基于Fluent的T型三通内部流场数值模拟

2017-01-11 by:CAE仿真在线来源:互联网

钟振亚

山东豪迈化工技术

引言

三通管在工业、农业诸如油田内部集输管网等很多方面使用非常广泛, 主要用于改变流体方向,可用于输水管路,输油管路及各种液体化工材料输送管路。因此对三通结构流动形式的研究可以为管道的设计提供一定的依据。采用Fluent对三通结构进行模拟可以降低费用,节约成本,具有比价好的经济效益,同时也可以减小试验仪器的不稳定度于试验结果的影响。

1 数学模型的建立

对于不可压缩粘性流体,其运动可用N-S方程标示,控制方程为:

能量守恒方程如下:

湍流动能运输方程为:

湍流动能耗散输运方程为:

2 问题描述及网格划分

2.1

问题描述

密度为860Kg/m3 ,粘度为1.02Kg/m・s,比热容为2100J/Kg・K 的原油以不同的速度和温度分别从inlet1和inlet2进入三通管,混合后从outlet流出。Inlet1流入的的原油的温度为300k,速度为3m/s。inlet2流入的原油的温度为450k,速度为 4m/s,两股原油在三通管内发生剧烈的能量交换和能量损失, 混合后由outlet流出

2.2

模型的建立及网格划分

计算模型如图1所示。图2为模型的网格划分图。在Solidworks中利用其三维建模功能,建立如图 1所示尺寸的模型,并利用Ansys Fluent 的mesh 功能进行网格划分,网格划分方法选择Hex Dominant , 网格大小设置为3,太小的网格在划分过程中会因为计算机内存不足而退出。网格划分的过于稀疏又无法达到指定的计算精度。经过反复试验本文取网格大小为3。具体划分结果如图3所示。

图3 (网格划分)

2.3

边界条件的设置

边界条件的设置如表1所示:

3 模型的求解及结果分析

在fluent中对求解器进行设置,采用三维稳态隐式求解方法。粘度的处理采用Standard k-epsilon turbulence model。设置收敛进度为0.0001,进行600次迭代后,计算结果如图

计算结果如图4~图8所示。从图4中可以看出,两股流体在三通内混合后压力较混合前有较大幅度的降低,并且在竖管出口的右侧形成一个低压区。从图4,图5可以看出管由于粘性的影响,在管道壁面上的流体质点速度为零。由于管内的流动是紊流,所以管中的速度分布不是通常的“抛物线形状”,其速度分布(除管壁)比较均匀平坦。但在三通管的汇合处及其后的管道中与混合之前大致相同,由于处于湍流状态混合后流速分布仍然未呈现“抛物线形状”的速度分布,在混合后出现了一个低速区,基本上与低压区重合。这个区域内的流速与管内主流体流动方向不同。由此可以看出在混合后侧靠近避免的位置出现了漩涡流动。从图8可以看出,在小管流体喷出后在三通交汇处的下部形成两个低压区,这是由于小管流体的射流作用造成的。此外,不同的边界层网格划分对计算结果也会有影响,网格的宽度及层数都应适合,太疏则不能反映流动状态的变化,太密则会增大计算量。

4 结语

在计算过程中采用Segregated隐式解,标准K-Ε双方程模型来处理湍流计算,经结果验证,此模型相对于其他湍流模型能获得更合理,更精确的计算结果。本文通过对三通管道三维湍流流动计算,正确计算出三通管内流体混合后流场和温度场的分布情况。对于研究油品在通过三通时的流动状况和管道的设计积累了经验,提供了依据。

参考文献

[1]邱秀云.水力学[M], 乌鲁木齐:新疆点子出版社, 2008.

[2]王福军. 计算流体动力学分析. CFD 软件原理与应用[M], 北京:清华大学出版社 2004.

[3]韩占中,王静. Fluent- 流体工程仿真计算实力与应用[M],北京:北京理工大学出版社2010.

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