管道突扩水流流场的数值模拟
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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文- 2 -1.2 本课题研究的目的与意义工程中管道流动的雷诺数都非常大,实验测量发现,当雷诺数足够大时,均直圆管内流动进入完全粗糙区,或称阻力平方区,此时的摩擦阻力系数与雷诺数无关,而流体流过局部管件的情形与此类似,绝大多数情况下,局部损失系数与雷诺数无关,仅由不同管件的几何形状、尺寸所决定,通常是通过实验测定确定其大小。
然而在20世纪末到21世纪以来,随着现代科学技术的不断发展,新兴的科技领域导致了流体力学的研究对象更加复杂化,流体力学的研究尺度逐渐从宏观领域发展到了微观领域,并渗透到了生物学、医学、电子科学等各个方面。
这时,之前应用于解决工程问题的结果在微观领域的应用就受到了一定的限制,如在雷诺数很低的流动下,粘性力的影响逐渐增强,局部阻力系数必然会受到雷诺数的影响,而受到实验条件的限制,加之实验数据本身比较离散,于是实验测定的结果通常会存在一定的误差。
然而,数学的发展,计算机的不断进步,计算流体力学的形成,使许多原来无法进行试验观测以及无法用理论分析求解的流体力学问题有了求得数值解的可能性。
而且,在低雷诺数时,通过数值模拟的方法可以模拟出常规的雷诺数理论不能预测出来的小涡。
因此,利用计算机进行数值模拟,就可以获得低雷诺数流体流经变截面通道时流场的全部信息,据此就可以分析此时流动的阻力特性,这即成为本课题研究的目的之所在。
为了研究低雷诺数时的局部阻力特性,就必须从界定此类问题的特定参数雷诺数出发对此问题进行分析,从无量纲雷诺数/Re uD ρμ=的表达式中,我们可以看到,雷诺数的大小是和三个物理量密切相关的,流体的运动粘性系数、管道的特征长度(在研究管道问题时通常指当量直径)及管道中流体的流速。
于是,根据这三个量的不同可从不同角度对低雷诺数流动进行划分:一方面是一些黏性系数很大的流体在管道中的流动。
正如McNaughton 和Sinclair(1966),Tadmor 和Gogos(1979)以及Boger(1981)所研究的,比如润滑油、甘油等在管道中的输送等,玻璃的融化过程,聚合物的处理等通常都表现为层流。
管道中流场的数值模拟摘要本文将通过使用FLUENT流体仿真软件进行数值模拟,并且应用标准K-ε双方程模型,对管道中加入整流元件的流场进行了三维的数值模拟。
通过与没有整流元件的流场进行分析对比。
经过两种情况下的仿真结果对比,从对比的结果来看,整流元件具有良好的稳定流场的作用和良好的抑制涡流的。
关键词数值模拟;整流元件;流场0引言我们知道性能优良的整流元件可以改善流体进入流量计的管道前的流动状态,为了提高流量计的测量准确度,可以采用优化流动条件的方法,在这里我们通过使用FLUENT流体仿真软件对加入了整流元件的管道进行流体仿真模拟,通过仿真结果可以看出整流元件具有良好的整流效果。
而FLUENT流体仿真软件是用C语言开发的一款软件,它使用的是用户/服务器的结构方式,它支持UNIX操作系统和Windows操作系统平台,还支持并行计算,它可以在不同的操作系统的工作站和服务器之间协调完成同一任务。
FLUENT流体仿真软件采用的是菜单界面与使用者交互的。
使用者可以根据需要通过多窗口的方式观察计算的进程,查看计算的结果。
同时仿真以后的计算的结果可以采用多种方式进行查看,比如说云图,剖面图,等值线,XY散点图,动画,矢量图等方式,对于最后的结果可以进行贮存和打印,最后的计算结果也可以保存成为其他后处理软件或者是仿真软件所支持的格式。
FLUENT流体仿真软件还提供了用于使用者编程的接口,使用者可以在其基础上重新定制和控制相关的输入输出,而且使用者还可以再次开发利用。
1建立几何模型安装整流元件在管道中的目的就是为了可以使在达到规则速度分布的后减小所需要的直管段。
我们知道在计量中,在封闭的管道中输送,能够造成流量计量的误差的因素有很多,其中我们知道的流量计内的流动状态的畸变就是其中的一种。
在流量计上安装整流元件是消除或最大程度地减少流动状态畸变的一种有效方法。
本文将参照中华人民共和国国家标准GB-T2624.1-2006附录C中有关流动调整器和流动整直器的相关介绍,模拟了一种整流元件。
突扩管流动形态的数值模拟周再东;魏长柱;孙明艳;刘帅【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2012(012)030【摘要】针对油品在管道中运输时常常遇到边界突然扩大的流动状态.分别建立突扩管的物理模型、数学模型,并应用软件模拟不同雷诺数、不同突扩比下的管内流体的流动形态,得出了不同雷诺数下轴向压力的变化趋势以及局部水头损失随突扩比的影响规律.结果可以很好地反映突扩管流的基本特征.对于石油生产中常见的此类问题的研究具有重要的意义和作用.