管道进口段流动特性分析Word文件下载.docx
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在实际管道系统中，由于组成系统的某一元件工作状态的变更（如阀的开度变化、泵的脉动等）或受外界干扰（如负载的变化），将不可避免地在管道内产生流量和压力的冲击或脉动，形成非恒定流动，引起管内流动的动态过程。
流体管道的动态特性对系统的稳定流动的动态过程[2]。
流体管道的动态特性对系统的稳定性和可靠性，以及系统中其它元件的正常工作有着很大影响[3]。
流体管道动态特性数值模拟具有研究周期短、经费投入少，不受模型尺寸、外界扰动、测量精度限制等优点，其作用相当于在计算机上进行复杂流体试验[4]。
数值模拟包含以下几个步骤:
①建立反映问题（工程问题、物理问题等）本质的数学模型。
具体说就是要建立反映问题各量之间的微分方程及相应的定解条件。
牛顿流体流动的数学模型就是纳维一斯托克斯方程及其相应的定解条件;
②寻求高效率、高准确度的计算方法。
计算方法不仅包括数学模型的离散化及求解方法，还包括计算网格的建立、边界条件的处理;
③编制程序和进行计算;
④通过图像形象地显示计算结果。
数值模拟所得出的结果可对实际流体管道系统的设计、优化等进行指导，具有重要的工程实际意义。
1.2国内外研究现状
生产实际中所使用的管道内壁都有一定的粗糙度,管壁粗糙程度因制造工艺所采用的处理方法以及材料的不同而不同,粗糙度和流动形态之间的相互作用情况相当复杂,有时粗糙度还会改变流动形态。
当流体速度小于临界速度时，流体变现为层流。
当流体速度大于临界速度时，流体变现为紊流[5]。
人们研究发现粘性流体经过固体壁面时，在固体壁面与流体主流之间必定有一个流速变化的区域，在高速流中这个区域是个薄层，称为边界层。
流体从管道流入后，由于受到管壁的影响，靠近壁面的流动受到阻滞，流速降低，形成边界层[6]。
通过管道的流量是一定的，而边界层的厚度逐渐增大，以致未受管壁影响的中心部分的流速必将加快。
这种不断改变速度分布的流动一直发展到边界层在管辖处相交，成为充分发展的流动为止[7]。
边界层相交以前的管段称为管道进口段（或称起始段）.进口段的流动时速度分布不断变化的非均匀流动，进口段以后的流动则是各个截面速度分布相同的均匀流动。
随着管道流动研究的日益增进，人们对于边界层的研究也是越来越深入。
自从1904年普朗特提出边界层理论以来，就使得流体力学显得日益重要，其应用也越来越广泛[8]。
传统的边界层理论只研究速度边界层，主要研究绕物体流动时流体的速度分布和绕流阻力。
20世纪70年代以后，温度边界层理论的到发展和成熟，并在热传、传质、石油、化工等众多领域得到广泛的应用[9]。
热边界层理论的得出为它的工程应用提供了有力的理论依据。
利用热边界层减阻是电伴热管道输送高粘性液体的主要应用研究成果[10]。
这种方法有如下特点:
l）伴热均匀，能充分利用热边界层，达到最大减阻效果;
2）能利用自动控温，在不同季节以最佳伴热温度输送不同种类的高粘液体;
3）可随意升温和停温，甚至作业完成后管道不需要放空，因此可称之为随温输送;
4）热效率高，能耗低，安全经济，可实现自动化。
对于恒定管流,热边界层同速度边界层有着显著的差异。
通过实验发现,速度边界层发展起始段很短,而热边界层发展段（入口段）的长度要大得多。
因此,在考虑热边界层时,可近似认为速度边界层已充分发展达到稳定,这样在研究数学模型时,就只需要考虑能量方程即可,从而为管道热边界层理论的研究带来了方便[11]。
由于电伴热具有极大的优越性，因此目前各国都在广泛的研究应用这项新技术。
随着应用的深人，在设计、施工过程中碰到了不少理论性的问题[3]。
目前对于管道的稳态传热的研究较多，而管道热边界层理论的研究，伴热管道温度和热流量（功率）的确定，伴热过程中管道摩擦水头损失的计算及泵的选型设计等就是目前还没有或需亟待解决的问题[12]。
1.3课题基本内容和拟解决的主要问题
实验测得不同风机频率下的速度，熟悉气体管道流动的一般计算，采用商业软件对气体输送系统进行模拟。
采用Gambit建模，Fluent软件进行模拟，Tecplot软件进行后处理。
得出整个管道内的流动特性。
1.4湍流模型
对于流场的计算，比较常用的湍流模型有：
零方程模型，单方程模型和双方程模型等。
其中零方程模型不包含湍动量的微分输运方程，适用于湍动较弱的流场。
单方程模型（包括湍流脉动动能的输运方程），当对流输运或扩散输运比较重要时，单方程模型优于零方程模型，但单方程模型中如何确定大的含能涡旋的尺寸仍较困难。
