Fluent仿真-毕业论文.doc
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毕业论文
题目：
U玻璃纤维增强混凝土固液两相流体输送分析
学院：
U机械工程学院
专业：
U材料成型及控制工程U班级：
U1201学号U201202050125
学生姓名：
U唐林波
导师姓名：
U陶友瑞
完成时间：
U2016-5-25
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
1
毕业设计（论文）任务书
题目：
U玻璃纤维增强混土固液两相流体输送分析
姓名U唐林波U学院U机械工程学院U专业U材料成型U班级U1201U学号U201202050125
指导老师U陶有瑞U职称U教授U教研室主任U陈国强
一、基本任务及要求：
U1.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；
U2.设计仿真用的模型，并参考资料书上的参数设置；
U3.对玻璃纤维增强混凝土进行了解及其应用情况；
U4.建立模型，并进行仿真与分析；
U5.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：
U1.3月1日～3月20日，查阅资料、撰写文献综述和开题报告；
U2.3月21日～4月3日，课题调研、资料收集、方案设计；
U3.4月4日～5月1日，试验研究及结果分析；
U4.5月2日～5月22日，撰写毕业论文；
U5.5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；
U6.6月7日～6月19日，毕业论文答辩和资料整理。
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
2.1Fluent概述 6
2.2Fluent软件的基本特性 6
2.2.1Fluent软件的网格特性 6
2.2.2Fluent软件定义边界条件特性 6
2.2.3Fluent软件的处理特性 7
2.3Fluent的程序结构 7
2.4Fluent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
3.1DesignModeler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
3.3ANSYSMeshing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
3.4Fluent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 22
4.4对实验结果与仿真结果进行探讨 22
第5章结论 23
致谢 24
参考文献 25
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（ComputationalFluidDynamics）。
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
Abstract
FLUENTtoflow,heattransferandchemicalreactionontheproblemssuchassimulation.ThemostwidelyusedinthefieldofengineeringsimulationandexperimentofadisciplineforComputationalFluidDynamicsCFD（ComputationalFluidDynamics）.Thelawofconservationofmass,thelawofconservationofmomentumandenergyconservationisanyfluidmotionhastofollowtherule.Thesebasiclawscanbemadeofmathematicalequationstodescribe,suchaseulerequationandnavier-stokesequation.CFDstudymethodisanumericalcalculationmethod,andusethecomputertosolvetherelevantcontrolmathematicalequationsoffluidflow,andthenstudiesthemovementruleoffluid.Computationalfluiddynamicsintheengineeringpractice,theapplicationofCFDsoftwaretosolvesometypicalfluidmechanicsproblemsalsohasgreatvalue.Inrecentyears,withthedevelopmentofthedevelopmentofcomputerhardwareandrelatedsoftware,CFDtechnologyhasmadesignificantprogressintheengineeringfield,particularlyfluidanalysisandfluidflowplaysabigrole.
Liquidpipelinewillhappenoftenaffectedbyvariousreasonsofhydraulictransients,maybeproducedintheprocessofhydraulictransientpressuretoohighortoolow,seriouswhendamagetothepipelinesandadditionalequipment.Therefore,intheprocessofpipelinedesignandoperationneedstobepossibletocalculatethetransientprocessanalysis,inordertosetasideenoughallowance,whenthedesignortheinfluenceofthetransientprocessintheoperationofthecontrol.Forasimilartousethebucketfullofconcreteanalysisonwaterdispenser,alsohassignificanceinengineeringpractice,throughtheanalysisofconcreteinabucketofvelocity,pressure,density,suchascloud,shouldgivebarrelsinengineeringpracticehowmuchpressuretomakeconcreteflowbetter,morethickbarrelwalltothecorrespondingunderpressure.
KEYWORDS:
FLUENT;Transient;Glassfiberreinforcedconcrete;Fluidmechanics
I
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GlassfiberReinforcedConcrete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（ComputationalFluidDynamics）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。
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（ComputationalScienceandEngineering,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，GRAPHERTOOL，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。
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
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