第1章 绪 论 旋管数值模拟的建模带来一定困难。但随着商业软件的不断更新，螺旋管数值试验研究与物理实验研究相结合的方法必成为今后螺旋管性能研究的重要方法。本课题就是通过对Fluent和Gambit等软件的使用方法的掌握，进行数值模拟，得到螺旋圆管的流动特性和传热特性与Re数变化关系。
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东北电力大学本科毕业论文 第2章 GAMBIT与FLUENT软件的介绍
2.1 GAMBIT软件简介
GAMBIT软件是面向CFD的专业前处理器软件，它包含全面的几何建模能力,既可以在GAMBIT内直接建立点、线、面、体几何，也可以从主流的CAD/CAE系统如PRO/E、UGII、IDEAS、CATIA、SOLIDWORKS、ANSYS、PATRAN导入几何和网格，GAMBIT强大的布尔运算能力为建立复杂的几何模型提供的极大的方便[8]。
GAMBIT具有灵活方便的几何修正功能，当从接口中导入几何时会自动的合并重合的点、线、面；GAMBIT在保证原始几何精度的基础上通过虚拟几何自动的缝合小缝隙，这样既可以保证几何精度，又可以满足网格划分的需要。
GAMBIT功能强大的网格划分工具，可以划分出包含边界层等CFD特殊要求的高质量的网格。GAMBIT中专有的网格划分算法可以保证在较为复杂的几何区域可以直接划分出高质量的六面体网格。
GAMBIT中的TGRID方法可以在极其复杂的几何区域中可以划分出与相邻区域网格连续的完全非结构化的网格，GAMBIT网格划分方法的选择完全是智能化的，当你选择一个几何区域后GAMBIT会自动选择最合适的网格划分算法使网格划分过程变的极为容易。
GAMBIT可以生成FLUENT5、FLUENT4.5、FIDAP、POLYFLOW、NEKTON、ANSYS等求解器所需要的网格[9]。
2.2 FLUENT程序介绍
2.2.1 FLUENT的基本作用
FLUENT是用C语言写的，因此具有很大的灵活性与能力。因此，动态内存分配，高效数据结构，灵活的解控制都是可能的。除此之外，为了高效的执行，交互的控制，以及灵活的适应各种机器与操作系统，FLUENT使用client/server结构，因此它允许同时在用户桌面工作站和强有力的服务器上分离地运行程序。
FLUENT是用于模拟具有复杂外形的流体流动以及热传导的计算机程序。它提供了完全的网格灵活性，你可以使用非结构网格，例如二维三角形或四边形网格、三维四面体/六面体/金字塔形网格来解决具有复杂外形的流动[10]。甚至可以用混合型非结构网格。它允许你根据解的具体情况对网格进行修改（细化/粗化）。
在FLUENT中，解的计算与显示可以通过交互界面，菜单界面来完成。用户界面是通过Scheme语言及LISP dialect写成的。高级用户可以通过写菜单宏及菜单函数自定义及优化界面[11]。
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第2章 GAMBIT与FLUENT软件的介绍 一旦网格被读入FLUENT，剩下的任务就是使用解算器进行计算了。其中包括，边界条件的设定，流体物性的设定，解的执行，网格的优化，结果的查看与后处理。
2.2.2 FLUENT可求解的问题
FLUENT 可以求解计算二维和三维问题，在计算过程中，网格可以自适应调整。FLUENT软件的应用范围非常广泛，主要范围如下[12]：
(1)用非结构自适应网格模拟2D或者3D流场，它所使用的非结构网格主要有三角形/五边形、四边形/五边形，或者混合网格，其中混合网格有棱柱形和金字塔形（一致网格和悬挂节点网格都可以） (2)不可压或可压流动
(3)定常状态或者过渡分析 (4)无粘，层流和湍流 (5)牛顿流或者非牛顿流
(6)对流热传导，包括自然对流和强迫对流 (7)耦合热传导和对流 (8)辐射热传导模型
(9)惯性（静止）坐标系非惯性（旋转）坐标系模型
(10)多重运动参考框架，包括滑动网格界面和rotor/stator interaction modeling的混合界面
(11)化学组分混合和反应，包括燃烧子模型和表面沉积反应模型 (12)热，质量，动量，湍流和化学组分的控制体源
(13)粒子，液滴和气泡的离散相的拉格朗日轨迹的计算，包括了和连续相的耦合
(14)多孔流动
(15)一维风扇/热交换模型 (16)两相流，包括气穴现象 (17)复杂外形的自由表面流动
