基于CFX的压力管道内部流体流动特性研究

Research and Exploration |研究与探索?探讨与创新

基于C F X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)

摘要：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A N S Y S C F X14.0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。

关键词：压力管道；数值模拟；流动特性；C F X

中图分类号：U173.91 文献标识码：A文章编号：1671-0711 (2016) 11 (下）-0132-03

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=20m m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

图2压力管道入口截面的网格分布

狀邱+ d iv(p u^) = d iv(T g ra d^) + s( 1 )

上式（i)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，mA〇

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端流运动，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的流体人口速度和压力出口，其

132中国设备工程2016.11(下

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非牛顿流体力学研究进展

非牛顿流体力学研究进展 摘要 对非牛顿流体流变学特性的正确理解程度直接影响我们对非牛顿流体本质特性的理解，所以研究非牛顿流体的流变学特性有助于人类更好的驾驭非牛顿流体，对建立非牛顿流体的本构方程、从数学上描绘非牛顿流体具有重要的意义。近来,国内外学者从非牛顿流体不同的应用范围对非牛顿流体的流变特性开展了大量的研究。比如对聚合物和表面活性剂溶液流变特性的研究、对食品生产辅助材料流变特性的研究、以及对聚合物溶液和石油等流变特性的研究等。 关键词：非牛顿流体；本构方程；流变特性

前言 非牛顿流体是不服从粘度的牛顿定律的流体。非牛顿流体力学是研究非牛顿流体的本构方程，材料参数（函数）的测量和非牛顿流体的流动等的学科。在国内由于国民经济的急需,非牛顿流体力学日益受到科技界的重视，不少单位从应用的角度出发进行了这方面的研究工作。 1978年全国力学规划认为非牛顿流体力学是必须重视和加强力量的薄弱领域，此后非牛顿流体力学有了很大的发展。1979年后在北京、成都、青岛等地举办了多次讲习班。许多国外非牛顿流体力学家、流变学家访问了中国并举办了讲座。1982年4月召开的第2届全国多相流体力学、非牛顿流体力学和物理一化学流体力学学术会议，同第l届会议相比,非牛顿流体力学方面的研究进展显著。1983年10月第2届亚洲流体力学会议上，中国宣读了8篇非牛顿流体力学方面的论文。1985年11月在长沙召开的第3届全国流体力学会议和第1届全国流变学会议上，宣读了非牛顿流体力学论文几十篇。目前在北京、上海、成都等地正逐渐形成非牛顿流体力学研究和教学的基地。

非牛顿流体力学研究进展 自然界最常见的流体以空气和水为代表,通常被认为是牛顿流体,它们的主要特征是切应力和切应变率之间的关系服从牛顿内摩擦定律,在流体力学的发展史上,经典流体力学的研究对象主要局限在牛顿流体的范畴,迄今为止已经形成了比较完整的理论体系。应该指出的是,在自然界和工程技术界,还存在一系列形形色色的非牛顿流体,比如油漆、蜂蜜、牙膏、泥浆、煤水浆、沥青和火山熔岩等,它们往往具有与牛顿流体不同的本构方程和流动特性。此外,随着科学技术的发展,某些原本被认为是牛顿流体的介质在精细的观测或特殊的情况下也被发现存在非牛顿流体的特性。 以血液在毛细管中的流动为例,Poiesulell于19世纪初的研究结果认为它具有牛顿流的特征；1942年CoPIey的测量却表明它存在剪切稀化的非牛顿流特性；1972年Huang等人的进一步实验测定了血液的迟滞环和应力衰减特性,定量给出了描述血液触变性的曲线。再比如,在水锤这一类瞬变运动中,由于特征时间非常短,水也会在瞬间呈现出弹性等非牛顿流体才可能存在的特征。在微流动中,当特征尺度非常小时,水分子旋转效应对流动的影响也会使水呈现出微极性流体所具有的非牛顿流特征。 当前,国际上非牛顿流体力学中重要的研究领域有以下几个方面。 (一)本构方程 本构方程最好用张量形式写出,它不但能满足对坐标系具不变性的原则,而且形式简练。对于不可压和各向同性的流体,其应力张量S可写成:S=pI十T,` 式中p为标量,I为单位张量,T为偏应力张量。非牛顿流体力学与牛顿流体力学不同,由于它不能用一种本构方程来适用各种流动情况,所以发展了各式各样的本构方程。 （1）广义牛顿流体这种流体没有弹性,但其粘度是剪切速率的函数,其本构方程如下: T=η（Ⅱ）A， 其中A为里夫林一埃里克森张量(应变率张量的两倍)；Ⅱ一1/2trA2,为A的第二个不变量；η（Ⅱ）为各种粘度函数。 (2)具有屈服应力的流体石油工业中的钻井泥浆和牙膏等物质具有一屈服应力τy。当剪应力低于τy时,流体静止；当剪应力超过τy时,流体流动。此种流体也称为粘塑性流体。 (3)触变性流体当施加剪切速率γ0于凝胶漆等物质时,剪切应力达到τ0。当γ0保持

