圓管內(nèi)部流體流動性能的有限元分析*

王戰(zhàn)輝，張智芳，陳錦中，常麗娜，閆君芝

(1.榆林學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 榆林 719000；2．陜西省低變質(zhì)煤潔凈利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 榆林 719000)

管道是輸送不同流體介質(zhì)如氣體、液體的重要工具，一般由筒身、管件、閥門和其他部件組合而成，在壓差的驅(qū)動力下，使流體介質(zhì)從高壓區(qū)域流向低壓區(qū)域[1]。氣體和液體作為主要的流體輸送介質(zhì)，在眾多流體性質(zhì)當(dāng)中，黏度是最重要的一種物理性質(zhì)，對于管道介質(zhì)的流動性能具有舉足輕重的作用[2-4]。管道由于其制造簡單、運(yùn)輸能力強(qiáng)等特性，大量應(yīng)用于暖通、排污、油氣輸送、化工單元操作等過程，常用的管道形式有很多種，包括圓管、突擴(kuò)管、縮放管等，都以圓管為基礎(chǔ)演化而來，所以對圓管的研究格外重要[5]。

圓管由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為工業(yè)行業(yè)當(dāng)中應(yīng)用最廣泛的傳質(zhì)傳熱元件[6]。圓管傳質(zhì)效果和傳熱效果是評價(jià)圓管綜合效果的2個重要指標(biāo)，對于傳熱效果，管道內(nèi)部流體通常與管壁存在溫差，因此，流體在管道的輸送過程中，需要進(jìn)行換熱，而且流體內(nèi)部主體也會進(jìn)行換熱，正是由于這2種形式的換熱過程，流體在管道進(jìn)出口截面會產(chǎn)生溫差，而溫差的大小可以反應(yīng)其傳熱效果；對于傳質(zhì)效果，流體本身具有黏度，隨著溫度升高或者降低，黏度發(fā)生變化，黏度的存在使流體存在速度梯度，由中心線到壁面處速度逐漸減小，產(chǎn)生邊界層，從而影響其傳質(zhì)性能。圓管截面沒有發(fā)生突變，流體流動面積不變，流體流動穩(wěn)定，流動形態(tài)容易達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，傳熱死區(qū)面積比較少[7-10]。國內(nèi)外學(xué)者主要對圓管幾何參數(shù)變化、流體性質(zhì)變化對圓管內(nèi)部流動性能的影響進(jìn)行了很多研究，而且還把突擴(kuò)管或者其他形式管道的流動性能與圓管進(jìn)行對比以考察其性能，但是圓管的進(jìn)口壓力、速度、溫度參數(shù)對流動性能的影響研究得還比較少。因此，利用Fluent有限元分析軟件，首先研究圓管內(nèi)部壓力和速度分布規(guī)律，其次通過改變進(jìn)口壓力、速度、溫度參數(shù)，考察其對圓管出口相應(yīng)參數(shù)的影響，所得結(jié)論對圓管內(nèi)部流體流動性能的研究有一定參考意義。

1 有限元分析

圓管內(nèi)徑為0.2 m，壁厚為4 mm，材料為20#鋼，彈性模量E為206 GPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度σs為245 MPa，抗拉強(qiáng)度σb為410 MPa。進(jìn)口流速為0.5 m/s，進(jìn)口壓力為0.1 MPa，管內(nèi)介質(zhì)為水，進(jìn)口溫度為298 K，密度為1 000 kg/m3，比熱容為4 200 J/(kg·K)。選用分離隱式求解器的求解算法進(jìn)行計(jì)算，基于交錯網(wǎng)格處理的壓力速度耦合方程，離散格式的一階迎風(fēng)差分控制方程，標(biāo)準(zhǔn)湍流模型，近壁面函數(shù)，無滑移絕熱壁面，速度進(jìn)口和壓力出口的邊界條件[11-13]。圓管幾何模型見圖1。

圖1 圓管幾何模型

2 有限元模擬結(jié)果

以圓管為研究對象，利用Fluent有限元分析軟件，首先研究圓管內(nèi)部壓力和速度分布規(guī)律，其次通過改變進(jìn)口壓力、速度、溫度參數(shù)，考察對圓管出口相應(yīng)參數(shù)的影響，改變管道本身的流動參數(shù)分析對流體流動性能的影響。

2.1 速度云圖

圓管內(nèi)部速度云圖見圖2。

圖2 圓管速度云圖

由圖2可知，圓管速度云圖大致可以分為2個區(qū)域，第一個區(qū)域?yàn)榱黧w主體區(qū)域即靠近圓管中心線區(qū)域，圓管內(nèi)部速度分布從管道進(jìn)口到出口呈均勻分布，基本不發(fā)生變化，為進(jìn)口流速，這也更進(jìn)一步驗(yàn)證了圓管內(nèi)部主體區(qū)域流動速度保持穩(wěn)定，沒有發(fā)生速度突變，因此，雷諾數(shù)保持穩(wěn)定。第二個區(qū)域?yàn)榭拷艿辣诿嫣?，速度大幅減小，這是由于流體有一定的黏性，會產(chǎn)生邊界層，增大管道對靠近管道內(nèi)壁流體的摩擦力，在摩擦力的作用下，靠近內(nèi)壁面流體速度產(chǎn)生速度梯度，因此流體速度減小[14]。

