彭泉

（武漢工程大學(xué)，湖北 武漢 430205）

基于CFX的壓力管道內(nèi)部流體流動特性研究

彭泉

（武漢工程大學(xué)，湖北 武漢 430205）

以化工機(jī)械中的L型壓力管道為研究對象，結(jié)合計算流體動力學(xué)理論，借助ANSYSCFX14.0流體分析軟件，采用數(shù)值模擬方法對其內(nèi)部的流體流動特性進(jìn)行了探索，得到了管道內(nèi)部和管道出口處的速度場、壓力場分布等重要流體信息。并研究了彎管直徑對管道內(nèi)部速度和壓力分布。獲得了管道內(nèi)徑變化對管道內(nèi)部壓力場和速度場變化規(guī)律。研究結(jié)論對壓力管道的設(shè)計和工程運用提供了一定的參考。

壓力管道；數(shù)值模擬；流動特性；CFX

壓力管道在工程實際中廣泛運用，特別是在化工領(lǐng)域，其運用隨處可見，廣泛運用于天燃?xì)獾妮斔椭?。壓力管道孔徑大小、材料、流體在管道內(nèi)的流動速度和溫度都會對管道內(nèi)部流體的流動特性息息相關(guān)。因此，對壓力管道的壓力變形和裂縫擴(kuò)散等研究一直有工作者在進(jìn)行?，F(xiàn)有學(xué)者是從有限元的角度對壓力管道內(nèi)部的流動特性進(jìn)行過深入研究。本文正是在此基礎(chǔ)上，針對壓力管道的孔徑變化和入口出流體的溫度變化對壓力管道的速度分布、壓力分布等重要特性進(jìn)行了對比分析，從而為不同情況下壓力管道結(jié)構(gòu)、壁面厚度以及材料選擇等提供參考。隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和有限元理論的不斷完善，CFD技術(shù)已經(jīng)成為有限元的一個重要分支，本文在借鑒了已有研究的基礎(chǔ)上，借助于大型流體計算軟件CFX，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)湍流模型和壁面函數(shù)，對壓力管道內(nèi)部的速度和壓力分布進(jìn)行了仿真分析，為壓力管道的設(shè)計和優(yōu)化等提供了一定的參考。

1 有限元模型的建立

1.1 三維建模與網(wǎng)格劃分

本文中L型壓力管道直徑D依次設(shè)置為20mm、40mm、60mm，兩端長度均為L=200mm；流體介質(zhì)選用水，切關(guān)內(nèi)流動視為湍流。網(wǎng)格劃分軟件采用集成在ANSYS中的專業(yè)流體劃分軟件ICEMCFD14.0，體網(wǎng)格用四面體網(wǎng)格劃分，生成方法用軟件默認(rèn)方式，D=20mm時，網(wǎng)格總數(shù)為523861個，節(jié)點總數(shù)123654個。壓力管道流體域的網(wǎng)格模型參考圖1是入口截面上的網(wǎng)格分布狀況參考圖2。

1.2 數(shù)值模擬方法

本文研究水在壓力管道內(nèi)的流動特性，假設(shè)該過程中水是不可壓縮的介質(zhì)，因此在流場計算過程中遵循質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒，當(dāng)前計算流體動力學(xué)中一般將關(guān)于三個守恒的方程合并到一個控制方程中，具體如下：

圖1 壓力管道流體域網(wǎng)格模型

圖2 壓力管道入口截面的網(wǎng)格分布

上式（1）中，各項依次為瞬態(tài)項、對流相、擴(kuò)散項和源項。t為流體運動時間，s；為流體密度，kg/m3；為廣義擴(kuò)散系數(shù)；為通用變量；s為廣義源項；為速度矢量，m/s。流體在壓力管道中的流動視為不可壓縮的定長流動，同時考慮彎管處存在湍流運動，因此采用標(biāo)準(zhǔn)湍流方程和相應(yīng)的壁面函數(shù)描述液體在管道內(nèi)的流動狀態(tài)。

1.3 邊界條件的施加

本文中計算域為整個L型壓力管道的內(nèi)部流體區(qū)域，并采用6m/s的流體入口速度和壓力出口，其中出口壓力相對于大氣壓力為0Pa。管道內(nèi)流動介質(zhì)為常用C19H30燃油，密度為960kg/m3；工作溫度為室溫，25℃；考慮到然后運動過程中會受到管道壁面的影響而呈現(xiàn)不同的流速，因此管道內(nèi)壁面設(shè)置為無滑移壁面；壓力差分格式是標(biāo)準(zhǔn)離散差分格式，最大收斂迭代次數(shù)為20000，時間尺度控制為自動控制，數(shù)值大小設(shè)為1；殘差收斂值為默認(rèn)值。

