基于Fluent的T型三通內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬

2017-01-11 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

鐘振亞

山東豪邁化工技術(shù)

引言

三通管在工業(yè)、農(nóng)業(yè)諸如油田內(nèi)部集輸管網(wǎng)等很多方面使用非常廣泛, 主要用于改變流體方向,可用于輸水管路,輸油管路及各種液體化工材料輸送管路。因此對(duì)三通結(jié)構(gòu)流動(dòng)形式的研究可以為管道的設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)。采用Fluent對(duì)三通結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬可以降低費(fèi)用,節(jié)約成本,具有比價(jià)好的經(jīng)濟(jì)效益,同時(shí)也可以減小試驗(yàn)儀器的不穩(wěn)定度于試驗(yàn)結(jié)果的影響。

1 數(shù)學(xué)模型的建立

對(duì)于不可壓縮粘性流體,其運(yùn)動(dòng)可用N-S方程標(biāo)示,控制方程為:

能量守恒方程如下:

湍流動(dòng)能運(yùn)輸方程為:

湍流動(dòng)能耗散輸運(yùn)方程為:

2 問題描述及網(wǎng)格劃分

2.1

問題描述

密度為860Kg/m3 ,粘度為1.02Kg/m?s,比熱容為2100J/Kg?K 的原油以不同的速度和溫度分別從inlet1和inlet2進(jìn)入三通管,混合后從outlet流出。Inlet1流入的的原油的溫度為300k,速度為3m/s。inlet2流入的原油的溫度為450k,速度為 4m/s,兩股原油在三通管內(nèi)發(fā)生劇烈的能量交換和能量損失, 混合后由outlet流出

2.2

模型的建立及網(wǎng)格劃分

計(jì)算模型如圖1所示。圖2為模型的網(wǎng)格劃分圖。在Solidworks中利用其三維建模功能,建立如圖 1所示尺寸的模型,并利用Ansys Fluent 的mesh 功能進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格劃分方法選擇Hex Dominant , 網(wǎng)格大小設(shè)置為3,太小的網(wǎng)格在劃分過程中會(huì)因?yàn)橛?jì)算機(jī)內(nèi)存不足而退出。網(wǎng)格劃分的過于稀疏又無法達(dá)到指定的計(jì)算精度。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)本文取網(wǎng)格大小為3。具體劃分結(jié)果如圖3所示。

圖3 (網(wǎng)格劃分)

2.3

邊界條件的設(shè)置

邊界條件的設(shè)置如表1所示:

3 模型的求解及結(jié)果分析

在fluent中對(duì)求解器進(jìn)行設(shè)置,采用三維穩(wěn)態(tài)隱式求解方法。粘度的處理采用Standard k-epsilon turbulence model。設(shè)置收斂進(jìn)度為0.0001,進(jìn)行600次迭代后,計(jì)算結(jié)果如圖

計(jì)算結(jié)果如圖4~圖8所示。從圖4中可以看出,兩股流體在三通內(nèi)混合后壓力較混合前有較大幅度的降低,并且在豎管出口的右側(cè)形成一個(gè)低壓區(qū)。從圖4,圖5可以看出管由于粘性的影響,在管道壁面上的流體質(zhì)點(diǎn)速度為零。由于管內(nèi)的流動(dòng)是紊流,所以管中的速度分布不是通常的“拋物線形狀”,其速度分布(除管壁)比較均勻平坦。但在三通管的匯合處及其后的管道中與混合之前大致相同,由于處于湍流狀態(tài)混合后流速分布仍然未呈現(xiàn)“拋物線形狀”的速度分布,在混合后出現(xiàn)了一個(gè)低速區(qū),基本上與低壓區(qū)重合。這個(gè)區(qū)域內(nèi)的流速與管內(nèi)主流體流動(dòng)方向不同。由此可以看出在混合后側(cè)靠近避免的位置出現(xiàn)了漩渦流動(dòng)。從圖8可以看出,在小管流體噴出后在三通交匯處的下部形成兩個(gè)低壓區(qū),這是由于小管流體的射流作用造成的。此外,不同的邊界層網(wǎng)格劃分對(duì)計(jì)算結(jié)果也會(huì)有影響,網(wǎng)格的寬度及層數(shù)都應(yīng)適合,太疏則不能反映流動(dòng)狀態(tài)的變化,太密則會(huì)增大計(jì)算量。

4 結(jié)語(yǔ)

在計(jì)算過程中采用Segregated隱式解,標(biāo)準(zhǔn)K-Ε雙方程模型來處理湍流計(jì)算,經(jīng)結(jié)果驗(yàn)證,此模型相對(duì)于其他湍流模型能獲得更合理,更精確的計(jì)算結(jié)果。本文通過對(duì)三通管道三維湍流流動(dòng)計(jì)算,正確計(jì)算出三通管內(nèi)流體混合后流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布情況。對(duì)于研究油品在通過三通時(shí)的流動(dòng)狀況和管道的設(shè)計(jì)積累了經(jīng)驗(yàn),提供了依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]邱秀云.水力學(xué)[M], 烏魯木齊:新疆點(diǎn)子出版社, 2008.

[2]王福軍. 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析. CFD 軟件原理與應(yīng)用[M], 北京:清華大學(xué)出版社 2004.

[3]韓占中,王靜. Fluent- 流體工程仿真計(jì)算實(shí)力與應(yīng)用[M],北京:北京理工大學(xué)出版社2010.

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學(xué)成才