何 岳

（中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院,北京 100083)

CosmosFloworks在管道流體分析中的應(yīng)用

何 岳

（中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院,北京 100083)

隨著加工制造技術(shù)的升級(jí)，傳統(tǒng)的流體管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能很好的滿足新的需求。CFD（計(jì)算機(jī)輔助流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算）作為一項(xiàng)嶄新的技術(shù)，在流體管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域正得到廣泛的應(yīng)用，通過對(duì)流體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，利用如歐拉方程、N-S方程等數(shù)學(xué)方程組來(lái)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算模擬。本文擬通過利用CFD軟件CosmosFloworks在管道流體分析中的簡(jiǎn)單案例，來(lái)講解在流體管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用這一技術(shù)帶來(lái)的的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。

管道；流體分析；流體動(dòng)力學(xué)；CosmosFloworks、CFD

1 管道系統(tǒng)開發(fā)中面臨的挑戰(zhàn)

在流體管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)中大量利用經(jīng)驗(yàn)公式和制造的實(shí)物進(jìn)行驗(yàn)證，那么會(huì)存在以下幾個(gè)問題。

（1）整體系統(tǒng)內(nèi)部的管路性能參數(shù)和整體質(zhì)量水平都必須依靠試驗(yàn)才能確定；

（2）流體作用在過流部件上的壓力載荷無(wú)法求出；

（3）一些被流體包圍的部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度難以計(jì)算；

（4）整體結(jié)構(gòu)的安全性與經(jīng)濟(jì)性難以取舍；

面對(duì)以上問題，傳統(tǒng)方法已經(jīng)限制了新型、大型管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，近年來(lái)利用CFD技術(shù)解決上述問題的方法在國(guó)內(nèi)外取得了廣泛應(yīng)用。

2 CFD概述

上世紀(jì)六十年代前，對(duì)流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究的辦法主要有兩種：一是將產(chǎn)品放在實(shí)際工作環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；另一種則是利用簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行解析。前者需要交大的成本投入，而后者對(duì)復(fù)雜的計(jì)算問題則無(wú)能無(wú)力。近年來(lái)，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)作為一種流體分析研究的方法有較快的發(fā)展，該方法通過計(jì)算機(jī)計(jì)算流體流動(dòng)學(xué)方程，研究流體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，簡(jiǎn)稱CFD。

在市面常見的CFD軟件中，CosmosFloworks是一款功能豐富、操作簡(jiǎn)單方便，交互界面較為人性化的CFD軟件。下面以CosmosFloworks模擬計(jì)算簡(jiǎn)易變徑管道為例，簡(jiǎn)單介紹CFD軟件在管道流體分析中的應(yīng)用。

3 用CosmosFloworks計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)問題的過程

3.1 建模

CFD計(jì)算定義為大型數(shù)值求解，為縮短計(jì)算時(shí)間，模型必須經(jīng)過簡(jiǎn)化。由于管道內(nèi)流體的流動(dòng)較復(fù)雜，為了避免出口上產(chǎn)生渦流影響計(jì)算結(jié)果，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)延伸管道長(zhǎng)度，以是、使CosmosFloworks能夠自動(dòng)查找封閉的空間并設(shè)定為計(jì)算區(qū)域。

3.2 運(yùn)行設(shè)置向?qū)?/p>

CosmosFloworks有關(guān)初始條件的設(shè)定操作非常簡(jiǎn)單。設(shè)置向?qū)崾荆^程依次為設(shè)定單位→設(shè)定介質(zhì)→物理特征→分析條件→表面粗糙度→流體參數(shù)→初始邊界條件→設(shè)定計(jì)算精度。

3.3 網(wǎng)格控制

CosmosFloworks的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)劃分基于笛卡爾坐標(biāo)系進(jìn)行。控制劃分網(wǎng)格精度有以下兩種方法，一種是選定自動(dòng)劃分網(wǎng)格選項(xiàng)后由軟件自行完成網(wǎng)格劃分；另一種方法是選定自定義劃分網(wǎng)格選項(xiàng)后，選中需要細(xì)化的對(duì)象對(duì)其局部的網(wǎng)格進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)分。

3.4 設(shè)定邊界條件

3.5 計(jì)算

對(duì)配置名單擊鼠標(biāo)右鍵，點(diǎn)擊“Run”開始計(jì)算，通過軟件可對(duì)計(jì)算過程監(jiān)視。

4 流體阻力系數(shù)的計(jì)算

4.1 基礎(chǔ)理論

隨著流速的增大，流阻系數(shù)ξ與雷諾數(shù)Re逐漸趨近于一條水平線，壓力的損失△p與流速V平方成比例，有：Re＞Re2

式中，Re2為邊界條件雷諾數(shù)，r0為流體半徑，ε為表面粗糙度。

式中，Re為初始條件雷諾數(shù)，V為平均流速，d為管道內(nèi)徑，μ為流體粘度。

式中，ΔP為壓差，流速為V，單位為m/s，△P λ為沿程壓力損失。

4.2 邊界條件

設(shè)變徑后尺寸為原直徑的100%（即不存在變徑），流體阻力系數(shù)求解的邊界條件是在管道出入口兩側(cè)定義一個(gè)壓差，如圖1所示；再根據(jù)計(jì)算結(jié)果判斷流阻系數(shù)。

圖1

4.3 計(jì)算結(jié)果

通過CosmosFloworks模擬導(dǎo)出的一組數(shù)值如表1：

閥前后壓差(Pa) 100000 200000 300000 400000流量（m3/s） 8.08 11.42 13.99 16.15流速(m/s) 21.73 30.74 37.65 43.47雷諾數(shù)Re 14953525 21147423 25900237 29910439邊界雷諾數(shù)Re2 19586954 19586954 19586954 19586954流阻系數(shù) 0.386 0.389 0.391 0.391

由表1可以得出，當(dāng)前后壓差等于2e5Pa時(shí)，流阻系數(shù)大致穩(wěn)定為一個(gè)常數(shù)，取值為0.391。

5 流體流通系數(shù)計(jì)算

5.1 基礎(chǔ)理論

5.2 邊界條件

邊界條件的設(shè)定與流量系數(shù)C值的設(shè)定相同，設(shè)前后差壓為10MPa，設(shè)管道內(nèi)壁的表面粗糙度為Ra6.3。

5.3 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)分析可得流量系數(shù)C與直徑變化的關(guān)系如圖2。

6 結(jié)論和展望

CosmosFloworks軟件可以實(shí)現(xiàn)從生成網(wǎng)格到輸出結(jié)果的一站式分析計(jì)算，可以同時(shí)設(shè)置多個(gè)配置分別運(yùn)算，方便設(shè)計(jì)人員進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，能夠同時(shí)對(duì)多個(gè)相似方案進(jìn)行參數(shù)對(duì)比，在計(jì)算系統(tǒng)管道內(nèi)部的流體特性參數(shù)可以節(jié)省大量的時(shí)間和人力成本。此外該分析結(jié)果還能夠被結(jié)構(gòu)分析軟件直接導(dǎo)入，利用自身的參數(shù)優(yōu)化功能，輔助設(shè)計(jì)人員對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)與尺寸參數(shù)的優(yōu)化。CosmosFloworks軟件能夠滿足對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)部的管道流體的分析需求，是一種功能豐富、操作簡(jiǎn)單的CFD軟件。

[1] SolidWorks公司.CosmosFloworks Fundamentals[M].2006.

[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]葉修梓，陳超祥.SolidWorks 2005基礎(chǔ)教程：零件與裝配體[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.