第一章流体力学基础知识

第一章流体力学基本知识 学习本章的目的和意义：流体力学基础知识是讲授建筑给排水的专业基础知识，只有掌握了该部分知识才能更好的理解建筑给排水课程中的相关内容。 §1-1 流体的主要物理性质 1．本节教学内容和要求： 1.1本节教学内容： 流体的4个主要物理性质。 1.2教学要求： （1）掌握并理解流体的几个主要物理性质 （2）应用流体的几个物理性质解决工程实践中的一些问题。 1.3教学难点和重点： 难点：流体的粘滞性和粘滞力 重点：牛顿运动定律的理解。 2．教学内容和知识要点： 2.1 易流动性 （1）基本概念：易流动性——流体在静止时不能承受切力抵抗剪切变形的性质称易流动性。 流体也被认为是只能抵抗压力而不能抵抗拉力。 易流动性为流体区别与固体的特性 2.2密度和重度 （1）基本概念：密度——单位体积的质量，称为流体的密度即： M ρ = V M——流体的质量，kg ; V——流体的体积，m3。 常温，一个标准大气压下Ρ水=1×103kg/ m3

Ρ水银=13.6×103kg/ m3 基本概念：重度：单位体积的重量，称为流体的重度。重度也称为容重。 G γ = V G——流体的重量，N ; V——流体的体积，m3。 ∵G=mg ∴γ=ρg 常温，一个标准大气压下γ水=9.8×103kg/ m3 γ水银=133.28×103kg/ m3密度和重度随外界压强和温度的变化而变化 液体的密度随压强和温度变化很小，可视为常数，而气体的密度随温度压强变化较大。 2..3 粘滞性 （1）粘滞性的表象 基本概念：流体在运动时抵抗剪切变形的性质称为粘滞性。当某一流层对相邻流层发生位移而引起体积变形时，在流体中产生的切力就是这一性质的表 现。 为了说明粘滞性由流体在管道中的运动速度实验加以分析说明。用流速仪测出管道中某一断面的流速分布如图一所示 设某一流层的速度为u,则与其相邻的流层为u+du,du为相邻流层的速度增值，设相邻流层的厚度为dy，则du/dy叫速度梯度。 由于各流层之间的速度不同，相邻流层间有相对运动，便在接触面上产生一种相互作用的剪切力，这个力叫做流体的内摩擦力，或粘滞力。 平板实验 （2）牛顿内摩擦定律 基本概念：牛顿在平板实验的基础上于1867年在所著的《自然哲学的数学原理》中提出了流体内摩擦力的假说——牛顿内摩擦定律： 当切应力一定时，粘性越大，剪切变形的速度越小，所以粘性又可定义为流体

