基于CFX的压力管道内部流体流动特性研究

2017-01-10彭泉

中国设备工程 2016年16期

关键词：室温壁面内径

彭泉

（武汉工程大学，湖北武汉 430205）

基于CFX的压力管道内部流体流动特性研究

彭泉

（武汉工程大学，湖北武汉 430205）

以化工机械中的L型压力管道为研究对象，结合计算流体动力学理论，借助ANSYSCFX14.0流体分析软件，采用数值模拟方法对其内部的流体流动特性进行了探索，得到了管道内部和管道出口处的速度场、压力场分布等重要流体信息。并研究了弯管直径对管道内部速度和压力分布。获得了管道内径变化对管道内部压力场和速度场变化规律。研究结论对压力管道的设计和工程运用提供了一定的参考。

压力管道；数值模拟；流动特性；CFX

压力管道在工程实际中广泛运用，特别是在化工领域，其运用随处可见，广泛运用于天燃气的输送中。压力管道孔径大小、材料、流体在管道内的流动速度和温度都会对管道内部流体的流动特性息息相关。因此，对压力管道的压力变形和裂缝扩散等研究一直有工作者在进行。现有学者是从有限元的角度对压力管道内部的流动特性进行过深入研究。本文正是在此基础上，针对压力管道的孔径变化和入口出流体的温度变化对压力管道的速度分布、压力分布等重要特性进行了对比分析，从而为不同情况下压力管道结构、壁面厚度以及材料选择等提供参考。随着计算机技术的飞速发展和有限元理论的不断完善，CFD技术已经成为有限元的一个重要分支，本文在借鉴了已有研究的基础上，借助于大型流体计算软件CFX，结合标准湍流模型和壁面函数，对压力管道内部的速度和压力分布进行了仿真分析，为压力管道的设计和优化等提供了一定的参考。

1 有限元模型的建立

1.1 三维建模与网格划分

本文中L型压力管道直径D依次设置为20mm、40mm、60mm，两端长度均为L=200mm；流体介质选用水，切关内流动视为湍流。网格划分软件采用集成在ANSYS中的专业流体划分软件ICEMCFD14.0，体网格用四面体网格划分，生成方法用软件默认方式，D=20mm时，网格总数为523861个，节点总数123654个。压力管道流体域的网格模型参考图1是入口截面上的网格分布状况参考图2。

1.2 数值模拟方法

本文研究水在压力管道内的流动特性，假设该过程中水是不可压缩的介质，因此在流场计算过程中遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒，当前计算流体动力学中一般将关于三个守恒的方程合并到一个控制方程中，具体如下：

图1 压力管道流体域网格模型

图2 压力管道入口截面的网格分布

上式（1）中，各项依次为瞬态项、对流相、扩散项和源项。t为流体运动时间，s；为流体密度，kg/m3；为广义扩散系数；为通用变量；s为广义源项；为速度矢量，m/s。流体在压力管道中的流动视为不可压缩的定长流动，同时考虑弯管处存在湍流运动，因此采用标准湍流方程和相应的壁面函数描述液体在管道内的流动状态。

1.3 边界条件的施加

本文中计算域为整个L型压力管道的内部流体区域，并采用6m/s的流体入口速度和压力出口，其中出口压力相对于大气压力为0Pa。管道内流动介质为常用C19H30燃油，密度为960kg/m3；工作温度为室温，25℃；考虑到然后运动过程中会受到管道壁面的影响而呈现不同的流速，因此管道内壁面设置为无滑移壁面；压力差分格式是标准离散差分格式，最大收敛迭代次数为20000，时间尺度控制为自动控制，数值大小设为1；残差收敛值为默认值。

2 计算结果分析

2.1 不同孔径下的管道内部压力分布

当室温环境下，燃油以25℃的温度从入口流经压力管道内壁面，然后从出口流出。不同内径的压力管道在室温条件下内部压力分布状况如图3所示，图中截面通过压力管道的轴线位置。由图可知，不同内径的压力管道内部压力分布趋势大致相同，最大正压和最大负压均出现在L型管道的拐弯处。切靠近入口和出口的位置压力值较小。但是不同内径的压力管内部最大正压和最大负压值均不相等。随着内径由20mm增加到60mm后，最大正压也依次增加，其值大小为5371Pa、5509Pa、5959Pa，说明在相同入口速度下，随着管道内径，其内部的最大压力也会随之增加，且均出现在L型压力管道的外圆角处。类似地，最大负压值也随内径的增加而增加，但是出现部位是L型压力管的内圆角处。

图3 室温下管道内部压力分布

2.2 不同孔径下的管道内部速度云图

不同内径的压力管道在室温条件下内部速度分布状况如图4所示，与上文一样，图中截面通过压力管道的轴线位置。由图可知，当流体介质以相同的的速度从入口流进后，不同内径的压力管道内部速度分布却发生了较大的差异。随着管径增加，最大速度值也随之增加，当管道内径为60mm时，流体速度最大值为7.3m/s。当然，虽然在数值上速度值有所差异，但是在分布趋势上确实一直的，最大速度均出现在拐角处。其原因是来自入口的流体介质在压力管拐弯处发生聚集和湍流作用，速度方向也随之变化，最终导致道速度值有所增加。当然，随着内径增加，压力管道内部的整体速度分布云图会更加均匀。相反，内径越小，管道内部不同区域的速度分布则会呈现较大的差异性。

图4 室温下管道内部速度云图

2.3 不同孔径下的出口的压力分布

在压力管道的设计和分析中，研究人员不仅仅关心压力管道表面的裂纹扩散和材料等情况，其实更多关注的是当流体介质从入口进入后，流经整个压力管道最终到达出口的压力和速度分布状况，因为两个参数将更加有助于研究压力管道内壁面的便面粗糙度、管道结构形式等对压力和速度造成的影响状况，有利于研究人员开展流体阻力损失等的研究。因此，本文除了关注管道内部的压力和速度分布外，还提取了压力管道出口的压力和速度进行分析。

不同内径的压力管道在室温条件下出口的压力分布如图5所示，与上文一样，图5中截面通过压力管道的轴线位置。由图5中各个内径下的标尺可知，不同内径的压力管道出口的压力分布趋势类似，在靠进圆心的位置呈现负压，而在靠近壁面的地方压力值最大。因为流体在流通过程中都是在压力管道内壁面的吸附作用下运动的，所以实际上圆形压力管道的轴线位置基本上是空气，所以压力分布呈现出图5中的特点。但是随着管道内径增加，最大正压和最大负压均呈现减小的趋势。