基于 AcuSolve 的 90°弯管内二次流的数值模拟

2020/4/29 15:35:38 人评论 次浏览 分类:流场分析

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。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。 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,得到直角坐标系下定常不可压缩流体流动的控制方程:

 

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。湍流模型的湍动能传输方程为:


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;在方程中增加了一项,反映主流的时均应变率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)。

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。

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。

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