摘 要:針對排風(fēng)管道的內(nèi)流場變化,利用Fluent的Realizable k-epsilon湍流模型進(jìn)行排風(fēng)管道的內(nèi)流場數(shù)值分析。結(jié)果顯示,對排風(fēng)管道進(jìn)行倒角處理,不僅能延長管道使用壽命、提高流體的穩(wěn)定性與均勻性,還能降低噪聲和振動,提高工作環(huán)境的舒適度。受管道方向變化和管道阻力的影響,流體在流動過程中能量損失越大,湍流耗散率越大,壓降也就越大,管道3路入口處壓力明顯高于出口壓力。受流體體積和背壓的影響,管道3路入口處流速明顯低于出口流速。
關(guān)鍵詞:Fluent;排風(fēng)管道;內(nèi)流場;數(shù)值分析
中圖分類號:TH 117" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
在工業(yè)領(lǐng)域中,各類實(shí)驗(yàn)室均配備尾氣處理系統(tǒng),其中通風(fēng)柜具有強(qiáng)大的排風(fēng)系統(tǒng),能有效排除有毒、有害氣體,改進(jìn)空氣質(zhì)量。排風(fēng)管道能有效連接多個通風(fēng)柜,確保尾氣處理系統(tǒng)正常工作。
管道內(nèi)流體的研究是流體力學(xué)的重要研究方向之一。使用傳統(tǒng)試驗(yàn)手段對管道內(nèi)流體進(jìn)行測量時存在較大限制,難以獲得流動的所有細(xì)節(jié)信息。計(jì)算流體動力學(xué)是近代流體力學(xué)、數(shù)值數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物[1]。其中Fluent豐富的物理模型能夠精確地模擬層流、湍流、化學(xué)反應(yīng)和多相流等其他復(fù)雜的流動現(xiàn)象[2]。標(biāo)準(zhǔn)的k-epsilon模型具有一定的經(jīng)驗(yàn)性,而Realizable k-epsilon模型則對其進(jìn)行了改進(jìn)[3]。石梓鈺[4]等提出Standard k-epsilon模型、修正后的RNGk-epsilon模型和Realizable k-epsilon模型對風(fēng)流數(shù)值模擬均有良好的適用性。排風(fēng)管道交匯處流動狀態(tài)復(fù)雜,為更好地掌握其流動特性,需要對排風(fēng)管道內(nèi)流場采用CFD數(shù)值模擬進(jìn)行分析。
本文以工廠試驗(yàn)線搭建過程中工程實(shí)際建設(shè)手段為參照,比較倒角前、后通風(fēng)管道內(nèi)壓力變化,利用Fluent對管道內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值模擬,進(jìn)一步探索排風(fēng)管道內(nèi)部流體速度與壓力的變化原理,以期為通風(fēng)建筑工程選型、設(shè)計(jì)以及工廠產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考。
1 流場數(shù)值模擬
本文應(yīng)用Fluent 2022軟件對排風(fēng)管道內(nèi)流場進(jìn)行仿真模擬分析。
1.1 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證
網(wǎng)格劃分是把三維模型轉(zhuǎn)化為有限元模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)之一,其質(zhì)量優(yōu)劣對后續(xù)有限元計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性具有決定性作用[5]。本文采用Fluent Meshing劃分多面體網(wǎng)格模型。原因是多面體網(wǎng)格比六面體網(wǎng)格和四面體網(wǎng)格具有更多的接觸面,能得到更多的插值信息,具有更快的收斂速度。
