基于Fluent的圓錐形管道過渡位置的圓角分析

摘要：

通過FIuent計算流體分析及仿真軟件，從微觀的角度直觀、詳細(xì)地描述了不同過渡圓弧半徑的錐形管道場中的壓力與速度的分布情況。在控制入口流速不變的情況下，得到了過渡圓弧半徑對管壁壓力的影響。所得到的計算結(jié)果為錐形管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一定的參考。

液體在管道內(nèi)流動，主要呈現(xiàn)出層流和紊流兩種狀態(tài)，管道形狀直接影響著這兩種狀態(tài)的變化。變化的流動狀態(tài)產(chǎn)生的液阻帶來了壓力損失，這就表明壓力損失與管道形狀和變化管徑有很直接的關(guān)系，壓力損失會直接造成系統(tǒng)發(fā)熱。當(dāng)流體通過錐形管道時，由于前接管和后續(xù)管的管徑大小不同，管道內(nèi)呈現(xiàn)出紊流狀態(tài)并在變徑處出現(xiàn)渦旋現(xiàn)象。在這種情況下過渡段的圓弧半徑的大小會對管壁所受到的靜壓力產(chǎn)生不同的影響。本研究利用Fluent軟件進(jìn)行仿真模擬計算，采用了高效和較高精度的流場計算方法，在擴(kuò)散角一定的條件下，對錐形管道的過渡位置的圓弧半徑與壁面靜壓力之間的關(guān)系進(jìn)行了剖析。其結(jié)果對錐形管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高錐形管道的流動效率具有重大的指導(dǎo)意義。

1.計算模型

1.1幾何模型建立和網(wǎng)格劃分

利用Fluent前處理網(wǎng)格生成軟件Gambit進(jìn)行幾何模型的建立。前接管（入口端）處直徑d為50mm，整個前接管的長度為2000mm，過渡段長度為300mm，擴(kuò)散角為8度，后續(xù)管長度為2000mm，過渡位置處的圓弧半徑是R為可變參數(shù)。

網(wǎng)格劃分是有限元分析的關(guān)鍵步驟，高質(zhì)量的網(wǎng)格是實現(xiàn)數(shù)值模擬成功的首要條件。應(yīng)避免過密或過疏的網(wǎng)格。網(wǎng)格過疏往往會得到不精確甚至錯誤的解，甚至在一定情況下使計算結(jié)果不收斂；而網(wǎng)格過密則會使計算量大幅度增加，不僅對計算機(jī)的硬件要求較高，而且增加了計算時間。常采用的計算方法為有限差分法（FDM法）或有限體積法（FVM法），而在紊流流場數(shù)值預(yù)測時，求解域復(fù)雜的幾何邊界給數(shù)值預(yù)測帶來困難。本研究中，由于流場邊界的復(fù)雜性和壁面附近存在流動參數(shù)梯度較大的區(qū)域，為了再現(xiàn)各流動參數(shù)的分布，需要生成的網(wǎng)格在邊界附近密集，在其他區(qū)域適體均勻，采用橢圓型方程網(wǎng)格生成方法。

1.2邊界條件的設(shè)定

本研究的應(yīng)用實例采用的流體介質(zhì)為水，密度Q=998.2 kg/m3，在常溫下管路內(nèi)系統(tǒng)采用無壓縮紊流場，忽略粘性的影響，入口端速度為10m/s方向垂直于管道入口端截面，出口端采用OUTFLOW邊界類型。并且在整個的計算過程當(dāng)中不考慮溫度對管路系統(tǒng)的影響。

1.3圓錐形管道的數(shù)學(xué)模型

對圓錐形管道而言，采用工程上常用的平均直徑或者平均橫截面積來進(jìn)行水力瞬變的計算，將會產(chǎn)生較大的誤差，并且隨著管道擴(kuò)張或者收縮程度的增加，誤差也會隨之增大。考慮到錐形管道過渡段的截面面積是隨長度而進(jìn)行變化的，所以管路紊流可以用圓柱坐標(biāo)系下DHR型k-e紊流控制方程組進(jìn)行表示。

其中，忽略了重力對管路系統(tǒng)的影響，并認(rèn)為模型為軸對稱且各向同性無粘性旋轉(zhuǎn)運動。采用壓力耦合方程組的半隱式方法（SIMPLE算法）進(jìn)行了流場的迭代求解。

2.計算結(jié)果

在保持?jǐn)U散角不變的情況下，利用Fluent軟件計算在無過渡圓弧，過渡圓弧半徑分別為50mm、100mm、150mm、200mm幾種情況下，過渡位置流體對壁面產(chǎn)生的靜壓力。圖1顯示了不同過渡圓弧半徑處壁面產(chǎn)生的靜壓力的關(guān)系。

3.結(jié)論分析

從上面的計算結(jié)果可得到以下結(jié)論

3.1在前接管與錐形段連接的區(qū)域，由于管徑突變流體一部分的壓力損失并形成了渦流，這種現(xiàn)象可對管路系統(tǒng)和元器件造成損害，并產(chǎn)生振動等不良狀況。

3.2通過計算，采用合理的過渡圓弧半徑，（例如本例中150mm）可減小渦流現(xiàn)象，使管路系統(tǒng)產(chǎn)生較平緩的狀態(tài)變化，降低不利因素對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。