%For the pipeline transportation of oil in the border sudden expansion of the flow state is often faced. To established physical model, mathematical model, and application software to simulate different Reynolds number, different enlargement ratio of fluid movement form, the trend of the axial pressure under different Reynolds numbers, as well as the local head loss with the sudden expansion of the law is obtained. The results can be very good response to sudden expansion of the basic characteristics of pipe flow, common for the oil production of such issues of great significance and role.【总页数】3页(P7983-7985)【作者】周再东;魏长柱;孙明艳;刘帅【作者单位】大庆油田有限责任公司储运销售分公司储运保障大队,大庆163000;大庆油田有限责任公司第二采油厂,大庆163414;大庆油田有限责任公司第三采油厂,大庆163000;大庆油田有限责任公司第一采油厂,大庆163000【正文语种】中文【中图分类】O352;TE832.2【相关文献】1.突扩管层流流动的数值模拟 [J], 白彩鹏2.冷却条件下超临界CO<sub>2</sub>在突扩管中流动及其换热的数值模拟 [J], 王超;张信荣;白皓;;;3.突扩管内部流体流动性能的数值模拟 [J], 王战辉;张智芳;高勇;李瑞瑞4.突扩膨胀射流冲击换热与流动的数值模拟 [J], 郑传波;耿丽萍;周静伟5.泄洪洞弧形闸门突扩突跌出口段三维流动的数值模拟 [J], 李国栋;许文海;邵建斌;陈刚因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
城镇埋地燃气管道泄漏扩散的流场数值模拟城镇埋地燃气管道泄漏扩散的流场数值模拟引言:随着城镇化进程的加快,天然气已经成为我国的主要能源之一。
然而,燃气管道的泄漏事故时有发生,给城镇居民和环境带来了巨大的安全隐患。
因此,研究燃气泄漏的扩散规律,对于提高城镇燃气管道的安全运行具有重要意义。
本文将通过数值模拟,探究城镇埋地燃气管道泄漏扩散时的流场特性及影响因素。
方法:本研究采用计算流体力学(CFD)方法,建立了城镇埋地燃气管道泄漏扩散的数值模型。
模拟计算采用了RANS(Reynolds Average Navier-Stokes)方法,通过对流动场和浓度场的计算,获得了泄漏气体的流场特性及浓度分布。
在模拟中,考虑了多重因素对泄漏扩散行为的影响,包括环境风速、管道周围建筑物的遮挡效应和地面粗糙度等。
结果:模拟结果显示,泄漏气体在管道附近形成了一个较为明显的流动区域。
在周围建筑物遮挡的情况下,这个区域明显受到了阻碍,泄漏气体扩散速度较慢。
与此同时,环境风速的增加对泄漏扩散具有显著影响,较高的风速会加速泄漏气体的扩散。
地面粗糙度也会导致泄漏气体的速度下降,但其影响相对较小。
讨论:城镇燃气管道泄漏扩散的流场特性与泄漏源的位置、周围建筑物的布局以及环境风速等因素密切相关。
在设计和建设燃气管道时,应充分考虑以上因素,减少泄漏事故的发生可能性。
此外,合理的安置泄漏检测装置和应急处理设施,对于及时发现和应对管道泄漏具有重要意义。
结论:通过数值模拟,我们可以模拟城镇埋地燃气管道泄漏扩散的流场特性,并揭示了多个因素对泄漏扩散的影响。
这些结果对于提高城镇燃气管道的安全性具有重要意义。
在今后的研究中,可以进一步考虑更多的因素,提高数值模拟的精度,并结合实地观测数据进行验证,以更好地指导管道设计和安全管理工作通过数值模拟研究,我们成功获得了城镇埋地燃气管道泄漏气体的流场特性和浓度分布。
结果显示,在考虑多重因素的情况下,包括环境风速、周围建筑物的遮挡效应和地面粗糙度等,泄漏气体在管道附近形成了一个明显的流动区域。
低压平面管道内流动的数值模拟随着工程技术的发展,计算流体力学(CFD)技术已成为管道内流动模拟的重要方法。
在低压平面管道内,流动通常被认为是二维的和具有高度可预测性的。
然而,实际上,复杂的管道几何和边界条件对流动的影响仍然不容忽视。
因此,使用CFD模拟来研究低压平面管道内的流动,已经被广泛应用于石油、化工、航空等领域。
分析管道内部流动的过程中,要对管道的几何形状、边界条件、物理参数等进行建模,并采用数值方法对流体力学方程进行求解。
数值求解方法的主要思想是将流场分为若干个离散区域,采用数值逼近的方法对各个离散区域内的物理量进行求解,最终得到整个流场的分布规律。
在建立CFD模型时,需要对管道进行几何建模,包括建立平面和三维模型,选择不同的波动处理方法以及制定初始和边界条件。
对CFD模型的参数选取以及求解算法的确定都对计算结果产生着重大的影响。
为了提高数值模拟的可靠性和准确性,需要在模拟过程中重视试验验证,以便对模型参数进行修正和完善。
在低压平面管道内流动的研究中,常用的数值模拟方法包括有限元法、有限体积法和边界元法。
其中有限体积法由于其高效性和稳定性,已经成为当今求解CFD方程最为常用的数值方法之一。
该方法的思想是结合控制体积的法向和切向涨落,将控制体积内的物理量进行积分,然后采用差分算法将积分方程转化为代数方程。
最终,通过解线性代数方程组和迭代算法求解控制体积内的物理量变化和整个流场的分布情况。
在低压平面管道内流动的数值模拟中,边界条件的设定非常重要。
