Hydraulics Pneumatics&Seals/No.12.2010基于Fluent流场数值仿真的管路流量计算
张功晖1黎志航2周志鸿1
(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083; 2.广东肇庆爱龙威机电有限公司，广东肇庆526238)
摘要：利用Fluent三维单精度求解器，对管路内的三维稳态流场进行仿真，利用后处理工具得到管路体积流量，并将Fluent数值仿真计算的体积流量结果与实测结果进行对比，数值仿真计算结果得到实际测量实验的验证。
关键词：Fluent；管路；流量
中图分类号：TH138.52文献标识码：A文章编号：1008-0813（2010）12-0041-03
Air-passage Structure Improving of Pneumatic Electromagnetic
Valve Based on Flow Field Simulation withing Fluent
ZHANG Gong-hui1LI Zhi-hang2ZHOU Zhi-hong1
(1.Civil&Environment Engineering School of University of Science and Technology Beijing,
Beijing100083,China; 2.Guangdong Zhaoqing L&V Co.,Ltd.,Zhaoqing526238,China)
Abstract:This thesis applies Fluent single-precision solver calculate the volumetric flow rate by simulating3D steady flow field of the pipeline,and compares the calculated flow rate and the actual measured result.
Key Words:fluent；pipeline；volumetric flow rate
0提出问题
广东肇庆爱龙威公司构建了如图1所示的管路，管路由一段长为L1=500mm、管内径为D1=4mm的塑料管AB，与一个长度为L2=40.14mm、孔径为D1=1.25mm 的不锈钢零件BC连接而成。
如图1所示，A是空气入口端，表压力为p A= 10kPa，C为直接接入大气的空气出口端，表压力p C= 0kPa。因为生产需要，公司需要测量与计算出在上述条件下的流过管路的空气流量。并且要设计出不锈钢零件的尺寸，使得管路在上述规定的条件下，达到预定的流量值——
—6±0.1L/min。
图1管路的尺寸
1建立模型
1.1创建三维几何模型
利用前处理软件Gambit进行流体区域建模，为了直接得到管路的体积流量数据，本文采用三维模型。根据尺寸坐标，先建立两段圆柱体，一段为塑料管区域：L1=500mm、管内径为D1=4mm；另一段为不锈钢管区域：L2=40.14mm、孔径为D1=1.25mm，然后使用布尔操作连接两段圆柱体，为了后续网格划分的需要，需在两段圆柱衔接处创建一个面，然后利用此面将两段圆柱分割开，模型如图2所示。
图2流体区域三维几何模型
1.2网格划分
几何模型创建完成以后需要进行网格划分，本文直接使用体网格对两段流体区域进行划分。为了获得较好的计算精度，同时又能够使计算时间较短，通过多次的尝试之后，决定对两段区域采用不同的网格尺寸。为了使两段区域衔接处的网格能够较为平顺的过渡，先对不锈钢零件区域划分网格，网格尺寸为0.1mm，再对塑料管区域划分网格，网格尺寸为1mm。网格单元和类型都分别为Hex/wedge和cooper。图3、图4和图5分别为塑料管入口端A、不锈钢零件出口端C和两管衔接处B的网格局部放大图。
图3塑料管入口端A网格
收稿日期：2010-04-06
作者简介：张功晖，男，北京科技大学2008级硕士研究生,流体力学专业；
主要研究方向：流体传动及其仿真技术。
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液压气动与密封/2010年第12期
图4不锈钢零件出口端C网格
图5两管衔接处B网格
1.3设置边界条件类型及输出网格
设定塑料管入口端A为压力入口，不锈钢零件出口端C为压力出口，将塑料管和不锈钢零件内壁分别命名为wall_1和wall_2，边界条件类型都为wall。完成模型的创建和网格的划分以后，选择求解器并输出网格，本文使用默认的求解器，直接输出网格。
2数值计算
2.1输入并检查网格
启动Fluent三维单精度求解器，输入上文所保存的网格文件并对其进行检查，确定网格划分没有错误。因为在Gambit建模时所使用的长度单位为mm，而Fluent默认的是m，因此在检查完网格后需对单位进行更改。
2.2模型的设置
使用默认的3D稳态隐式求解器，选择k～ε湍流模型。本文假设空气为不可压缩，且空气从入口到出口的流体时间极短，来不及与外界发生热交换，可看作是绝热流体，因此本文没有求解能量方程[2]。
2.3材料属性和操作条件的设置
材料属性和操作条件均使用程序默认：空气密度1.225kg/m3，空气动力黏度17.894×10-6kg/(m·s)，操作压力为101.325×103Pa。
2.4边界条件的设置
（1）设置入口总压为p A=10kPa。
（2）出口压力默认p C=0kPa。
（3）本文设定塑料管内壁wall_1粗糙度值为0.0004mm。
（4）不锈钢零件内壁wall_2粗糙度值设为0.001 6mm。
2.5迭代计算求解
把收敛准则均设为0.001，设置迭代次数为2000次，对入口进行初始化，然后进行迭代求解。经过一定的迭代次数后，结果收敛，求解完成。
2.6后处理
利用Fluent后处理中的报告面积分功能，得进口体积流量为：Q VA=94.842377×10-6m3/s≈5.69L/min，正号表示流体的流入。