對相同的幾何模型劃分不同數(shù)量的網(wǎng)格,會影響結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算的效率。為保證計(jì)算域的網(wǎng)格數(shù)量能得到合理的計(jì)算結(jié)果,網(wǎng)格劃分需要滿足網(wǎng)格無關(guān)性要求[6]。增大網(wǎng)格數(shù)量能得到更合理的計(jì)算結(jié)果,但過多的網(wǎng)格數(shù)量會浪費(fèi)大量的計(jì)算資源,嚴(yán)重降低計(jì)算效率。為了提高計(jì)算效率并滿足精度要求,本文對排風(fēng)管道幾何模型采用5套不同數(shù)量的多面體網(wǎng)格,對入口速度為8m/s條件下的內(nèi)流場計(jì)算進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證數(shù)據(jù)見表1。
由表1可知,網(wǎng)格數(shù)量從99436增至134729時,中間入口壓降沒有明顯變化,壓降變化率為0.07%,進(jìn)一步增加網(wǎng)格數(shù)量對計(jì)算結(jié)果沒有明顯影響,此時網(wǎng)格無關(guān)性滿足要求。但是計(jì)算時間成倍增加,因此本文設(shè)置面網(wǎng)格最小尺寸為0.4mm、最大尺寸為12mm,采用3層邊界層。整個流體域模型劃分可得134729個多面體網(wǎng)格,最小正交質(zhì)量為0.2。計(jì)算效率較高且滿足精度要求。排風(fēng)管道的網(wǎng)格劃分模型如圖1所示。
1.2 控制方程
假設(shè)流體介質(zhì)為空氣。計(jì)算模型之前,流體運(yùn)動的狀態(tài)需要用雷諾數(shù)判斷[7],雷諾數(shù)的定義分別如公式(1)、公式(2)所示。
(1)
(2)
式中:ρ為流體密度,取1.225kg/m3;v為截面的平均速度,取8m/s;u為流體的運(yùn)動黏度,取1.8×10-5Pa·s;L為矩形特征長度,m;S為截面面積,m2;C為截面周長,m。
計(jì)算可得雷諾數(shù)Re約為28858,遠(yuǎn)大于2320,因此流體的流動形態(tài)為湍流。
流體運(yùn)動滿足質(zhì)量守恒方程,直角坐標(biāo)系下的質(zhì)量守恒方程如公式(3)所示。
(3)
式中:t為時間,s;xi為在i方向上的坐標(biāo)分量,m;ui為i方向上的速度,m/s。
流體在運(yùn)動過程中也遵守動量守恒方程,動量守恒方程如公式(4)所示。
(4)
式中:p為壓力,Pa;μt為分子黏性系數(shù),Pa·s;μi為湍流黏性系數(shù),Pa·s;xj為在j方向上的坐標(biāo)分量,m;uj為j方向上的速度,m/s。
Realizable k-epsilon模型在Standard k-epsilon模型的基礎(chǔ)上改進(jìn)湍流黏度公式,引入了曲率和旋轉(zhuǎn)相關(guān)內(nèi)容,同時對耗散率方程進(jìn)行了較大改進(jìn),使其能夠更合理地表示能量傳輸[7]。
1.3 邊界條件
在Fluent中對排風(fēng)管道的內(nèi)流場及其邊界條件做如下設(shè)置:將3路入口分別設(shè)為速度入口1、速度入口2和速度入口3,速度大小均為8m/s;流動特性采用湍流強(qiáng)度和湍流黏性比,其中湍流強(qiáng)度設(shè)置為5%,湍流黏性比設(shè)置為10;出口設(shè)為壓力出口;表壓設(shè)置為0Pa。
1.4 求解計(jì)算
本文采用穩(wěn)態(tài)模型進(jìn)行計(jì)算求解,選用Realizable k-epsilon模型作為黏性模型,采用可擴(kuò)展壁面函數(shù)。求解方法選用Coupled算法(壓力速度耦合方程),收斂精度設(shè)為10-4,初始化采用混合初始化,再進(jìn)行迭代計(jì)算,最終獲得內(nèi)流場數(shù)值模擬結(jié)果。數(shù)值模擬殘差如圖2所示。其中,連續(xù)性方程迭代誤差為10-3,能量方程迭代誤差為10-6,其他各項(xiàng)方程的迭代誤差均為10-4,整體迭代誤差可滿足實(shí)際工程需要,能夠保證計(jì)算結(jié)果的合理性。
2 流場仿真結(jié)果分析