2.3 FLUENT中数学模型的方程
2.3.1流体的物性
本文采用的是工质是水，假设为不可压缩、常物性稳态流动，密度为998.2 kg/m3，比热4183J/( kg·k)，导热系数0.599w/( m·k)，粘度0.001003kg/( m·s)。操作条件为标准大气压同时作如下假设：
(1)忽略重力的影响；
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东北电力大学本科毕业论文 (2)所有界面和接触表面不变形，液-固接触面为无滑移边界； (3)沿流体流动的主流方向流体的导热忽略不计； (4)流体通过管后无质量增量，管内无其它源项。
2.3.2迭代格式的选择及精度
由于SIMPLEC算法在一定程度上缩小了由于忽略对流-扩散项的影响所带来的误差，且其收敛特性和健壮性远优于SIMPLE和SIMPLER，SIMPLEC的计算时间较少，所以用SIMPLEC算法处理压力与速度耦合问题[13]。
为了克服由于对流项采用中心差分而引起的困难，早在20世纪50年代，就提出了迎风差分。迎风差分又称为上风差分，它充分考虑了流动方向对导数的差分计算式及界面上函数的取值方法的影响。二阶迎风格式要明显优于一阶迎风格式，因为一阶迎风格式的截差阶数低，除非采用相当细密的网格，其计算结果的误差较大，动量方程和能量方程用Second Order Upwind格式。
为保证计算结果的更接近于真实结果，本文采用的计算的迭代精度：能量方程为1E-06，动量方程、连续性方程及其它方程为1E-03。
2.3.3 控制方程
管内流体的流动和热量传递满足连续性方程、动量方程以及能量方程等控制方程。 连续性方程：
?u?x?1?(rv)r?r?0
(2-1) 动量方程：
?(?u???u?u?x?v?u?r)???p?x??(?u?r22?1?ur?r??u?x22)
(2-2)
?(?v???u?v?x?v?v?r)???p?r??(?v?r22
?1?vr?r??v?x22?vr2) (2-3)
能量方程：
?t???u?t?x?v?t?r???cp??(?t22?1?tr?r??t?x22) (2-4)
2.3.4湍流模型
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第2章 GAMBIT与FLUENT软件的介绍 湍流流动是工程技术领域与自然界中常见的流动现象，流体作湍流流动时的对流换热也是工程传热过程中最常见的一种热交换方式。湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动。在湍流中流体中的各种物理参数，如速度、压力、温度等都随时间与空间发生随机的变化。本文主要采用了标准的k-ε湍流模型进行了计算。下面给出标准的k-ε湍流模型的控制方程形式： 标准的k-ε方程：
?t???????????t?xj??k??
?k??k????x??Gk?Gb????YM?Skj??? (2-5)
?t???????????t?xj??k??
??2?????????x??C1εk?Gk?C3εGb??C2ε?k?Sεj??? (2-6)
其中：
?t?Cμ?k2? (Cμ=0.09) (2-7)
Gk为平均速度梯度所引起的湍动能k
??u?ujiGk??t????x?xij?的产生项，由式计算：
??ui???xj? 有：
(2-8)
Gb为浮力所引起的湍动能kGb=0。的产生项，对于不可压流体，对于可压流体，
Gb??gi?t?TPrt?xi (2-9)
其中，gi为重力加速度在第i方向的分量，β为热膨胀系数，即：
???1??
Ym??T (2-10)
代表可压湍流中脉动扩张的贡献，对于不可压流体，Ym =0。对于可压流体，
YM?2??M2t为：
(2-11)
k/a2其中，Mt为湍动能mach数，；a是声速，a??RT。 在标准k-ε模型中，模型常数C1?、C2?、C3?、?k、??的取值：
Mt?C1?Sk=1.44，C2?=1.92，C3?=0.09，?k=1.0，??=1.3
依据上述分析，当流动为不可压，且不考虑用于自定义的源项时，Gb=0，Ym=0， =0，S? =0，此时，标准k-ε模型变为：
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