出口体积流量为：Q VC=-94.8867552×10-6m3/s≈-5.69L/min，负号表示流体的流出。
以及进出口的体积流量差为：ΔQ V=Q VA+Q VC= -25.174772×10-9m3/s≈-1.51×10-3L/min，相对流量差│ΔQ V/Q VA│≤0.026%，当│ΔQ V/Q VA│≤0.5%时可以认为质量守恒。
3流量测量实验
为了与Fluent数值计算的流量结果进行对比，加工了两个不锈钢零件，如图6所示。
图6不锈钢零件简图
两个零件的具体尺寸见表1，其中孔径D2是由不锈钢零件两端孔径实测值的算术平均值。
表1不锈钢零件尺寸
按照如图7所示原理组装了一套流量测量系统。将不锈钢零件接通在塑料管的B端。可通过调节减压阀来获得不同的入口压力p A。
1-气源2-空气过滤器3-减压阀
4-数显流量计5-数显压力表6-被测零件
图7流量测量系统原理图
4数值仿真计算与实测流量结果对比对应不同的入口压力p A，分别得到零件1#、2#的数值仿真计算与实测流量结果，如图8所示。数值仿真计算结果与实测值的趋势基本保持一致，误差范围为-3.9%～2.4%，说明数值仿真计算可以作为不锈钢零
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件设计依据。在p A=10kPa时，1#零件管路流量与测量结果有3.9%的误差，而2#零件管路流量与测量结果的误差极小。
图8数值计算与实测流量结果对比
5结论
（1）Fluent数值计算得到管路的三维稳态流场分布，通过对数值计算的流量结果与实测流量结果的对比，误差范围为-3.9%～2.4%，证实数值仿真计算流量具有可行性。
（2）不锈钢零件2#的尺寸设计是正确的的，满足了整个管路流量为6±0.1L/min的要求。
参考文献
[1]韩占忠,王敬,兰小平.Fluent流体工程仿真计算实例与应用
[M].北京:北京理工大学出版社,2004.
[2]王福军.计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用[M].北
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[3]谢俊,等.基于ANSYS和Fluent软件的导流管流场分析[J].机
械设计与制造,2008(9).
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力损失的有限元分析[J].辽宁石油化工大学学报,2007,27(4).
连轧管机组液压系统管路冲洗方法浅析
孙福1刘春旭2张英婵1
(1.太原重型机械集团有限公司技术中心轧钢所山西太原030024；
2.太原重型机械集团有限公司齿轮传动分公司山西太原030024）
摘要：通过对液压管路冲洗实质的分析，指出正确选择雷诺数的方法，以此为基础计算冲洗泵站所需的压力和流量，并应用于某连轧管机液压管路冲洗过程中。现场实践表明所设计方法正确，能够缩短冲洗时间，提高冲洗效率。
关键词：连轧管机组;液压系统;雷诺数;管路冲洗
中图分类号：TH333.9TH137.9文献标示码:A文章编号：1008-0813（2010）12-0043-03
Method Analysis of Hydraulic Pipe-line Flushing
in Continuous Tube Rolling Mills
SUN Fu1LIU Chun-xu2ZHANG Ying-chan1
(1.Steel Rolling Institute of Technologic Center,Taiyuan Heavy Machinery Group Co Ltd.,
Taiyuan Shanxi Province,030024 2.Gear Transmission Company of Taiyuan Heavy
Machinery Group Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi Province,030024)
Abstract:The method is got which used for correctly choosing Reynolds analogy parameter by analyzing essentiality of hydraulic pipe-work flushing,then flushing station’s pressure and flow can be calculated according to the selected Reynolds analogy parameter.And the conclusion is used correctly in hydraulic pipe-work flushing of one continuous tube rolling mills,good results that greatly cut the flushing time and improve efficiency are obtained.
Key Words：continuous tube rolling mills;hydraulic system;reynolds analogy parameter;pipe-work flushing
0引言
连轧管机组是当今钢管生产的先进机组设备，它主要包括穿孔机、连轧管机、脱管机、减径机等主机设备。连轧管机组的液压控制系统对整套机组的安全可靠运行起着至关重要的作用，液压管路的冲洗是保证液压系统清洁度的必须环节。连轧管机组设备从穿孔机区至减径机区，布置区域长约150m，宽约40m，液压系统管路长、品种多，各主机设备设置独立的液压系
收稿日期:2010-07-02
作者简介：孙福（1980-），男，山东成武县人，助理工程师，主要从事冶金
机械电液伺服系统研究、设计和调试工作。
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