基于 AcuSolve 的 90°弯管内二次流的数值模拟

2015-7-22 10:22| 发布者: 安丰贞| 查看: 1697| 评论: 0|来自: 研发埠

摘要: 本文运用 Altair 公司的 CFD 软件 AcuSolve 对弯管内的流动现象进行数值模拟。研究分析了管内速度和压力分布,对二次流现象及其产生机理进行了定性定量分析，得出雷诺数越大,管内流体旋度越大的结论。

Numerical Simulation for Second Flow in the 90°Bend Tube Based on AcuSolve

周俊杰绳冉冉
（郑州大学化工与能源学院河南郑州 450001）

       摘要:本文运用 Altair 公司的 CFD 软件 AcuSolve 对弯管内的流动现象进行数值模拟。研究分析了管内速度和压力分布,对二次流现象及其产生机理进行了定性定量分析，得出雷诺数越大,管内流体旋度越大的结论。
       关键词: 90o 弯管 AcuSolve 数值模拟二次流
     Abstract: Numerical simulation for second flow in the 900 bend tube is conducted on by the CFD software AcuSolve. Velocity field and pressure distribution in the bend tube is analyzed in the paper. The second flow and its produced mechanism is studied, the conclusion that the fluid rotation increases with the increasing of Re is drawn.
Key words :90° bend tube, Acusolve, numerical simulation, second flow

       1引言
       管路系统在石油化工、轻工、管道工程、航空航天等诸多领域有着非常广泛的应用[1]。由于受弯管弯曲程度、马赫数、流体运动方向等因素的影响,90°弯管的流动特性十分复杂[2-3]。江山等[4]对圆管内部流场进行了三维数值模拟,对二次流的产生原因和管道内壁压力分布的规律。湛含辉[5]采用 CFD 技术对不同流态下圆形截面 90°弯管内的迪恩涡进行数值模拟,研究了速度场和压力场的分布。朱辉等[6]在不同的迪恩数下对弯管中迪恩涡的运动规律进行数值模拟,研究了径向速度、轴向速度和速度环量的变化。

       本研究利用 Altair 公司的 CFD 软件 AcuSolve 软件模拟了 90°圆形截面弯管内的流动,对管道压力和速度分布进行了分析,重点研究了弯管内的二次流现象及其产生机理,定量比较了弯管内的旋度大小。

       2数学模型
       管道内流体为常温下不可压缩的水,通过对连续方程和瞬时 Navie-stokes 方程时均化,得到直角

Ui 为平均速度，P 为平均压强，Si 为源项，- rui 'u j ' 为雷诺应力。

RNGk - e 模型在工程中应用最为广泛,特别是计算强旋流或带有弯曲壁面的流动。

该模型应用重整化群方法提出，通过在大尺度运动和修正后的粘度项体现小尺度的影响，从而使这些小尺度运动有系统地从控制方程中去除。RNG k - e 湍流模型的湍动能传输方程为:

       RNGk - e 模型通过修正湍动黏度,考虑了平均流动中的旋转流动情况;在 ε程中增加了一项,反映主流的时均应变率。RNGk - e 模型中产生项与流动情况有关,而且在同一问题中是空间坐标的函数。从而 RNG 模型可以更好处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动。
      3 数值模拟
       3.1 物理模型及网格划分
       物理模型为 90°弯曲管道，分成上游直管段、弯曲段和下游直管段二部分。如图 2.1（a）所示。管道内径 D 为 0.1m,上游直管段长度为 10D,下游直管段长度为 50D,弯曲段曲率半径 Rc=3D。坐标系原点位于弯管的回转中心,靠近原点为弯管内侧,远离原点为外侧,并定义弯曲段的主流入口截面处极角为 0°,弯曲段出口截面处极角为 90°。利用 Solidworks 软件生成计算区域几何体,利用 AcuConsole 软件划分体网格和边界层网格。网格节点数 85932，单元数 397097 如图 2.1(b)(c)。

（a）物理模型

图 2.1 几何模型及网格分布示意图

      3.2 边界条件
      计算边界条件如下:
     （1）入口条件为速度入口,分布均匀。入口处的湍流条件 k、 根据经验公式得到。
     （2）出口条件为压力出口，静压值设为 0。
     （3）壁面上采用无滑移边界条件,湍流壁面采用标准壁面函数法处理。
     （4）管内流体取不同的入口速度 0.01m/s,0.02m/s,0.05m/s,0.lm/s,0.2m/s,0.5m/s,1.0m/s，5.0m/s,10.0m/s.

