多相流試驗(yàn)臺(tái)管道上彎管內(nèi)流場(chǎng)分析

于利偉 朱漢華 鐘駿杰 范世東

武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 武漢 430063

多相流試驗(yàn)臺(tái)管道上彎管內(nèi)流場(chǎng)分析

于利偉 朱漢華 鐘駿杰 范世東

武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 武漢 430063

利用ANSYS軟件中FLOTRAN CFD對(duì)多相流的彎管處流體流場(chǎng)進(jìn)行建模、劃分網(wǎng)格、加載，分析得出流體流經(jīng)彎管處的壓力分布圖和速度矢量分布圖。探尋流體在流經(jīng)彎管時(shí)速度和壓力的變化，找出造成壓力損失的主要原因，并找到管道內(nèi)易損壞的部位，為多相流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供合理的依據(jù)。

多項(xiàng)流彎管ANSY S／FLOTRAN CFD

在多相流試驗(yàn)臺(tái)中，管道是重要的組成部分，它的結(jié)構(gòu)、布局、組成元件等因素對(duì)管道的輸送特性有決定性的影響，直接關(guān)系到多項(xiàng)流試驗(yàn)系統(tǒng)的能量消耗、輸送能力和管壁磨損等工作性能，因此，管道設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)管道流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值分析和參數(shù)優(yōu)化。

輸送管道中多項(xiàng)流的流場(chǎng)非常復(fù)雜，尤其是在流經(jīng)彎管處流場(chǎng)的擾動(dòng)特別大，其流動(dòng)速度和管流壓力等參數(shù)發(fā)生明顯的變化，產(chǎn)生較大的壓力損失，因此，在試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)必須分析這些變化因素。以往在管道流場(chǎng)參數(shù)的理論分析中，常用的方法是假設(shè)流體經(jīng)過彎管后的速率保持不變，壓力損失也是由經(jīng)驗(yàn)公式估算，雖然分析計(jì)算簡(jiǎn)單，但存在較大的誤差，沒能清楚描述流體在彎管處的流場(chǎng)變化情況。

從試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)的實(shí)際情況出發(fā)，綜合考慮管道輸送中的工況參數(shù)和邊界條件，利用有限元軟件ANSYS中的FLOTRAN CFD分析功能，對(duì)管道流經(jīng)彎管處速度和壓力的變化進(jìn)行數(shù)值分析，得出流場(chǎng)中壓力和流速的變化情況。

1 多相流試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

加氣助送試驗(yàn)臺(tái)主要由輸送管道、加氣裝置和攪拌裝置組成，見圖1。

圖1 三相流管道試驗(yàn)系統(tǒng)

1）輸送管道。包括水池、輸泥管、玻璃管、泥泵、電機(jī)和控制閥等，主要是完成泥漿輸送。輸送管道為一閉循環(huán)系統(tǒng)，泥漿從泥池吸出，由排泥管排回到泥池。在管路上安裝兩段透明玻璃管用以觀察多相流在管道中的流動(dòng)狀態(tài)。

2）攪拌裝置。試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)介質(zhì)為水和泥的混合物，在靜止?fàn)顟B(tài)下它容易分離、沉降，為了使試驗(yàn)過程中保持泥漿的濃度均勻，特配備一臺(tái)攪拌泵，使泥池中的泥漿保持為均勻的懸浮液。

3）加氣裝置。包括加氣噴嘴、射流泵、空氣壓縮機(jī)、空氣瓶、各種氣閥和氣液混合裝置。從主泥管上引出一支管到射流泵的入口，流體經(jīng)射流泵增壓后與壓縮空氣一起通過加氣噴嘴重新加入到主泥管中。噴嘴安裝在泥管90°拐角處，通過噴嘴使壓縮空氣加入泥管，并與泥漿均勻混合［1］。

2 模型與分析

ANSYS軟件中的FLOTRAN CFD分析功能模塊是分析一維及二維流體流場(chǎng)先進(jìn)工具，能夠?qū)α鲌?chǎng)的多種問題進(jìn)行分析，其中的FLUID 141和FLUID 142單元類型可用來解算粘性流體的一維和二維流動(dòng)、壓力和溫度分布［2-3］。分析主要步驟為［4］：