流体力学 基本概念

**流函数：由连续性方程导出的、其值沿流线保持不变的标量函数。**粘性：在运动状态下，流体内部质点间或流层间因相对运动而产生内摩擦力以抵抗剪切变形，这种性质叫做粘性。粘性的大小用黏度表示，是用来表征液体性质相关的阻力因子。粘度又分为动力黏度.运动黏度和条件粘度。 **内摩擦力：流体内部不同流速层之间的黏性力。 **牛顿流体：剪切变形率与切应力成线性关系的流体(水，空气)。 **非牛顿流体：黏度系数在剪切速率变化时不能保持为常数的流体(油漆，高分子溶液)。 **表面张力：1.表面张力作用于液体的自由表面上。2.气体不存在表面张力。3.表面张力是液体分子间吸引力的宏观表现。4.表面张力沿表面切向并与界线垂直。5.液体表面上单位长度所受的张力。6.用σ 表示，单位为N/m。 **流线：表示某瞬时流动方向的曲线，曲线上各质点的流速矢量皆与该曲线相切。性质：a、同一时刻的不同流线，不能相交。b、流线不能是折线，而是一条光滑的曲线。c、流线簇的疏密反映了速度的大小。 **过流断面：与元流或总流的流向相垂直的横断面称为过流断面。(元流：在微小流管内所有流体质点所形成的流动称为元流。总流：若流管的壁面是流动区域的周界，将流管内所有流体质点所形成的流动称为总流。)

**流量：单位时间内通过某一过流断面的流体体积称为该过流断面的体积流量，简称流量。 **控制体：被流体所流过的，相对于某个坐标系来说，固定不变的任何体积称之为控制体。控制体的边界面，称之为控制面。控制面总是封闭表面。占据控制体的诸流体质点随着时间而改变。 **边界层：水和空气等黏度很小的流体，在大雷诺数下绕物体流动时，黏性对流动的影响仅限于紧贴物体壁面的薄层中，而在这一薄层外黏性影响很小，完全可以忽略不计，这一薄层称为边界层。 **边界层厚度：边界层内、外区域并没有明显的分界面，一般将壁面流速为零与流速达到来流速度的99％处之间的距离定义为边界层厚度。 **边界层的基本特征：(1) 与物体的特征长度相比，边界层的厚度很小。(2) 边界层内沿厚度方向，存在很大的速度梯度。(3) 边界层厚度沿流体流动方向是增加的，由于边界层内流体质点受到黏性力的作用，流动速度降低，所以要达到外部势流速度，边界层厚度必然逐渐增加。(4) 由于边界层很薄，可以近似认为边界层中各截面上的压强等于同一截面上边界层外边界上的压强值。(5) 在边界层内，黏性力与惯性力同一数量级。(6) 边界层内的流态，也有层流和紊流两种流态。 **滞止参数：设想某断面的流速以等熵过程减小到零，此断面的参数称为滞止参数。

流体的主要力学性质

一、 班名： 二、 授课内容：引言 三、 时间：60分钟 四、 重点 流体的密度与重度、流体的压缩性与膨胀性、流体的粘滞性。 五、 难点 流体的粘滞性及牛顿内摩擦定律。 六、 课程性质：综合课 七、 教学目的 通过讲解流体的主要物理性质，使学院对流体有更为具体和量化的认识，也为后续学习的展开奠定基础。 八、 教学目标 理解流体密度、压缩性和膨胀性、粘滞性；应用粘滞性来分析实际问题。 九、 所需教具 黑板、粉笔、板擦、计算机和投影仪。 十、 教学过程 首先组织教学，把学员的精神都集中到课堂上来。 （一）回顾上一讲内容（启发式教学，用时5分钟） 1、什么是流体？ 流体是易于流动的物质；它包括气体、液体及分散状的固体微粒的集合体。如我们日常生活中的水、空气、燃气等都是流体。 2、什么是流体力学？ 流体力学研究流体平衡和运动规律以及流体与固体壁面间作用力的一门科学。 3、流体力学的任务 （1）流体力学主要研究大量流体分子的宏观运动特性。 （2）流体力学学科的分类 流体力学根据研究的重点与方法不同分为：理论流体力学和工程流体力学； 流体力学根据流体性质不同分为：水力学、空气动力学以及两相流体力学。

