張 宇，欒江峰, 張斯亮

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基于FLUENT的壓力管道內(nèi)部流場分析

張 宇，欒江峰, 張斯亮

(遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順 113001)

針對(duì)壓力管道，利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件FLUENT，對(duì)其內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了管道內(nèi)部合理的壓力場分布。通過對(duì)比三種不同直徑的壓力管道，得到了管道直徑對(duì)其內(nèi)部壓力場影響的變化規(guī)律；同時(shí)本文探索了溫度對(duì)管道內(nèi)部流場變化規(guī)律的影響，為今后壓力管道的設(shè)計(jì)和使用提供了一定的借鑒作用。

壓力管道；數(shù)值模擬；FLUENT

1 計(jì)算模型

1.1 幾何建模與網(wǎng)格劃分

本文中壓力管道直徑=，其中=720 mm，1 080 mm，1 440 mm，長度=12 800 mm；流體介質(zhì)選用燃料油，管內(nèi)流動(dòng)為湍流。在使用GAMBIT軟件劃分網(wǎng)格時(shí)，采用Cooper網(wǎng)格劃分方式，當(dāng)=1 080 mm時(shí)，網(wǎng)格總數(shù)為684 894個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)179 170個(gè)。管道計(jì)算域三維網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 壓力管道計(jì)算域網(wǎng)格劃分示意圖

1.2 計(jì)算方法

任何物質(zhì)的流動(dòng)都必須滿足連續(xù)性方程。本文主要研究燃料油在管道內(nèi)部的流動(dòng)特性，假設(shè)，它可以看作是不可壓縮流動(dòng)，故其在空間直角坐標(biāo)系下的連續(xù)性方程為：

其中：、、—速度矢量在、、方向的分量。

其中:—流體密度；

—流體動(dòng)力粘度；

1ε、2ε、3ε—經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取值分別為1.44、1.92、0.99；

和的普朗特?cái)?shù)σ和σ—1.0和1.3[10]。

1.3 邊界條件

本文中計(jì)算域入口采用速度入口，初始速度為1.5m/s，出口采用壓力出口，為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；管道內(nèi)液體為燃料油（C19H30）,密度為960 kg/m3；初始溫度分別為10，25，40 ℃；管道內(nèi)壁面設(shè)為無滑移條件，=0，=0，=0[11]，壓力差分格式采用標(biāo)準(zhǔn)離散差分格式，動(dòng)量方程、湍動(dòng)能方程和湍動(dòng)能耗散率均采用一階迎風(fēng)差分格式，通過SIMPLE算法耦合求解速度與壓力方程。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 壓力管道內(nèi)部壓力場分布隨管道直徑變化規(guī)律分析

圖2為不同管道直徑在25 ℃時(shí)內(nèi)部壓力場分布，為了便于對(duì)比研究，作距離管道入口端分別為=2 560，5 120，7 680，10 240 mm的4個(gè)截面，從圖中可以看出，隨著管道直徑的增大，其內(nèi)部各截面的壓力值有減小的趨勢(shì)，并且減小的趨勢(shì)逐漸變小，這有對(duì)于減小管道壁的受壓，但是還要考慮速度場和溫度對(duì)其的影響因素。

圖2 25 ℃時(shí)壓力管道內(nèi)部壓力場分布

2.2 壓力管道內(nèi)部速度場分布隨管道直徑變化規(guī)律分析

圖3為不同管道直徑在25 ℃時(shí)內(nèi)部速度場分布，從圖中可以看出，管道內(nèi)部流體的速度隨著管道直徑的增大有減小的趨勢(shì)，但是減小的趨勢(shì)很小，并且在=1 080 mm以后管道內(nèi)部速度幾乎不變，趨于穩(wěn)定。

圖3 25 ℃時(shí)壓力管道內(nèi)部速度場分布

綜合考慮管道內(nèi)部壓力場與速度場的分析得知，隨著直徑的增加管道內(nèi)部壓力場減小，有利于減小管道壁的受壓，而管道內(nèi)部速度場同樣也減小，不利于液體流動(dòng)；當(dāng)管道直徑大于1 440 mm時(shí)，其內(nèi)部壓力幾乎不會(huì)進(jìn)一步減小了，所以，對(duì)于大口徑壓力管道直徑的研究表明，管道直徑為1 440 mm時(shí)最有利于液體流動(dòng)，且管道壁受壓力最小。

2.3 壓力管道內(nèi)部流場受溫度變化影響的分析

圖4是管道直徑為1 080 mm時(shí)，初始溫度分別為10，25，40 ℃時(shí)，其內(nèi)部壓力場于速度場分布。

圖4 在不同初始溫度時(shí)管道內(nèi)部壓力場與速度場分布

從圖中可以看出，隨著初始溫度的升高，管道內(nèi)部壓力和速度都有減小的趨勢(shì)，并且在溫度從25 ℃到40 ℃的過程中，壓力與速度都幾乎不變，達(dá)到了極小值。由此可知，溫度只有在小于25 ℃時(shí)，對(duì)該直徑的壓力管道內(nèi)部流場影響明顯，在溫度大于25 ℃時(shí)，幾乎沒有影響。

3 結(jié)語

（1）利用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT，對(duì)壓力管道內(nèi)部流場的變換規(guī)律進(jìn)行了探索，隨著管道直徑的增加，其內(nèi)部壓力有明顯的減小趨勢(shì)，當(dāng)直徑大于1 080 mm時(shí)，其內(nèi)部壓力不會(huì)進(jìn)一步減小，有利于減小管道壁的受壓；而管道內(nèi)部速度減小的不明顯，并且在管道直徑為1 080 mm以后，其內(nèi)部速度不受直徑的影響，因此得出結(jié)論，對(duì)于大口徑壓力管道，其直徑為1 440 mm時(shí)最有利于液體流動(dòng)，且管道壁受壓力最小。

（2）管道內(nèi)部流場也會(huì)受到溫度的影響，隨著溫度的升高，管道內(nèi)部壓力和速度都有減小的趨勢(shì)，但這種趨勢(shì)不明顯，在溫度大于25 ℃時(shí)，管道內(nèi)部流場幾乎沒有受到影響。

（3）本文只對(duì)管道內(nèi)部流場進(jìn)行了分析，在今后的研究工作中，還要結(jié)合ANASY，ABAQUS等軟件對(duì)壓力管道進(jìn)行應(yīng)力分析，以此對(duì)其進(jìn)一步的研究。

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Analysis on Flow Field in Pressure Pipeline Based on FLUENT

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( Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China)

The flow field in pressure pipeline was numerically simulated by computational fluid dynamics software FLUENT, a reasonable pressure field distribution was obtained. By comparing pressure field distributions of three different diameter pressure pipelines, effect of pipeline diameter on the pressure field was obtained; At the same time, influence of temperature on the flow field in the pipeline was investigated, which could provide the reference for use and design of pressure pipelines in the future.

Pressure pipeline；Numerical simulation；FLUENT

TE 832

A

1671-0460（2014）06-1106-03

2013-12-11

張宇（1986-），男，遼寧鐵嶺人，碩士研究生，研究方向：從事化工過程機(jī)械技術(shù)工作。E-mail：yzhang0419@163.com。

欒江峰（1974-），男，遼寧沈陽人，副教授，博士，研究方向：從事化工過程機(jī)械技術(shù)工作。E-mail：ljfdd2001@126.com。