双方程模型（包括湍流脉动动能及其耗散率的输运方程），能较好解决大的含能涡旋的尺寸问题，对湍动较强的流场使用
模型能得到很好的计算结果。
对于气体流动，其流速较高，湍动也较强，因此适合采用
模型。
1.5研究方法
气体在管道中的流动是湍流问题。
求解气体在管道中流动的问题，首先要由流体力学、热力学、传质传热学等基本原理出发，建立质量、动量、能量、组分湍流特性等守恒方程组，如连续方程、扩散方程、湍能方程等，此即建立基本方程的含义。
这些方程所构成的联立非线性偏微分方程组，不能用经典的分析法，只能用数值方法求解。
数值模拟方法具有经济、高效的特点。
此次课程是利用GAMBIT和FLUENT软件对气体在管道中流动进行模拟运算，包括如下步骤：
（1）建立反映工程问题或物理问题本质的数学模型。
具体地说就是要建立反应问题各个量之间关系的微分方程及相应的定解条件，这是数值模拟的出发点。
这里采用Fluent软件中的
（2）进行计算。
这部分工作包括计算网格划分，初始条件和边界条件的输入，控制参数的设定等。
这是整个工作中花时间最多的部分。
需要花时间去完成。
这里可用Gambit和Fluent软件去进行模拟。
（3）显示计算结果。
计算结果一般通过图表等方式显示，这对检查和判断分析质量和结果有重要意义。
1.6研究意义
通过对管道内速度的数值模拟，了解管道内的速度分布情况，从而分析管道进口段流动特性的分析，使管道流动技术发展速度更迅速，并且很够更好在工业，农业领域上更好的发挥它的作用做前期基础研究。
2理论方法
2.1控制方程
2.1.1质量守恒方程
任何流动问题都必须满足质量守恒定律。
该定律可表达为：
单位时间内流体微元体中质量的增加，等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量。
按照这一定律，可以得到质量守恒方程（massconservationequation）：
（2-1）
是密度，
是时间，
、
是速度矢量在x、y、z方向的分量。
2.1.2动量守恒方程
动量守恒定律也是任何流动系统都必须满足的基本定律。
微元中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和。
按照这一定律，可导出x、y、z三个方向的动量守恒方程（momentumconservationequation）：
（2-2a）
（2-2b）
（2-2c）
式中，p是流体微元体上的压力；
等是因分子粘性作用而产生的作用在微元体表面上的粘性应力
的分量；
是微元体的体力，若体力只用重力，且z轴竖直向上，则
=0，
=0，
=
。
上面是对任何类型的流体。
对于牛顿流体，粘性应力
与流体的变形率成比例，有：
（2-3a）
（2-3b）
（2-3c）
2.1.3湍流的控制方程
湍流是自然界非常普通的流动类型，湍流运动的特征是在运动过程中液体质点具有不断的互相混掺的现象，速度和压力等物理量在空间和时间上均具有随机性质的脉动值。
上面（2-3）式又称为Navier-Stokes方程。
更是三维瞬态Navier-Stokes方程，无论对层流和湍流都适用。
2.2k-模型
流体按湍流对待，选择标准
湍流模型，模型的所有系数用默认值。
在模型中湍动耗散率的
被定义为：
（2-4）
湍动粘度
可表示成k和
的函数，即：
（2-5）
一般都可以用一个通用形式来表示：
使用散度符号，上式记为：
（2-6）
而本文用到的
湍流模型中，
，扩散系数
，源项
2.3采用方法
2.3.1GAMBIT软件介绍
（1）显示区
该区域位于整个窗口的中央,是6大区域中最大的一块,用于显示几何模型及生成网格图。
如果需要，该显示区可以拆分为4个小区，这样便于显示和操作。
这里显示出的是一透平机械的网格图，没有对显示区进行拆分。
（2）菜单区
GAMBIT的菜单区位于显示区的上方，共有File、Edit、Solver和Help4个菜单。
其中，File菜单提供的操作包括打开文件、保存文件、从文件中导入模型、导出当前模型、退出等。
Edit菜单提供的操作包括修改系统设置、取消上一步操作、重复刚取消的操作等。
Solver菜单用来选择求解器的类型，如FLUENT5、FLUENT4.5、FIDAP、POLYFLOW、NEKTON、ANSYS等。
Help显示帮助信息。
（3）操作区
操作区位于界面右侧，由3个层次的命令组及当前命令使用的对话框构成。
其中，第一层次的命令组为Operation，包含4个二级命令组，依次为Geometry（几何操作）、Mesh（网格划分）、Zone（区域指定）和Tools（工具）。
