彭泉

（武漢工程大學(xué)，湖北 武漢 430205）

基于CFX的壓力管道內(nèi)部流體流動(dòng)特性研究

彭泉

（武漢工程大學(xué)，湖北 武漢 430205）

以化工機(jī)械中的L型壓力管道為研究對(duì)象，結(jié)合計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)理論，借助ANSYSCFX14.0流體分析軟件，采用數(shù)值模擬方法對(duì)其內(nèi)部的流體流動(dòng)特性進(jìn)行了探索，得到了管道內(nèi)部和管道出口處的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)分布等重要流體信息。并研究了彎管直徑對(duì)管道內(nèi)部速度和壓力分布。獲得了管道內(nèi)徑變化對(duì)管道內(nèi)部壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)變化規(guī)律。研究結(jié)論對(duì)壓力管道的設(shè)計(jì)和工程運(yùn)用提供了一定的參考。

壓力管道；數(shù)值模擬；流動(dòng)特性；CFX

壓力管道在工程實(shí)際中廣泛運(yùn)用，特別是在化工領(lǐng)域，其運(yùn)用隨處可見，廣泛運(yùn)用于天燃?xì)獾妮斔椭?。壓力管道孔徑大小、材料、流體在管道內(nèi)的流動(dòng)速度和溫度都會(huì)對(duì)管道內(nèi)部流體的流動(dòng)特性息息相關(guān)。因此，對(duì)壓力管道的壓力變形和裂縫擴(kuò)散等研究一直有工作者在進(jìn)行?，F(xiàn)有學(xué)者是從有限元的角度對(duì)壓力管道內(nèi)部的流動(dòng)特性進(jìn)行過(guò)深入研究。本文正是在此基礎(chǔ)上，針對(duì)壓力管道的孔徑變化和入口出流體的溫度變化對(duì)壓力管道的速度分布、壓力分布等重要特性進(jìn)行了對(duì)比分析，從而為不同情況下壓力管道結(jié)構(gòu)、壁面厚度以及材料選擇等提供參考。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和有限元理論的不斷完善，CFD技術(shù)已經(jīng)成為有限元的一個(gè)重要分支，本文在借鑒了已有研究的基礎(chǔ)上，借助于大型流體計(jì)算軟件CFX，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)湍流模型和壁面函數(shù)，對(duì)壓力管道內(nèi)部的速度和壓力分布進(jìn)行了仿真分析，為壓力管道的設(shè)計(jì)和優(yōu)化等提供了一定的參考。

1 有限元模型的建立

1.1 三維建模與網(wǎng)格劃分

本文中L型壓力管道直徑D依次設(shè)置為20mm、40mm、60mm，兩端長(zhǎng)度均為L(zhǎng)=200mm；流體介質(zhì)選用水，切關(guān)內(nèi)流動(dòng)視為湍流。網(wǎng)格劃分軟件采用集成在ANSYS中的專業(yè)流體劃分軟件ICEMCFD14.0，體網(wǎng)格用四面體網(wǎng)格劃分，生成方法用軟件默認(rèn)方式，D=20mm時(shí)，網(wǎng)格總數(shù)為523861個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)123654個(gè)。壓力管道流體域的網(wǎng)格模型參考圖1是入口截面上的網(wǎng)格分布狀況參考圖2。

1.2 數(shù)值模擬方法

本文研究水在壓力管道內(nèi)的流動(dòng)特性，假設(shè)該過(guò)程中水是不可壓縮的介質(zhì)，因此在流場(chǎng)計(jì)算過(guò)程中遵循質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒，當(dāng)前計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)中一般將關(guān)于三個(gè)守恒的方程合并到一個(gè)控制方程中，具體如下：

圖1 壓力管道流體域網(wǎng)格模型

圖2 壓力管道入口截面的網(wǎng)格分布

上式（1）中，各項(xiàng)依次為瞬態(tài)項(xiàng)、對(duì)流相、擴(kuò)散項(xiàng)和源項(xiàng)。t為流體運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s；為流體密度，kg/m3；為廣義擴(kuò)散系數(shù)；為通用變量；s為廣義源項(xiàng)；為速度矢量，m/s。流體在壓力管道中的流動(dòng)視為不可壓縮的定長(zhǎng)流動(dòng)，同時(shí)考慮彎管處存在湍流運(yùn)動(dòng)，因此采用標(biāo)準(zhǔn)湍流方程和相應(yīng)的壁面函數(shù)描述液體在管道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)。

1.3 邊界條件的施加

本文中計(jì)算域?yàn)檎麄€(gè)L型壓力管道的內(nèi)部流體區(qū)域，并采用6m/s的流體入口速度和壓力出口，其中出口壓力相對(duì)于大氣壓力為0Pa。管道內(nèi)流動(dòng)介質(zhì)為常用C19H30燃油，密度為960kg/m3；工作溫度為室溫，25℃；考慮到然后運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)受到管道壁面的影響而呈現(xiàn)不同的流速，因此管道內(nèi)壁面設(shè)置為無(wú)滑移壁面；壓力差分格式是標(biāo)準(zhǔn)離散差分格式，最大收斂迭代次數(shù)為20000，時(shí)間尺度控制為自動(dòng)控制，數(shù)值大小設(shè)為1；殘差收斂值為默認(rèn)值。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 不同孔徑下的管道內(nèi)部壓力分布

