基于fluent的彎管流動模擬研究

紀(jì)宏超，李耀剛，鄭鐳，李文軍

(1.河北聯(lián)合大學(xué)，河北唐山 063009;2.唐山德盛陶瓷有限公司，河北唐山 063000)

0 引言

彎管廣泛應(yīng)用于石化，鋼鐵冶金等各個行業(yè)，其內(nèi)部運(yùn)輸?shù)南鄬\(yùn)動會產(chǎn)生一定的振動從而導(dǎo)致管道系統(tǒng)動力失穩(wěn)，給系統(tǒng)造成災(zāi)難性的毀壞?，F(xiàn)在管道中多為油水兩相流，流動較為復(fù)雜，而且再通過彎管時會發(fā)生突變，使得流動更加復(fù)雜，基于以上因素，研究彎管油水兩相流動的速度、壓力、流線分部的特性，既能保證安全運(yùn)輸，又能為彎管設(shè)計(jì)提供有益參考。

1 理論分析

選擇混合模型并使用Fluent軟件對上述彎管內(nèi)部流場進(jìn)行模擬研究，F(xiàn)luent提供的混合模型是一種簡化的多相流模型，以下給出其控制方程［1］。

(1)連續(xù)性方程:

(2)動量方程:

(3)能量方程

式中:Keff是有效熱傳導(dǎo)率;SE是體積熱源

(4)相對速度和漂移速度

相對速度定義為第二項(xiàng)的速度相對于主項(xiàng)的速度:

漂移速度和相對速度的關(guān)系:

(5)第二項(xiàng)體積分?jǐn)?shù)

以上是研究兩相流混合模型的理論基礎(chǔ)，可用來模擬兩項(xiàng)或多項(xiàng)具有不同速度的流動，混合模型主要就體現(xiàn)在對連續(xù)性方程、動量方程、能量方程、第二項(xiàng)體積分?jǐn)?shù)及相對速度方程的求解過程。

2 數(shù)值模擬

2.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

本文選取某工程輸油管道的90°水平彎管一段，其中管徑長為600 mm折彎處彎徑為3，在彎管兩端延伸5 m。其中油水混合物的混合比例為4∶1，經(jīng)過gambit建立如下的網(wǎng)格。

圖1 彎管網(wǎng)格模型

2.2 彎管模擬的初始化條件設(shè)置

針對本文研究的問題，利用fluent采用模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，采用非穩(wěn)態(tài)、隱式解法步進(jìn)求解，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn) ε － κ 模型［2］。

表1 混合模型彎管邊界條件設(shè)置

2.3 計(jì)算結(jié)果及后處理

從模擬結(jié)果的壓強(qiáng)圖可以看出，管道的的進(jìn)口壓強(qiáng)高于出口端的壓強(qiáng)，整個管段的壓強(qiáng)呈現(xiàn)遞減態(tài)勢，由于受到彎管離心力的作用，彎管處內(nèi)側(cè)壓力到外側(cè)壓力逐漸增大。

圖2 壓強(qiáng)云圖

在模擬計(jì)算中，進(jìn)口處流速初始值設(shè)置為均勻入流，流速為固定值2.0 m/s。從速度圖可以看出，質(zhì)點(diǎn)的動量動能不斷發(fā)生交換，使得管道內(nèi)流速并不均勻在彎管的外側(cè)相對速度最大，從彎管內(nèi)側(cè)到外側(cè)速度逐漸增加。出口處流速并不均勻，在內(nèi)側(cè)比較密集，而在外側(cè)相對較稀疏，經(jīng)過彎管之后，由于管內(nèi)液體所受到的離心力逐漸消失，流速逐漸變得較為均勻。

從進(jìn)出口的流量圖可以看出，在彎管流動中，進(jìn)出口流量是比較均勻的，符合守恒定律，在剛剛開始時出口有一些波動，不過不是很大，在模擬結(jié)束時，進(jìn)口波動較大，符合實(shí)際情況。

整體上從模擬的結(jié)果來看，fluent能很好的模擬彎管內(nèi)兩項(xiàng)流的流動，對于使用管道傳輸?shù)牟煌袠I(yè)均可以使用商用軟件對其模擬，不僅為企業(yè)節(jié)約的資本，而且能夠使得彎管設(shè)計(jì)更加合理。

3 結(jié)論

(1)用數(shù)值模擬手段對彎管內(nèi)部流動進(jìn)行了研究，得出的兩相流數(shù)值特征與實(shí)際及理論計(jì)算比較接近，揭示了彎管流速度場和壓力場的變化規(guī)律。

(2)建立的數(shù)值模型可為彎管設(shè)計(jì)試驗(yàn)提供參考和幫助。針對具體試驗(yàn)，改變模型中對應(yīng)參數(shù)，即可更科學(xué)的了解管道輸送彎管過程的變化。

［1］張遠(yuǎn)君.兩相流體動力學(xué)基礎(chǔ)理論及工程應(yīng)用［M］.北京:北京航空學(xué)院出版社，1987.

［2］Fluent Inc.FLUENTUsers Guide［Z］.Fluent Inc.，2003.

［3］王福軍.計(jì)算流體動力學(xué)分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［4］江帆，黃鵬.Fluent高級應(yīng)用與實(shí)例分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2008.

［5］傅磊.散料的流動性及其在彎管中氣力輸入的研究［D］.大連理工大學(xué)，2000，5.