通過Fluent軟件后處理模塊創(chuàng)建排風(fēng)管道中間截面速度云圖、速度矢量圖,如圖3所示。圖3(a)計(jì)算結(jié)果表明,排風(fēng)管道入口2拐角內(nèi)側(cè),入口1、入口3拐角內(nèi)/外側(cè)的速度均小于入口速度,同時壓力出口中心部分速度接近出口速度,但是兩側(cè)速度較小且小于入口速度。圖3(b)計(jì)算結(jié)果表明,在排風(fēng)管道入口2拐角內(nèi)側(cè),入口1、入口3拐角內(nèi)/外側(cè)和出口兩側(cè)速度矢量均與氣流方向相反,出現(xiàn)渦流。原因是在高雷諾數(shù)條件下,流體的慣性力遠(yuǎn)大于黏性力,在管道拐角處,由于流體方向發(fā)生突變,因此流體在拐角處形成流線分叉,一部分流體通過彎管,另一部分會繞過彎管。這種分流現(xiàn)象會導(dǎo)致通過彎管的流體流速變慢,在管壁摩擦的阻力作用下形成渦流。渦流的存在對排風(fēng)管道穩(wěn)定性有一定影響,長期運(yùn)行會有變形量增大,甚至管道破損的隱患。
3 模型處理和數(shù)值分析
3.1 模型處理
為減少排風(fēng)管道入口和出口拐角處的方向變化跨度,達(dá)到消除渦流的目的,本文對排風(fēng)管道拐角處進(jìn)行倒角處理(倒角半徑分別為R72.5mm、R42.5mm、R22.5mm和R17.5mm)后,再次進(jìn)行流場仿真(網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證、數(shù)值模擬計(jì)算與第1節(jié)相同,不再贅述)。倒角處理后中間截面建模如圖4所示。
對改進(jìn)后的3路入口壓降和壁面壓力范圍進(jìn)行統(tǒng)計(jì),比較改進(jìn)前、后的計(jì)算結(jié)果,見表2。
由表2可以看出,改進(jìn)后的3路入口管道壓降和壁面壓力范圍、最大壓力均小于改進(jìn)前,改進(jìn)后的最小壓力大于改進(jìn)前。
流體通過管道時,直角和毛刺尖銳的邊緣會使流體產(chǎn)生劇烈的渦流和渦旋,這些渦流和渦旋會與壁面產(chǎn)生摩擦并產(chǎn)生噪聲和振動,同時直角邊緣受流體的沖擊和摩擦,其邊緣會產(chǎn)生磨損和破壞。倒角處理不僅能減少或消除渦流和渦旋的產(chǎn)生,還能減少流體對邊緣的沖擊和摩擦,延長管道使用壽命。渦流和渦旋的消除一方面可使流體更順暢地通過管道,降低阻力并提高流體的穩(wěn)定性與均勻性,另一方面還能減少噪聲和振動的產(chǎn)生,提高工作環(huán)境的舒適度。
3.2 壓力場分析
通過Fluent軟件后處理模塊創(chuàng)建排風(fēng)管道中間截面、壁面壓力云圖,如圖5所示,中間管道軸線壓力曲線圖如圖6所示。
由圖5壓力云圖可知,管道入口壓力明顯高于出口壓力,整體壓力呈下降趨勢。原因是受管道方向變化的影響,流體在彎管處受管道阻力作用,進(jìn)而產(chǎn)生壓力損失。
由圖6壓力曲線圖可知,隨著垂直坐標(biāo)降低,壓力先緩慢降低,增至最大值后快速變小。流體進(jìn)入管道后,入口處壓力為330.3Pa,隨著流體在管道中流動,出現(xiàn)第一個壓降,壓力降至329.7Pa,壓降率為0.2%;壓力短暫降低后開始升高,出現(xiàn)壓力峰值,為333.7Pa,然后壓力快速降至40.8Pa,壓降率為87.8%,在臨近出口處壓降又趨于緩慢。原因是流體經(jīng)過3路入口管道并在出口管道處交匯后流出,在管道阻力作用下產(chǎn)生小幅壓降,而在交匯處形成劇烈沖擊,流體的動壓一部分轉(zhuǎn)化為靜壓,導(dǎo)致壓力小幅增加,并在管道交匯處形成壓力極值。在交匯處后端,3路管道流體碰撞,產(chǎn)生一定的動壓損失,隨著距離增大,動壓損失越大,表現(xiàn)形式為壓力大幅下降。
根據(jù)文中雷諾數(shù)的計(jì)算(Re約為28858)可知,管道內(nèi)流體流動為湍流。湍流耗散率是描述流體動力學(xué)中能量損失的重要參量。利用Fluent軟件后處理模塊,對排風(fēng)管道入口、出口截面壓力采用面積加權(quán)平均的處理方法,對流體域采用質(zhì)量平均的處理方法,所得管道湍流耗散率和3路入口壓降如圖7所示。
由圖7可知,入口速度為8m/s時,湍流耗散率為169.81m2/s3,3路支管的壓降分別為342.17Pa、330.62Pa和342.06Pa;入口速度為10m/s時,湍流耗散率為317.09m2/s3,3路支管的壓降分別為532.16Pa、516.54Pa和531.98Pa;入口速度為12m/s時,湍流耗散率為523.16m2/s3,3路支管的壓降分別為763.82Pa、743.32Pa和763.64Pa;入口速度為14m/s時,湍流耗散率為795.56m2/s3,3路支管的壓降分別為1037.11Pa、1010.98Pa和1036.84Pa。