这4个命令组分别有一个按钮与之对应。
使用GAMBIT的大部分命令都通过这4个按钮发出。
它们的功能分别是：
Geometry命令组提供了建立点、线、面及组的多种方法，以及相关的颜色控制、信息统计和数据删除等功能；
Mesh命令组包括对边界、线、面、体和组的网格划分、网格联结、信息修改等功能；
Zone命令组用于指定和命名模型及模型的边界；
Tools命令组提供了网格生成时的一些辅助工具。
刚一启动Gambit时，只显示最高层次命令组，即Operation命令组。
单击命令组中的某个命令按钮时，会出现相应的二级命令组。
单击二级命令组中的按钮，会出现三级命令组。
（4）操作提示区
操作提示区位于显示区下方，由两个小窗口构成，标题分别为Transcript和Description。
其中，Transcript窗口用于显示操作信息，包括完成过程中的一些重要信息和操作失败的原因。
Description窗口给出当鼠标指针移到某个按钮上的提示信息。
（5）命令提示行
命令提示行位于界面的最下方，窗口的标题是Command。
用户可在该区域输入所需要的命令。
（6）控制区
控制区位于界面右下角，标题为GlobalControl。
通过单击该区域内的按钮，可对显示区内坐标系标志、颜色、模型的各个显示属性等进行控制。
控制区中第一行上的5个小图标按钮，用于控制显示区的4个小区。
第1个小图标按钮控制左上区，若图标按钮中的深色部分是红色，则表明显示区的左上区是活动的，可以进行操作，例如改变显示角度等；
如果是灰色的，那么左上区不能进行操作。
第2到第4个图标的功能与之类似。
最后一个图标的作用是将显示区中所有的小区变为活动的。
第2行中的各个图标按钮的作用是控制显示区域大小和视角等。
5个按钮的功能依次是：
缩放图形显示范围以使图形整体全部显示在当前窗口中，设置旋转图形时用的旋转轴心，使用上一次的菜单及窗口配置更新当前显示，改为光源的位置和撤消上一步的操作。
第3行中的各个图形按钮的作用是控制显示属性。
5个按钮的功能分别是：
为模型显示确定方位、指定模型是否可见等属性、指定模型显示的外观（如线框、渲染或消隐等）、指定颜色模型（是否将模型颜色与几何属性相关联）及放大局部网格模型（用于对网格进行仔细考察）。
在GAMBIT中，按下鼠标左键并拖动，可以实现模型的旋转；
按下中键并拖动，可以移动模型；
按下右键并向上拖动可以缩小模型，向下拖动则放大模型，向左或向右拖动则旋转模型；
同时Ctrl键和鼠标左键，在屏幕上拖出一个矩形框，则将模型在矩形框中的部分放大到整个显示区；
同时按Shift键和鼠标左键，表示选中模型或者模型的几何元素，该功能只在特定的操作过程中有效。
2.3.2GAMBIT操作步骤
对于一个给定的CFD问题,可利用GAMBIT,按如下3个步骤生成网格文件：
（1）构造几何模型。
这个环节既可利用GAMBIT提供的功能完成，也可在其他CAD软件中生成几何模型后，导入GAMBIT之中。
在生成几何模型后，可将该模型以默认的dbs格式或其他CAD格式（如ACIS格式）保存到磁盘上。
（2）划分网格。
这个环节需要输入一系列参数，如单元类型、网格类型及有关选项等。
这是生成网格过程中最关键的环节。
对于简单的CFD问题，这个过程只是操作几次鼠标的问题，而对于复杂的问题，特别是三维问题，这一过程需要精心策划、细心实施。
这个环节结束后，一个与求解域完全对应的网格模型便制作出来，用户可从多个视角观察这个网格模型。
（3）指定边界类型和区域类型。
因CFD求解器定义了多种不同的边界，如壁面边界、进口边界、对称边界等，因此在Gambit中需要先指定所使用的求解器名称（如Fluent5/6），然后，指定网格模型中各边界的类型。
如果模型中包含有多个区域，如同时有流体区域和固体区域，或者是在动静联合计算中两个流体区域的运动不同，那么必须指定区域的类型和边界，将各区域分开来。
当上述3个过程全部结束后，可将带有边界信息的网格模型存取（文件扩展名为*.dbs）或输出为专门的网格文件（*.msh）,供CFD求解器读取。
2.3.3FLUENT软件介绍
Fluent软件是流体力学中通用性较强的一种商品软件，它不但可以为工程设计服务，亦可用于科学研究。
它的软件设计基于“CFD计算机软件群”的概念，针对每一种流动的物理问题的特点，采用适合于它的数值解法在计算速度，稳定性和精度等各方面达到最佳，再将不同领域的计算软件组合起来，成为CFD软件群，从而高效率的解决各个领域内复杂流动的计算问题。