根据具体管道的实际情况,可以选择不同的边界条件,如垂直入口、平口和压力出口等。
在数值模拟中,通常应当指定初始流场和边界条件,并给出在流过整个管道内的不同位置,各个物理量的变化规律。
为了验证数值模拟结果的可靠性,需要进行实验验证。
在实验中,需要充分考虑管道几何形状,流量、压力和温度的测量值,以及管壁上的摩擦阻力损失等因素。
通过对比实验结果和数值模拟结果,可以验证模型参数的准确性和可靠性,为后续工程应用提供依据。
2021年6期创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application基于CFD 的微流量下突扩微管道局部压力损失的数值模拟*籍平1,董全成1*,万敏2,石凯2,孙选1(1.济南大学机械工程学院,山东济南250022;2.山东省医疗器械产品质量检验中心,山东济南250101)前言脑积水分流器为分流脑部积水的植入性医疗器件[1-2]。
为保证脑积水分流器在植入人体后能够稳定、正常工作,避免出现分流功能障碍问题,需要根据中华人民共和国医药行业标准,对其分流压力进行质量检测[3]。
脑积水分流器的压力质量检测需要在模拟出的植入人体后的微流量微管道环境下进行,搭建的压力检测装置中,压力传感器安装部位形成的突扩结构会造成局部压力损失,从而会导致检测结果失真。
目前针对管道突扩局部压力损失的研究较多,但是对微流量下微管道突扩局部压力损失的研究较可以认为是一个常数,但是在微流量微管道环境下,突扩局部阻力系数的大小受流体流速的影响是不可忽视的[4-5]。
因此需要在传统突扩管道局部阻力系数公式的基础上,针对微流量微管道环境,进行突扩局部压力损失研究。
本文采用三维建模软件建立突扩微管道模型,采用计算流体力学分析其流场特性,研究不同流速下微管道突扩的局部压力损失。
1有限元分析前处理1.1物理模型构建根据所模拟的脑积水分流器植入环境,设置脑积水分流器管道直径为1mm ,突扩管道直径为2mm 。
根据脑积水分流器的国家质量检验标准,需采用液柱检测法,故在微管道突扩前、后均设置测压管。
所构建物理模型如图1所示,其中L 1、L 2长度均为1mm ,过流断面1-1到过流断面2-2的能量方程用公式(1)表示。
式中,Z 1、Z 2分别为1-1、2-2过流断面的位置水头;P 1ρg 、P 2ρg分别为断面1-1和断面2-2的压力水头;α1、α2分别为断面1-1和断面2-2的动能修正系数;υ1、υ2分别为断面1-1和断面2-2的流速;h ω为流体从断面1-1流摘要:脑积水分流器的压力质量检测需要在微流量微管道环境下进行,而压力传感器安装部位形成的突扩结构造成的局部压力损失会导致检测结果失真。
突扩管内部水环流动特性的数值研究姚建军1,吴君强2,蒋文明2(1.中石化广州工程有限公司,广东省广州市510620;2.中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院,山东省青岛市266580)摘要:水环输送稠油作为一项高效节能的输油技术受到越来越多的关注,在输送稠油的过程中,可能会经过突扩管道。
为了解水环经过突扩管道后的流动特性,借助FLUENT软件对其进行数值模拟研究,获得了其内部油水体积分布和速度分布等信息。
结果表明:随着入口水速的增加,油水经过突扩管后维持稳定的距离增加,但输油能力降低;水环通过突扩管时,会受到二次流和浮力的共同作用,当油水刚经过突扩截面时,二次流作用明显,水环可以保持良好的稳定性,但随着距离的增加,浮力作用加剧,导致偏心失稳。
关键词:水环 稠油 突扩管 数值模拟 随着稠油开采力度的增大,选择合适的输送稠油方法也显得尤为重要,传统的输送方式主要有加热、稀释、乳化等,但均存在一些问题[1]。
而水环输送稠油是将高黏度的核心油相限制在管道的中心,低黏度的水层沿管壁流动,不仅可以降低输送过程中的阻力,还能减少核心油相污染管道壁面[2]。
一些学者对水环的研究主要集中于水环通过竖直[3]、微倾斜[4]、90°弯管[5 6]、180°弯管、阀门[7]、渐缩渐扩管[8]等特殊部件。
然而,在实际输送的过程中,水环不可避免地会经过突扩管道,目前却鲜有涉及到水环通过突扩管道的研究。
因此,针对水环通过突扩管的研究十分重要。
1 模型的建立突扩管的截面结构见图1。
模拟时假设油水两种流体互不相溶,由于需要考虑水环随着时间变化的流动特性,因此使用FLUENT软件进行瞬态求解。
图1 突扩管结构Fig.1 Structureofsuddenexpansiontube mm2 数学模型2.1 控制方程FLUENT中常见的油水两相流模型有3种,当流场中的流体互不相溶,且为了充分反映流体界面特性时,可以选用VOF模型[9]。