不同入口速度下,湍流耗散率越大,3路支管的壓降也越大。原因是流體在流動過程中受壁面摩擦、流體重力和管道形狀變化的影響,形成摩擦壓降、重力壓降和形阻壓降,管道內(nèi)的壓降為以上3種壓降之和。流體速度越大,流動過程中產(chǎn)生的能量損失越大,湍流耗散率越大,壓降也就越大。
3.3 速度場分析
通過Fluent軟件后處理模塊創(chuàng)建排風(fēng)管道中間截面速度矢量圖、壁面速度矢量圖,如圖8所示,中間管道軸線速度曲線圖如圖9所示。
由圖8可知,管道入口速度明顯低于出口速度,整體速度呈上升趨勢。由圖9可知,隨著垂直坐標(biāo)降低,速度先緩慢變小、再快速增大。流體進(jìn)入管道入口處的速度為8.06m/s,隨著流體在管道中流動,流速緩慢降低,降至最小值7.64m/s,然后快速增至24.6m/s,即出口流速。
原因是流體經(jīng)過3路入口管道后在出口管道交匯并流出,在交匯處形成劇烈沖擊,流體的速度和方向均發(fā)生變化,形成明顯的速度梯度。流體在流動過程中受管道阻力和流體質(zhì)點(diǎn)間的相互作用,速度變小,并在管道交匯處形成速度極小值。在管道出口處,隨著流體體積急劇收縮,背壓降低,流體流速增大。
在實(shí)際工程中,一般會通過測量出口與入口處的流量并比較二者大小來驗(yàn)證管道密封性。本文通過Fluent軟件后處理模塊,對排風(fēng)管道入口、出口截面速度和質(zhì)量流量采用面積加權(quán)平均處理來進(jìn)行速度場模型驗(yàn)證。排風(fēng)管道入口、出口速度和質(zhì)量流量見表3。
由表3可知,3路入口流速均為8m/s,管道出口處流速為24m/s,管道出口速度為3路入口速度矢量和;3路入口質(zhì)量流量均為0.023kg/s,管道出口質(zhì)量流量為0.069kg/s,管道出口質(zhì)量流量為3路入口質(zhì)量流量之和,滿足質(zhì)量守恒定律。該模型能夠?qū)こ虒?shí)際進(jìn)行模擬,并進(jìn)行仿真分析。
4 結(jié)論
本文基于計(jì)算流體力學(xué)Fluent軟件進(jìn)行了排風(fēng)管道內(nèi)流場數(shù)值模擬研究,分析了不同幾何機(jī)構(gòu)下排風(fēng)管道內(nèi)流場的速度分布和壓力分布,闡明了不同入口速度條件對管道壓降的影響。主要結(jié)論如下所示。1)對排風(fēng)管道進(jìn)行倒角處理,不僅可延長管道使用壽命、提高流體的穩(wěn)定性與均勻性,還可降低噪聲和振動,提高工作環(huán)境舒適度。2)受管道方向變化和管道阻力的影響,流體在流動過程中能量損失越大,湍流耗散率越大,壓降也就越大。管道3路入口至出口的壓力先緩慢降低,再升至峰值,最后快速下降,3路入口處壓力明顯高于出口壓力。3)受流體體積和背壓的影響,管道3路入口至出口的速度先緩慢降至最小值,再快速增大,3路入口處流速明顯低于出口流速。
參考文獻(xiàn)
[1]宿航,王新慶,田家其,等.新型動態(tài)旋流器流體仿真分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2023,13(30):54-58,63.
[2]孫智一,吳曉蓉.計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬方法的探討及應(yīng)用[J].水利科技與經(jīng)濟(jì),2008(2):126-128.
[3]代彬,陳章淼,周維.基于Realizable k-epsilon模型的水閘下游水流數(shù)值模擬[J].水利與建筑工程學(xué)報,2018,16(4):176-180.
[4]石梓鈺,張翔,章雯雯,等.基于K-epsilon模型的某大跨度渡槽橋梁風(fēng)流數(shù)值模擬[J].城市道橋與防洪,2022(12):100-104,17-18.
[5]何再明,陸小浪,祿盛,等.高壓反沖洗離心泵三維內(nèi)流場及徑向力數(shù)值模擬研究[J].水泵技術(shù),2023(6):39-43,46.
[6]馮靜安,唐小琦,王衛(wèi)兵,等.基于網(wǎng)格無關(guān)性與時間獨(dú)立性的數(shù)值模擬可靠性的驗(yàn)證方法[J].石河子大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2017,35(1):52-56.
[7]姬鵬,宋淇瀧,張俊龍.基于FLUENT的矩形管道流場數(shù)值模擬[J].南方農(nóng)機(jī),2023,54(16):49-51.