这些不同软件可以计算流场，传热和化学反应，各个软件之间可以方便地进行数值交换。
各种软件采用统一前后端处理工具，为Fluent的通用化建立了基础。
关于Fluent软件的详细操作在后面将被具体介绍。
2.3.4FLUENT操作步骤
FLUENT是一个求解器，在使用FLUENT进行求解之前，必须借助GAMBIT、TGRID或其他CAD软件生成网格模型，采用GAMBIT进行网格生成。
（1）制订分析方案
在使用FLUENT前，首先应针对所要求解的物理问题，制订比较详细的求解方案。
制订求解方案需要考虑的因素包括以下内容：
1:
决定CFD模型目标。
确定要从CFD模型中获得什么样结果，怎样使用这些结果，需要怎样的模型精度。
2:
选择计算模型。
在这里要考虑怎样对物理系统进行抽象概括，计算域包括那些区域，在模型计算域的边界上使用什么样的边界条件，模型按二维还是三维构造，什么样的网格拓朴结构最适合于该问题。
3:
选择物理模型。
考虑该流动是无粘、层流，还是湍流，流动是稳态还是非稳态，热交换重要与否，流动是用可压还是不可压方式来处理，是否多相流动，是否需要应用其他物理模型。
4:
决定求解过程。
在这个环节要确定该问题是否可以利用求解器现有的公式和算法直接求解，是否需要增加其他的参数（如构造新的源项），是否有更好的求解方式可使求解过程更快地收敛，使用多重网格计算机的内存是否够用，得到收敛解需要多久的时间。
一旦考虑好上述各问题后，就可开始进行CFD建模和求解。
（2）求解步骤
当决定了
（1）中的几个要素后，便可按下列过程开展流动模拟。
●创建几何模型和网格模型（在GAMBIT或其他前处理软件中完成）。
●启动FLUENT求解器。
●导入网格模型。
●检查网格模型是否存在问题。
●选择求解器及运行环境。
●决定计算模型，即是否考虑热交换，是否考虑粘性，是否存在多相等。
●设置材料特性。
●设置边界条件。
●设置控制求解的有关参数。
●初始化流场。
●开始求解。
●显示求解结果。
●保存求解结果。
●如果必要，修改网格或计算模型，然后重复上述过程重新进行计算。
3模拟方案介绍
3.1了解研究区域并生成几何结构
本文为气体在直管道内的流动，首先要模拟出一个管道。
打开Fluent软件的前处理块Gambit,单击Operation/Geometry/Face/CreateRealRectangular按钮,在弹出的CreateRealRectangularFace对话框中,分别输入两个坐标值，再把Direction中改成+X,+Y,构建管道，如图3.1。
图3.1模拟区域几何模型
3.2划分网格
单击Operation/Mesh/Face/MeshFace按钮,弹出MeshFaces对话框。
在列表框内选取前面生成面，在IntervalSize（指定网格间隔）一栏输入10，单击Apply按钮后，生成面网格，如图3.2。
图3.2面网格图
3.3指定边界类型
具体过程：
（1）指定求解器名称。
在Solver菜单中指定求解器为FLUENT5/6。
（2）指定边界类型。
单击Operation/Zones/SpecifyBoundaryTypes按扭，弹出SpecifyBoundaryTypes对话框。
在对话框中，分别指定：
选定矩形左边的线条，在Type中选类型为VELOCITY_INLET（速度进口），取名为inlet；
选定矩形右边的线条，在Type中选类型为OUTFLOW，取名为out；
③选定矩形的上下2条线，在Type中选类型为WALL（固壁），取名为wall。
操作完成后，网格模型表面上仍维持原样，但实际上已包含有边界类型的信息和体的类型的信息。
调用File/Export/Mesh命令，给定文件名（如X.msh），可将上述网格模型存盘了，接下来将在FLUENT中对此模型进行求解和分析。
3.4采用FLUENT进行求解
（1）准备计算网格
以二维单精度（2d）方式启动FLUENT。
读入前面生成的网格文件X.msh。
由于在GAMBIT中使用的是mm，而FLUENT内部存储网格的长度单位是m，所以需要单击Grid/Scale把单位改成mm。
然后，对GAMBIT生成的网格进行检查。
（2）设置模型
采用FLUENT默认的求解器（即分离式求解器）、稳态流动、绝对速度公式。
FLUENT提供了分离式和耦合式两类求解器。
分离式求解器主要用于不可压流动和微可压流动，而耦合式求解器用于高速可压流动。
因为本课题涉及到的
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