2.2 壓力云圖

圓管內(nèi)部壓力云圖見圖3。

圖3 圓管壓力云圖

由圖3可知，從管道進(jìn)口到出口，圓管內(nèi)壓力呈減小的趨勢，在圓管進(jìn)口處，壓力最大，在圓管出口處，壓力最小，這是由于雖然管道主體速度基本不變，但是在邊界層摩擦力的影響下，從進(jìn)口到出口，摩擦力影響的范圍越來越大，因此，壓力呈減小的趨勢。與速度云圖不一樣，壓力云圖沿對稱軸呈對稱分布，在壁面處沒有減小的現(xiàn)象，這是由于流體受到管壁的摩擦作用，在內(nèi)部速度基本維持不變的情況下，根據(jù)伯努利方程，壓力呈減小的趨勢，壓降越大，能耗越高，成本增加[15-19]。

2.3 流動參數(shù)的影響

2.3.1 進(jìn)口速度變化的影響

采用速度進(jìn)口類型時，控制進(jìn)口溫度為30 ℃，操作壓力為0.1 MPa，進(jìn)口速度從0.5 m/s變化至4.5 m/s。進(jìn)出口壓降變化見圖4，實(shí)際出口速度變化見圖5，實(shí)際出口溫度變化見圖6。

由圖4～圖6可知，隨進(jìn)口速度的增加，進(jìn)出口壓降和出口溫度呈增大趨勢，進(jìn)出口溫度差、進(jìn)出口速度差基本為0，保持不變，更進(jìn)一步說明了進(jìn)口速度對進(jìn)出口壓降的影響最大。

進(jìn)口速度/(m·s-1)圖4 不同進(jìn)口速度下進(jìn)出口壓降變化曲線

進(jìn)口速度/(m·s-1)圖5 不同進(jìn)口速度下出口流速變化曲線

進(jìn)口速度/(m·s-1)圖6 不同進(jìn)口速度下出口溫度變化曲線

2.3.2 進(jìn)口壓力變化的影響

采用壓力進(jìn)口類型時，控制操作壓力為0.1 MPa，進(jìn)口溫度與進(jìn)口速度保持不變，改變進(jìn)口壓力。進(jìn)出口流速變化見圖7，實(shí)際進(jìn)口出口溫度變化見圖8。

由圖7、圖8可知，進(jìn)口出口流速隨進(jìn)口壓力的增加而增大，壓力越大，出口流速變化越大。隨進(jìn)口壓力的增大，出口溫度基本維持不變，出口溫度數(shù)值比進(jìn)口溫度數(shù)值大。

進(jìn)口壓力/MPa圖7 不同進(jìn)口壓力下進(jìn)出口流速變化曲線

進(jìn)口壓力/MPa圖8 不同進(jìn)口壓力下進(jìn)出口溫度變化曲線

2.3.3 進(jìn)口溫度變化的影響

采用速度進(jìn)口類型時，控制進(jìn)口流速為0.5 m/s，操作壓力0.1 MPa。進(jìn)口溫度從293 K升至333 K。實(shí)際進(jìn)出口壓降變化見圖9，出口速度變化見圖10，實(shí)際出口溫度變化見圖11。

由圖9～圖11可知，隨著進(jìn)口溫度的增大，出口流速與進(jìn)出口壓降基本維持不變，出口流速與進(jìn)口流速之間也無明顯變化，出口溫度數(shù)值隨著進(jìn)口溫度的增大而增大，且出進(jìn)口溫度差為0。

進(jìn)口溫度/K圖9 不同進(jìn)口溫度下進(jìn)出口壓降變化曲線

進(jìn)口溫度/K圖10 不同進(jìn)口溫度下出口流速變化曲線

進(jìn)口溫度/K圖11 不同進(jìn)口溫度下出口溫度變化曲線

2.3.4 傳熱系數(shù)和壓降的影響

傳熱系數(shù)K和壓降Δp是衡量圓管內(nèi)部流動性能的重要指標(biāo)，傳熱系數(shù)高，傳遞相同大小的熱量所需傳熱面積比較少，所需換熱管數(shù)量相應(yīng)減小，成本降低；壓降高，能耗高，所需成本增大。因此一般用K/Δp表示圓管的綜合傳熱性能。其他幾何參數(shù)保持不變，通過改變進(jìn)口速度，考察對K、Δp、K/Δp的影響，結(jié)果見表1。

表1 圓管綜合性能數(shù)值

由表1可知，傳熱系數(shù)和壓降均隨流速的增加而增大，K/Δp隨流速的增加而減小，說明速度不宜過大。

3 結(jié) 論

以圓管為研究對象，利用Fluent有限元分析軟件，首先研究圓管內(nèi)部壓力和速度分布規(guī)律，其次通過改變進(jìn)口壓力、速度、溫度參數(shù)，考察其對圓管出口相應(yīng)參數(shù)的影響，改變管道本身的流動參數(shù)分析對流體流動性能的影響。

(1)圓管速度云圖大致可以分為2個區(qū)域，靠近圓管中心線區(qū)域和靠近管道壁面處區(qū)域。從管道進(jìn)口到出口，圓管內(nèi)壓力呈減小的趨勢，壓力云圖沿對稱軸呈對稱分布，在壁面處沒有減小的現(xiàn)象；

(2)隨著進(jìn)口速度的增大，出口速度、進(jìn)出口壓降和出口溫度呈增大的趨勢；隨著進(jìn)口壓力的增大，進(jìn)口出口流速均呈增長趨勢；隨著進(jìn)口溫度的增大，出口流速與進(jìn)出口壓降基本維持不變，出口溫度隨著進(jìn)口溫度的增大而增大；

(3)傳熱系數(shù)和壓降均隨流速的增加而增大，K/Δp隨流速的增加而減小。