BackstepIntroductionThis tutorial model solves the incompressible Navier-Stokes equations in a backstep geometry. A characteristic feature of fluid flow in geometries of this kind is the recirculation region that forms where the flow exits the narrow inlet region. The model clearly demonstrates the formation of such a region, which is best displayed by visualizing the flow streamlines.Model DefinitionMODEL GEOMETRYThe model consists of a pipe connected to a block-shaped tank; see Figure 1. Due to symmetry, it is sufficient to model one eighth of the full geometry. The pipe has an inlet at one end, and the tank has an outlet at the opposite end. All other boundaries are solid walls.Figure 1: Model geometry.DOMAIN EQUATION AND BOUNDARY CONDITIONSThe flow in the system is laminar, so the model uses the Laminar Flow physics interface. The inlet flow is fully developed laminar flow, described by the corresponding inlet boundary condition. The boundary condition at the outlet sets a constant relative pressure. Furthermore, the vertical and inclined boundaries along the length of the geometry are symmetry boundaries. All other boundaries are solid walls described by a no-slip boundary condition.ResultsFigure 2 shows a combined surface and arrow plot of the flow velocity. This plot does not reveal the recirculation region in the tank immediately beyond the inlet pipe’s end. Fo r this purpose, a streamline plot is more useful, as demonstrated in Figure 3.Figure 2: The velocity field in the backstep geometry.Figure 3: The recirculation region visualized using a velocity streamline plot.Model Library path: CFD_Module/Single-Phase_Tutorials/backstepModeling InstructionsFrom the File menu, choose New.NEW1 In the New window, click Model Wizard.MODEL WIZARD1 In the Model Wizard window, click 3D.2 In the Select physics tree, select Fluid Flow>Single-Phase Flow>Laminar Flow (spf).3 Click Add.4 Click Study.5 In the Select study tree, select Preset Studies>Stationary.6 Click Done.DEFINITIONSParameters1 On the Model toolbar, click Parameters.2 In the Settings window for Parameters, locate the Parameters section.3 In the table, enter the following settings:GEOMETRY 1You can build the backstep geometry from geometric primitives. Here, instead, use a file containing the sequence of geometry features that has been provided for convenience.1 On the Geometry toolbar, click Insert Sequence.2 Browse to the model’s Model Library folder and double-click the file backstep_geom_sequence.mph.3 Go to the Model toolbar and click Build All.The model geometry is now complete (Figure 1).ADD MATERIAL1 On the Model toolbar, click Add Material