目前的最新版本是2005年8月发布的第三版,其中第一版1994年发布,第二版1999年发布。现在市场上流行的大多数风力发电机组是依据IEC61400-1第二版或者第三版设计的。 2 风力发电机组的等级标准 为保证风力发电机组的安全性和长期稳定可靠运行,风力发电机组的设计需要考虑运行环境条件和电力环境的影响,这些影响主要体现在载荷、适用寿命和正常工作等几个方面。各类环境条件分为正常外部条件和极端外部条件,其中正常外部条件涉及的是长期疲劳载荷和运行状态。极端外部条件出现机会很少,但它是潜在的临界外部设计条件。风电机组载荷设计需要同时考虑这些外部条件和风力机运行模式。 为了最大限度地利用特定风场的风能资源,同时保证风力发电机组的安全可靠运行,IEC61400-1对风力发电机组进行了安全分级。 风况是风力发电机组承受的最基本的外部载荷条件,因此风电机组安全等级分类的主要参数是风况。轮毂高度处的年平均风速、湍流强度以及极端风况是IEC61400-1进行风机分类的三个主要参数,其中极端风况主要包括极端风速、极端风切变以及风速、风向的迅速变化等,而风机轮毂高度处50年一遇3秒钟极大风速或者10分钟最大风速是风机极端载荷设计的最重要参数。 湍流是一个复杂的过程,难以用简单明确的方程来表示或者预测。一般情况下,研究湍流的统计特性显得更为重要。 湍流强度(turbulence intensity,简写为TI)是指10分钟内风速随机变化幅度大小,是10分钟平均风速的标准偏差与同期平均风速的比率,是风电机组运行中承受的正常疲劳载荷,是IEC61400-1风机安全等级分级的重要参数之一。 湍流产生的原因主要有两个,一个是当气流流动时,气流会受到地面粗糙度的摩擦或者阻滞作

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