【STARCCM+案例】管道沿程損失計(jì)算
2016-08-31 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
1案例背景
1、圓管內(nèi)流動(dòng)速度
半徑R的圓形管道層流流動(dòng)時(shí)( ),其沿軸線方向的速度可表示為:
因此某一剖面上的最大速度
而該剖面上的平均速度:
式中, 為任意橫截面上的最大速度, 為任意橫截面上平均速度,為任意橫截面任意位置的速度表達(dá)式,而 ,其中, 為沿管道長(zhǎng)度的壓降。
因此可得這些速度之間的關(guān)系
2、圓管摩擦水頭損失
對(duì)于圓形管道流動(dòng),其摩擦水頭損失為
式中, 為摩擦系數(shù),對(duì)于層流流動(dòng)( ),其摩擦系數(shù)為
而對(duì)于湍流來講就復(fù)雜得多了,湍流狀態(tài)下的摩擦系數(shù)通??梢酝ㄟ^查詢莫迪圖得到,當(dāng)然數(shù)學(xué)表達(dá)式也不少,其中用的比較多的如布拉修斯公式(適用于 )
管道壓力降 與水頭損失 之間的關(guān)系為
2 案例描述
本案例幾何較為簡(jiǎn)單,長(zhǎng)度1m,直徑0.02m的圓形管道,流動(dòng)介質(zhì)密度600kg/m^3,動(dòng)力粘度0.01Pa.s,入口速度1m/s利用CFD計(jì)算其壓力損失。利用前面的計(jì)算公式可得到雷諾數(shù) ,采用層流摩擦系數(shù) ,摩擦水頭損失 ,壓降 。
2.1 案例幾何
幾何很簡(jiǎn)單,可采用二維軸對(duì)稱或三維模型。這里采用軸對(duì)稱模型,可以驗(yàn)證對(duì)于此模型來說,軸對(duì)稱模型與三維模型不存在精度上的差異。模型如圖所示(此處為了顯示方便,將Y方向擴(kuò)大了10倍)。
網(wǎng)格劃分比較粗糙,共生成500*20個(gè)網(wǎng)格。
2.2 操作步驟
2.2.1 新建Simulation
啟動(dòng)STAR CCM+,使用快捷鍵CTRL+N新建一個(gè)Simulation,這里采用12核并行計(jì)算,也可以采用默認(rèn)串行計(jì)算。
2.2.2 導(dǎo)入網(wǎng)格
利用菜單File > Import > Import Volume Mesh,導(dǎo)入網(wǎng)格文件。這里采用提前準(zhǔn)備的Fluent格式的網(wǎng)格。也可以在STAR CCM+中建模劃分網(wǎng)格。
2.2.3 添加物理模型
鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊模型樹節(jié)點(diǎn)Contimua | Physics 1 | models,選擇Select models…
選擇如圖所示的模型。
2.2.4 修改介質(zhì)物性
雙擊模型樹節(jié)點(diǎn)Continua | Physics 1 | Liquid | H2O
在彈出的對(duì)話框中設(shè)置Density為600,設(shè)置Dynamic Viscosity為0.01,如下圖所示。
2.2.5 設(shè)置初始值
初始化速度值x方向1m/s,如下圖所示。
2.2.6 邊界條件設(shè)置
設(shè)置inlet邊界類型為velocity inlet,如下圖所示操作。
同樣步驟設(shè)置outlet邊界類型為Pressure Outlet;設(shè)置axis邊界類型為Axis
設(shè)置入口速度為1m/s,如下圖所示。
2.2.7 設(shè)置壓降監(jiān)控
鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊模型樹節(jié)點(diǎn)Reports,選擇New Report > Pressure Drop,如下圖所示。
軟件自動(dòng)在Reports節(jié)點(diǎn)下生成子節(jié)點(diǎn)Pressure Drop 1。點(diǎn)擊此子節(jié)點(diǎn),設(shè)置其屬性框如下圖所示。高壓部件選擇入口,低壓選擇出口。