to open the Add Material window.2 Go to the Add Material window.3 In the tree, select Built-In>Water, liquid.4 Click Add to Component in the window toolbar.LAMINAR FLOW (SPF)Inlet 11 On the Physics toolbar, click Boundaries and choose Inlet.2 Select Boundary 1 only.3 In the Settings window for Inlet, locate the Boundary Condition section.4 From the list, choose Laminar inflow.5 Locate the Laminar Inflow section. In the U av text field, type v0.Symmetry 11 On the Physics toolbar, click Boundaries and choose Symmetry.2 Select Boundaries 2 and3 only.Outlet 11 On the Physics toolbar, click Boundaries and choose Outlet.2 Select Boundary 7 only.3 In the Settings window for Outlet, locate the Pressure Conditions section.4 Select the Normal flow check box.MESH 11 In the Model Builder window, under Component 1 (comp1) click Mesh 1.2 In the Settings window for Mesh, locate the Mesh Settings section.3 From the Element size list, choose Coarse.4 Click the Build All button.STUDY 1On the Model toolbar, click Compute.RESULTSVelocity (spf)1 In the Model Builder window, expand the Velocity (spf) node.2 Right-click Slice 1.1 and choose Delete.Click Yes to confirm.RESULTSVelocity (spf)1 In the Model Builder window, under Results right-click Velocity (spf) and choose Surface.2 Right-click Velocity (spf) and choose Arrow Surface.3 In the Settings window for Arrow Surface, locate the Coloring and Style section.4 From the Arrow length list, choose Logarithmic.5 From the Color list, choose Yellow.6 Click the Zoom Extents button on the Graphics toolbar.To see the recirculation effects, create a streamline plot of the velocity field.3D Plot Group 31 On the Model toolbar, click Add Plot Group and choose 3D Plot Group.2 In the Model Builder window, under Results right-click 3D Plot Group3 and choose Streamline.3 Select Boundary 1 only.4 In the Settings window for Streamline, locate the Coloring and Style section.5 From the Line type list, choose Tube.6 Right-click Results>3D Plot Group 3>Streamline 1 and choose Color Expression.。
基于Fluent的低雷诺数突扩圆管流场的数值模拟
许自顺;咸凯;余建发;张桂荣
【期刊名称】《内燃机》
【年(卷),期】2016(000)001
【摘要】针对突然扩大的管道流动这一流动现象,使用hypermesh软件建立了突扩管的物理模型,在低雷诺数条件下应用Fluent对水流的管路突扩情况进行了不同雷诺数和不同扩张比下的管内流体的流动形态数值模拟.通过Ensight和Grapher 等后处理软件对计算结果进行了图像和数据的处理,分析了管路突扩回流时速度和压力的分布情况,总结了突扩管的阻力系数变化规律.模拟结果可以很好地反映突扩管流的基本特征,对生产中相关产品的改善提供理论依据.
