FLUENT圆管湍流压降研究——与莫迪图、尼古拉兹曲线对比

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昨天发了一个圆管湍流压降的案例,不知道有没有读者把计算结果和莫迪图(或者Colebrook-white公式)对比,实际上有不少人进行了详细的对比,比如可以查看一下文献《管道内壁粗糙度对沿程阻力影响的FLUENT数值模拟分析》以及《离心压缩机级的数值模拟及结构参数影响分析》(第5.5节)。

总结一下大致有两个关键观点:第一,在紊流过渡区,FLUENT计算结果和莫迪图(或者Colebrook-white公式,该公式简单粗暴地对待Re>4000的所有区域,在美国很广泛地使用)有较大的误差(约15-20%);第二,FLUENT的湍流区域同样区分光滑区、过渡区和平方区,其数据依据来源于尼古拉兹实验。关于第二个观点,可以从help文件里面看到一些蛛丝马迹。

今天,我们基于之前的圆管湍流案例做一些简要的补充,将计算结果分别和莫迪图以及尼古拉兹曲线对比。另外,管道的壁面等值粗糙度统一定为0.012mm,输入到壁面边界条件中。

注意,对于人工粗糙管,粗糙度常数设定为0.5,而对于实际的工业管道,建议设定为0.5-1之间,这里我们也统一设定为0.5,实际上这个值对计算结果是有影响的,很遗憾没有确定的规则指导如何设定确定的值。

分别设定几组速度,使得湍流分别落于三个区,既然FLUENT的依据来自尼古拉兹实验,我们先和它对比一下。这里先用EXCEL编写了一个尼古拉兹公式计算表。

首先,设定速度为2m/s,此时坐落于水力光滑区,阻力系数尼古拉兹公式计算结果为0.0224。FLUENT速度边界如下,用的是均匀速度,在计算阻力系数时,以1/2管道长度和出口作为计算长度(该段充分发展,下同)。FLUENT的压力降结果为1082.48Pa,对应的阻力系数为0.0217,两者偏差3.1%

然后,设定速度为10m/s,此时位于紊流过渡区,阻力系数尼古拉兹公式计算结果为0.0193。FLUENT速度边界如下,压力降结果为20075.018Pa,对应的阻力系数为0.0161,两者偏差16.5%。

最后,设定速度为80m/s,此时坐落于阻力平方区,阻力系数尼古拉兹公式计算结果为0.0178。FLUENT速度边界如下,压力降结果为1427600.7Pa,对应的阻力系数为0.0179,两者偏差0.4%。

从上面可以看出,阻力平方区和水力光滑区FLUENT计算结果和尼古拉兹曲线较为接近,但是在紊流过渡区偏差较大。

以上三种情况分别与莫迪图对比(这里同样用EXCEL编了一个计算表),偏差分别为8.7%,16.7%和1.1%,同样是阻力平方区和水力光滑区较为接近,特别是阻力平方区。

通过上面的对比结果,FLUENT的粗糙管道阻力计算相对而言更接近于尼古拉兹实验,在紊流过渡区与经验公式偏差较大。对于工程设计管道系统的阻力计算,建议重点参考莫迪图或者Colebrook-white公式,毕竟这是很多标准规范普遍应用的公式,得到了公认。


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