鼠標(biāo)右鍵選擇此子節(jié)點(diǎn),選擇彈出菜單Create Monitor and Plot from Report
2.2.8 設(shè)置Scene
鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊節(jié)點(diǎn)Scenes,選擇菜單New Scene > Scalar,生成新節(jié)點(diǎn)Scalar Scene 1
設(shè)置Scalar的顯示模式為Smooth Filled,如下圖所示。
設(shè)置Scalar Field為Velocity:Magnitude,如下圖所示。
2.2.9 其他設(shè)置
其他參數(shù)采用默認(rèn)。如STAR CCM+默認(rèn)設(shè)置迭代步數(shù)1000步,這里懶得改了。
開始計(jì)算吧。
2.3 存在的問題
計(jì)算很快就完成了,如此簡(jiǎn)單的模型,收斂也很好,從下面的殘差圖來看,已經(jīng)低于-9了。
看速度云圖(Y方向放大了10倍),最大速度1.9341m/s,位于軸線所在位置。不過這值距離最大速度2m/s還有差距。
比較進(jìn)口與出口位置沿著Y方向速度分布,如下圖所示??梢钥闯鲞M(jìn)口速度為一平直線,即人工輸入的恒定值1m/s,而出口位置速度為類似拋物線,符合充分發(fā)展流動(dòng)特征。
再來看壓降隨迭代變化曲線,400步后已經(jīng)不再變化了。
看壓降值為893.3Pa,距離計(jì)算得到的800Pa相差接近100Pa,那么問題出在哪里?
分析原因:入口邊界條件給得有問題。應(yīng)該按照充分流動(dòng)入口條件,前面計(jì)算壓降利用的公式中的速度應(yīng)該為平均速度。本案例平均速度1m/s,最大速度為2m/s,入口位置速度分布為
其中, 為徑向距離。
2.4 改造
2.4.1 創(chuàng)建Field Functions
如下圖所示,右鍵點(diǎn)擊節(jié)點(diǎn)Tools | Field Functions,選擇菜單New > Scalar
將會(huì)在Field Functions節(jié)點(diǎn)下生成新的節(jié)點(diǎn),修改此節(jié)點(diǎn)名為Inlet Velocity。選擇此節(jié)點(diǎn),進(jìn)行如下圖所示設(shè)置。設(shè)置Function Name為inletVelocity,點(diǎn)擊Dimesnions右側(cè)按鈕,在彈出對(duì)話框中設(shè)置Length為1,Time為-1。
關(guān)閉Dimensions對(duì)話框,選擇Definitions,輸入2*(1-pow( $${Position}[1],2)/pow(0.01,2)),如下圖所示。
2.4.2 修改邊界速度
回到邊界定義節(jié)點(diǎn)中的inlet邊界。選擇Velocity Magnitude節(jié)點(diǎn),設(shè)置屬性卡中的Method為Field Function,并設(shè)置Scalar Function為前面創(chuàng)建的inlet velocity。
2.5 結(jié)果查看
先看進(jìn)出口速度分布。
可以看出,進(jìn)出口速度基本保持一致,兩條線都重合得不要不要的。
看云圖也是滿足充分發(fā)展流動(dòng)要求的。
再來看壓降。
看來這次計(jì)算比較靠譜,看一下具體數(shù)值。
約為799.3Pa,與公式計(jì)算的800Pa相吻合。
3 結(jié)論
可以看出,教科書上的管流沿程損失計(jì)算公式是針對(duì)充分發(fā)展流動(dòng)的,而我們平時(shí)為了圖簡(jiǎn)單隨便給定一個(gè)恒定入口速度顯然是不滿足充分發(fā)展流動(dòng)條件,因此在計(jì)算此類問題時(shí),一定要注意邊界條件的給定。
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