      4 结果与分析
     4.1 管道压力和速度分布
      本文首先在 0.1m/s 的进口速度下对弯管进行了计算，获得了该工况下弯管内的流动细节。从图3.1(a)纵剖面压力分布图可以看出,在管道弯曲段内,呈现出内侧壁面压力值较小,外侧壁面压力值较大的分布情况。分析其原因,主要是流体在运动过程中受到弯曲曲率的影响,因离心力作用逐渐被甩到曲率半径较大的外侧壁面附近,导致众多流体推挤外侧壁面所致。相反,在图 3.1(b)纵剖面速度分布图可以看到,在同样位置上,内壁面附近的速度较大,外壁面的速度较小。在极角 60。附近高速流体开始向外壁面流动,在下游直管段,高速流体出现在外壁面,且高速流体区域逐渐减小。

4.2 二次流

弯管内强烈的二次流是不可压缩性流体在弯管内流动时,由于离心力的作用在转弯处出现一对旋向相反的旋涡。流体受到离心力作用在垂直一于主流方向上产生压力梯度。弯管内侧的流体质点被甩到曲率半径较大的外侧壁面,导致众多流体推挤外侧壁面,因此弯头外侧壁面压力大,内侧壁面压力小。该运动分解为沿弯管轴线方向的运动和垂直于弯管轴线的横向运动。如图 3.2 所示,弯管段外侧壁面流体由高压区流向内侧壁面低压区,二次流在横剖面内产生。弯管中心的流体向外扩散,壁面附近的流体向内扩散。可清晰地看到一对二次流旋涡,这种二次流旋涡卷吸截面内的低速流体并随主流向下游不断发展。

图 3.3 给出了不同 Re 下弯管 11 个截面的涡通量总和,选取的 11 个截面包括上游直管段距离入口 5D 处截面, θ=0.,30.,45.,60.,90.,下游直管段距离θ=90.处 ID,2D,3D,5D,15D 的截面。定义涡通量

反映了曲面上流体有旋运动的强度，w 是流体微团的平均旋转角速度,S 为弯管截面,n 是曲面 S 的法线单位矢量。结果表明,随着 Re 增大,流动状态由层流过渡到湍流,弯管内速度、压力分布的不均匀度增大,弯管内流线由平顺发展到强烈旋转,涡通量增大,流动有旋度增大。

      5 结论
      对水在 90。圆形截面弯管内的流动进行数值模拟,得出以下三点结论：
      (l)管道弯曲段内水流在径向的压力梯度很大,呈现出靠近内壁面附近的压力值较小,外壁面附近压力值较大的分布情况。相反,在同样位置上,呈现出内壁面附近的速度较大,外壁面的速度较小。上下游直管段内压力均匀分布。 (2)水流进入管道弯曲段后受到离心力的作用,在垂直于主流方向上产生压力梯度,导致垂直于弯管轴线的横向运动。在各个截面上出现对称的二次流涡对。 (3)引入涡通量衡量弯管内流体有旋运动的强度。对不同雷诺数下的 90。弯管流动进行研究,发现雷诺数越大,流体旋度越大。

     6 参考文献
    [1]张君，加热弯管工艺计算机数值模拟.西北工业大学学报,2010,45(8):30-42.
    [2]高炳军，陈旭.内压弯管受对称面外弯曲时的棘轮应变有限元分析. 压力容器，2008,26（3）:26-29.
    [3]刘成文，毛靖儒，俞茂铮.90°弯管内稀疏气固两相流及固粒对壁面磨损量的数值研究.西安交通大学学报，2004,33（9）：18-25.
    [4]江山,张京伟,吴崇健.基于 FLUENT 的 900 圆形弯管内部流场分析.中国舰船研究,2008,3(1):37-39.
    [5]湛含辉,朱辉,陈津端,等.900 弯管内二次流(迪恩涡)的数值模拟.锅炉技术,2010,41(4):l-5.
    [6]朱辉,湛含辉,李灿,等.迪恩涡运动规律的数值研究湖南工业大学学报,2009,23(3):58-62.

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