【总页数】4页(P27-30)
【作者】许自顺;咸凯;余建发;张桂荣
【作者单位】山东大学能源与动力工程学院,山东济南250061;山东大学能源与动力工程学院,山东济南250061;潍柴重机股份有限公司重庆分公司,重庆402284;潍柴重机股份有限公司重庆分公司,重庆402284
【正文语种】中文
【中图分类】TK401
【相关文献】
1.突扩圆管内液固两相流冲刷腐蚀过程的数值模拟 [J], 张政;程学文;郑玉贵;柯伟;姚治铭
2.突扩通道内横掠圆管对流换热的数值模拟 [J], 祖珊珊;王治云;杨茉
3.突扩圆管内液-固两相流固体颗粒运动特性的DPM数值模拟 [J], 李国美;王跃社;亢力强
4.直圆管突扩通道内宾汉流体湍流流场的数值研究 [J], 胡春波;魏进家;姜培正;苗永淼
5.圆管突扩实验及数值模拟分析 [J], 黄长久;刘小兵;欧顺冰;曾永忠;杨萍
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管道突扩水流流场的数值模拟
管道突扩水流流场的数值模拟是一个复杂的过程,主要使用计算机来实现。
它的特点在于将模拟的流体空间细分成很多三角形(或者多面体)小块,然后根据给定的流体性质、流体密度和速度等参数来计算每个小块的流速分布。
一、模拟原理:
1、数据采集:首先需要采集流场区域的工程地质资料,及天文、地质、地理
等现场实测数据,构建模拟所需要的数据库。
2、网格细分:将水流流场区域划分为若干等大的小格网格,细分成多个三角
形(或者多面体)小块,并进行微观的数据分析,计算每一块小格的流速分布情况。
3、数据处理:利用数据库中的信息,通过数据处理程序求解流场的相关物理
量(如流场速度和流场压力等)。
4、计算过程:根据得到的各个格网格数据,利用各种流体力学方程及数值解
算方法,对流体运动进行模拟,模拟出流动状态。
二、模拟软件:
1、流体力学模拟软件:专门用于模拟流体运动状态的解算软件,可以给出的
结果包括流体的流场速度分布,作用在流体表面的力分布,流体流动情况等。
2、场解模拟软件:主要用于多维场的计算,帮助模拟空气流动,以及各种物
质的扩散、输运等现象,进行水流流场模拟。
3、多尺度模拟软件:专门用于计算多尺度不連续流场的模拟,这类流场存在
多种尺度,涉及到流场的传输、增长和混合等物理现象,对模拟结果的精度和准确性有很大的影响作用。
三、模拟质量评价:
1、模拟精度判断:评价模拟的准确度,使用不同的模型得到的结果是否一致,来判断模拟的精度。
2、模拟数据处理:当模拟得出结果后,需要对模拟数据进行分析处理,包括对模拟数据的预处理、数据验证和可视化等,以实现更可靠的结果展示。
3、模拟实验:可通过实验的方式来评价模拟结果的准确性,实验可以为模拟数据提供有效的实验校核,确保模拟结果较准确可靠。