风道收缩段对气流均匀性提高的模拟

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1 前言

    风洞实验装置的流道通常会有一段收缩段，该段的主要作用是提高出流的均匀性，假设入口的速度不均匀，经过收缩段后，速度的均匀性会大大提升。今天，我们模拟简单演示一下这个收缩段的作用。

2 建模与网格

    建立如下的收缩段模型，考虑几何对称性，只建立1/2模型，以减小计算量。注意为了使入口速度差异化，上下两部分分别定义边界条件，在建模时将整个计算域在中间一分为二，中间切割面设置为interior边界即可，当然也可以通过UDF的方式来定义不同区域的速度值。

    划分六面体结构化网格，节点数约为36万，最小正交质量0.44。

3 求解设置

    上部入口和下部入口均采用速度入口边界，速度值分别为4m/s和2m/s。上部出口和下部出口均为压力出口，表压0Pa。

    介质为空气，湍流模型可自行选取，注意壁面处理的选择和Y 的对应性要保证。

    其他设置采用默认即可。

4 计算结果

    首先，我们看一下对称面上的速度分布，可以明显看出速度趋向于均匀。

    再看一下对称面上的静压分布，流动截面上基本区域一致。

    最后看一下进出口的平均速度值，速度差异性由50%降低至2.06%。

    注意到的是，进出口的速度矢量都是平行于流道轴线的，倘若我们把其中一个速度方向改成非轴向，速度分布如下，可以看出出口均匀性还是挺好的。

    该速度差异性也可以进行理论推导，分别取流道上下部分各一条流线，两条流线经历了相同的压降。根据伯努利方程，有以下的关系式：

    我们先以上面的算例1为例，假设上下流道入口速度已知，上流道出口速度已知，则下流道出口速度如下，推导结果和FLUENT计算结果相差0.384%。

    对于算例2，上流道入口速度应取轴向分量，推导结果和FLUENT计算结果相差0.638%。