（3）本课程的主要研究内容和对象 本课程主要以流体在容器和管道内的特性为研究内容。 （二）本节内容 首先向大家说明一个基本问题。流体不同于固体的基本特征是流体的流动性。 一般而言，流体的流动性与其分子间距d 成正比。 1、密度、比容及重度（直观式教学，用时10分钟） （1）密度 密度是一般物质的基本属性，对于均匀流体而言，单位体积的质量称为密度。 /m V ρ= ρ——流体的密度，kg/m 3； m ——流体的质量，kg ； V ——该质量流体的体积，m 3。 （2）比容 也叫做比体积；表示单位质量的流体所占的体积；简单来说就是密度的倒数。 在燃气行业中，比容是应用较多的定义之一。因为燃气在输送过程中其体积和密度是随着压力级制的不同而发生变化的，但其总质量是不会改变的，因为质量是守恒的。 （3）重度 流体和固体一样也受到地球的引力而产生重力。对于均匀质流体，作用于单位体积流体上的重力称为重度。 需要向大家强调一点：流体的密度与重度是随着外界压力与温度的变化而变化的。但有时由于温度和压力变化所引起的流体密度变化不大时，可以认为流体的密度和重度是恒定的。例如，在平时的生活中，我们一般都认为水的密度为1000kg/m 3。但是实际上水的密度是随着温度升高而降低的。不知各位有没有观察过用“热得快”在暖瓶中烧水。即使你在灌水时灌得不满，在加热过程中也会

第1章-流体力学的基本概念

第1章 流体力学的基本概念 流体力学是研究流体的运动规律及其与物体相互作用的机理的一门专门学科。本章叙述在以后章节中经常用到的一些基础知识，对于其它基础内容在本科的流体力学或水力学中已作介绍，这里不再叙述。 1.1 连续介质与流体物理量 1.1.1 连续介质 流体和任何物质一样，都是由分子组成的，分子与分子之间是不连续而有空隙的。例如，常温下每立方厘米水中约含有3×1022 个水分子，相邻分子间距离约为3×10－8 厘米。因而，从微观结构上说，流体是有空隙的、不连续的介质。 但是，详细研究分子的微观运动不是流体力学的任务，我们所关心的不是个别分子的微观运动，而是大量分子“集体”所显示的特性，也就是所谓的宏观特性或宏观量，这是因为分子间的孔隙与实际所研究的流体尺度相比是极其微小的。因此，可以设想把所讨论的流体分割成为无数无限小的基元个体，相当于微小的分子集团，称之为流体的“质点”。从而认为，流体就是由这样的一个紧挨着一个的连续的质点所组成的，没有任何空隙的连续体，即所谓的“连续介质”。同时认为，流体的物理力学性质，例如密度、速度、压强和能量等，具有随同位置而连续变化的特性，即视为空间坐标和时间的连续函数。因此，不再从那些永远运动的分子出发，而是在宏观上从质点出发来研究流体的运动规律，从而可以利用连续函数的分析方法。长期的实践和科学实验证明，利用连续介质假定所得出的有关流体运动规律的基本理论与客观实际是符合的。 所谓流体质点，是指微小体积内所有流体分子的总体，而该微小体积是几何尺寸很小（但远大于分子平均自由行程）但包含足够多分子的特征体积，其宏观特性就是大量分子的统计平均特性，且具有确定性。 1.1.2 流体物理量 根据流体连续介质模型，任一时刻流体所在空间的每一点都为相应的流体质点所占据。流体的物理量是指反映流体宏观特性的物理量，如密度、速度、压强、温度和能量等。对于流体物理量，如流体质点的密度，可以地定义为微小特征体积内大量数目分子的统计质量除以该特征体积所得的平均值，即 V M V V ??=?→?'lim ρ （1-1） 式中，M ?表示体积V ?中所含流体的质量。 按数学的定义，空间一点的流体密度为 V M V ??=→?0 lim ρ （1-2）