2 計算結(jié)果分析

2.1 不同孔徑下的管道內(nèi)部壓力分布

當(dāng)室溫環(huán)境下，燃油以25℃的溫度從入口流經(jīng)壓力管道內(nèi)壁面，然后從出口流出。不同內(nèi)徑的壓力管道在室溫條件下內(nèi)部壓力分布狀況如圖3所示，圖中截面通過壓力管道的軸線位置。由圖可知，不同內(nèi)徑的壓力管道內(nèi)部壓力分布趨勢大致相同，最大正壓和最大負(fù)壓均出現(xiàn)在L型管道的拐彎處。切靠近入口和出口的位置壓力值較小。但是不同內(nèi)徑的壓力管內(nèi)部最大正壓和最大負(fù)壓值均不相等。隨著內(nèi)徑由20mm增加到60mm后，最大正壓也依次增加，其值大小為5371Pa、5509Pa、5959Pa，說明在相同入口速度下，隨著管道內(nèi)徑，其內(nèi)部的最大壓力也會隨之增加，且均出現(xiàn)在L型壓力管道的外圓角處。類似地，最大負(fù)壓值也隨內(nèi)徑的增加而增加，但是出現(xiàn)部位是L型壓力管的內(nèi)圓角處。

圖3 室溫下管道內(nèi)部壓力分布

2.2 不同孔徑下的管道內(nèi)部速度云圖

不同內(nèi)徑的壓力管道在室溫條件下內(nèi)部速度分布狀況如圖4所示，與上文一樣，圖中截面通過壓力管道的軸線位置。由圖可知，當(dāng)流體介質(zhì)以相同的的速度從入口流進(jìn)后，不同內(nèi)徑的壓力管道內(nèi)部速度分布卻發(fā)生了較大的差異。隨著管徑增加，最大速度值也隨之增加，當(dāng)管道內(nèi)徑為60mm時，流體速度最大值為7.3m/s。當(dāng)然，雖然在數(shù)值上速度值有所差異，但是在分布趨勢上確實一直的，最大速度均出現(xiàn)在拐角處。其原因是來自入口的流體介質(zhì)在壓力管拐彎處發(fā)生聚集和湍流作用，速度方向也隨之變化，最終導(dǎo)致道速度值有所增加。當(dāng)然，隨著內(nèi)徑增加，壓力管道內(nèi)部的整體速度分布云圖會更加均勻。相反，內(nèi)徑越小，管道內(nèi)部不同區(qū)域的速度分布則會呈現(xiàn)較大的差異性。

圖4 室溫下管道內(nèi)部速度云圖

2.3 不同孔徑下的出口的壓力分布

在壓力管道的設(shè)計和分析中，研究人員不僅僅關(guān)心壓力管道表面的裂紋擴(kuò)散和材料等情況，其實更多關(guān)注的是當(dāng)流體介質(zhì)從入口進(jìn)入后，流經(jīng)整個壓力管道最終到達(dá)出口的壓力和速度分布狀況，因為兩個參數(shù)將更加有助于研究壓力管道內(nèi)壁面的便面粗糙度、管道結(jié)構(gòu)形式等對壓力和速度造成的影響狀況，有利于研究人員開展流體阻力損失等的研究。因此，本文除了關(guān)注管道內(nèi)部的壓力和速度分布外，還提取了壓力管道出口的壓力和速度進(jìn)行分析。

不同內(nèi)徑的壓力管道在室溫條件下出口的壓力分布如圖5所示，與上文一樣，圖5中截面通過壓力管道的軸線位置。由圖5中各個內(nèi)徑下的標(biāo)尺可知，不同內(nèi)徑的壓力管道出口的壓力分布趨勢類似，在靠進(jìn)圓心的位置呈現(xiàn)負(fù)壓，而在靠近壁面的地方壓力值最大。因為流體在流通過程中都是在壓力管道內(nèi)壁面的吸附作用下運動的，所以實際上圓形壓力管道的軸線位置基本上是空氣，所以壓力分布呈現(xiàn)出圖5中的特點。但是隨著管道內(nèi)徑增加，最大正壓和最大負(fù)壓均呈現(xiàn)減小的趨勢。

圖5 室溫下管道出口壓力分布

2.4 不同孔徑下的出口的速度云圖

不同內(nèi)徑的壓力管道在室溫條件下出口的速度云圖如圖6所示?？芍S著管道內(nèi)徑的增加，出口處的速度分布呈現(xiàn)規(guī)律性變化：靠近壁面周圍的速度大小為0m/s，因為在進(jìn)行數(shù)值模擬過程中，管道內(nèi)壁面是設(shè)置為無滑移壁面的。而不在壁面的區(qū)域速度值較大。隨著內(nèi)徑增加，有一片速度較小的區(qū)域?qū)⒅饾u向圓心位置移動。

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