當(dāng)室溫環(huán)境下，燃油以25℃的溫度從入口流經(jīng)壓力管道內(nèi)壁面，然后從出口流出。不同內(nèi)徑的壓力管道在室溫條件下內(nèi)部壓力分布狀況如圖3所示，圖中截面通過(guò)壓力管道的軸線位置。由圖可知，不同內(nèi)徑的壓力管道內(nèi)部壓力分布趨勢(shì)大致相同，最大正壓和最大負(fù)壓均出現(xiàn)在L型管道的拐彎處。切靠近入口和出口的位置壓力值較小。但是不同內(nèi)徑的壓力管內(nèi)部最大正壓和最大負(fù)壓值均不相等。隨著內(nèi)徑由20mm增加到60mm后，最大正壓也依次增加，其值大小為5371Pa、5509Pa、5959Pa，說(shuō)明在相同入口速度下，隨著管道內(nèi)徑，其內(nèi)部的最大壓力也會(huì)隨之增加，且均出現(xiàn)在L型壓力管道的外圓角處。類似地，最大負(fù)壓值也隨內(nèi)徑的增加而增加，但是出現(xiàn)部位是L型壓力管的內(nèi)圓角處。

圖3 室溫下管道內(nèi)部壓力分布

2.2 不同孔徑下的管道內(nèi)部速度云圖

不同內(nèi)徑的壓力管道在室溫條件下內(nèi)部速度分布狀況如圖4所示，與上文一樣，圖中截面通過(guò)壓力管道的軸線位置。由圖可知，當(dāng)流體介質(zhì)以相同的的速度從入口流進(jìn)后，不同內(nèi)徑的壓力管道內(nèi)部速度分布卻發(fā)生了較大的差異。隨著管徑增加，最大速度值也隨之增加，當(dāng)管道內(nèi)徑為60mm時(shí)，流體速度最大值為7.3m/s。當(dāng)然，雖然在數(shù)值上速度值有所差異，但是在分布趨勢(shì)上確實(shí)一直的，最大速度均出現(xiàn)在拐角處。其原因是來(lái)自入口的流體介質(zhì)在壓力管拐彎處發(fā)生聚集和湍流作用，速度方向也隨之變化，最終導(dǎo)致道速度值有所增加。當(dāng)然，隨著內(nèi)徑增加，壓力管道內(nèi)部的整體速度分布云圖會(huì)更加均勻。相反，內(nèi)徑越小，管道內(nèi)部不同區(qū)域的速度分布則會(huì)呈現(xiàn)較大的差異性。

圖4 室溫下管道內(nèi)部速度云圖

2.3 不同孔徑下的出口的壓力分布

在壓力管道的設(shè)計(jì)和分析中，研究人員不僅僅關(guān)心壓力管道表面的裂紋擴(kuò)散和材料等情況，其實(shí)更多關(guān)注的是當(dāng)流體介質(zhì)從入口進(jìn)入后，流經(jīng)整個(gè)壓力管道最終到達(dá)出口的壓力和速度分布狀況，因?yàn)閮蓚€(gè)參數(shù)將更加有助于研究壓力管道內(nèi)壁面的便面粗糙度、管道結(jié)構(gòu)形式等對(duì)壓力和速度造成的影響狀況，有利于研究人員開展流體阻力損失等的研究。因此，本文除了關(guān)注管道內(nèi)部的壓力和速度分布外，還提取了壓力管道出口的壓力和速度進(jìn)行分析。

不同內(nèi)徑的壓力管道在室溫條件下出口的壓力分布如圖5所示，與上文一樣，圖5中截面通過(guò)壓力管道的軸線位置。由圖5中各個(gè)內(nèi)徑下的標(biāo)尺可知，不同內(nèi)徑的壓力管道出口的壓力分布趨勢(shì)類似，在靠進(jìn)圓心的位置呈現(xiàn)負(fù)壓，而在靠近壁面的地方壓力值最大。因?yàn)榱黧w在流通過(guò)程中都是在壓力管道內(nèi)壁面的吸附作用下運(yùn)動(dòng)的，所以實(shí)際上圓形壓力管道的軸線位置基本上是空氣，所以壓力分布呈現(xiàn)出圖5中的特點(diǎn)。但是隨著管道內(nèi)徑增加，最大正壓和最大負(fù)壓均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

圖5 室溫下管道出口壓力分布

2.4 不同孔徑下的出口的速度云圖

不同內(nèi)徑的壓力管道在室溫條件下出口的速度云圖如圖6所示?？芍S著管道內(nèi)徑的增加，出口處的速度分布呈現(xiàn)規(guī)律性變化：靠近壁面周圍的速度大小為0m/s，因?yàn)樵谶M(jìn)行數(shù)值模擬過(guò)程中，管道內(nèi)壁面是設(shè)置為無(wú)滑移壁面的。而不在壁面的區(qū)域速度值較大。隨著內(nèi)徑增加，有一片速度較小的區(qū)域?qū)⒅饾u向圓心位置移動(dòng)。

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