1）確定問題區(qū)域；

2）確定流體的狀態(tài)；

3）生成有元網(wǎng)格；

4）施加邊界條件；

5）設(shè)置FLOTRAN分析參數(shù)；

6）求解。

利用FLU1D 141單元類型來求解流體的速率和壓力分布，選擇水流進(jìn)行流場(chǎng)分析，其他流體也可以依此例進(jìn)行分析。

2．1 初始條件

分析對(duì)象為圖1中AB之間一個(gè)直徑D＝0．3 m的彎管，彎管示意見圖2。

圖2 彎管截面結(jié)構(gòu)圖

彎管內(nèi)的流體流速v＝12．5 m／s，方向平行于垂直管道軸線；流體的溫度t為20℃；流體的密度ρ＝998．2 kg／m3，動(dòng)力粘度μ＝0．001 Pa·s。

2．2 模型建立

由于輸泥管道中的彎管是軸對(duì)稱的圓形結(jié)構(gòu)，所以對(duì)彎管的分析是軸對(duì)稱問題，可以取過彎管軸線的截面進(jìn)行二維分析，在ANSYS中建立彎管二維簡(jiǎn)化模型，這樣可以節(jié)省計(jì)算機(jī)資源，提高運(yùn)行速度。

2．3 網(wǎng)格劃分

彎管分析模型中，所取的單元為FLUID 141號(hào)單元。由于流場(chǎng)在彎管彎曲處變化復(fù)雜，因此，劃分網(wǎng)格時(shí)將彎曲處的網(wǎng)格劃分進(jìn)行了加細(xì)處理，所得的網(wǎng)格劃分見圖3。

圖3 單元網(wǎng)格模型圖

2．4 邊界條件

假定內(nèi)管壁光滑，管內(nèi)溫度恒定，流體對(duì)管壁沖擊影響不計(jì)，管壁固定，在彎管入口處施加平行于彎管軸線的初速度v為12．5 m／s，彎管加載模型見圖4。

圖4 加載模型圖

2．5 求解

對(duì)加載后的模型進(jìn)行求解以后，可以得出輸泥管道中彎管處的壓力分布圖和速度矢量圖，見圖5、6。

圖5 流場(chǎng)的總壓力分布圖

圖6 速度分布的向量顯示

從圖5中可以看出，流體在彎管的內(nèi)彎半徑處發(fā)生明顯變化，在經(jīng)過拐點(diǎn)以前的壓強(qiáng)達(dá)到最大值19 kPa，而當(dāng)流體一經(jīng)過拐點(diǎn)的時(shí)候達(dá)到最小值—17 kPa。液體在出口管的壓力是從彎管的內(nèi)側(cè)到外側(cè)逐漸增大，在管道軸線附近達(dá)到和進(jìn)口管處相近的壓力，并一直保持到出口管外側(cè)壁不改變。

從圖6可以看出，流體的速度分布和壓力分布是相似的，在管道彎管的內(nèi)側(cè)處速度達(dá)到最大值23 m／s，但是在管道彎管的外側(cè)處降到最小值，速度幾乎為零。當(dāng)流體流過彎管之后進(jìn)入直管處時(shí)，流體在管道內(nèi)側(cè)明顯地形成一個(gè)低流速區(qū)域，速度接近于零，沿管道截面方向速度的變化趨勢(shì)由內(nèi)側(cè)向外側(cè)逐漸增大，并在管道軸線附近達(dá)到管道進(jìn)口處的流速。

3 結(jié)果分析

1）因?yàn)榱黧w具有粘性，所以在流體流經(jīng)管道拐角后就會(huì)產(chǎn)成旋轉(zhuǎn)，形成漩渦，產(chǎn)生較大的管內(nèi)流體阻力，從而帶來能量的損失，降低能量的利用率。

2）在彎管的拐角處速度的變化率過大，所以彎管內(nèi)壁受到了很大的穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)的液動(dòng)力，從而較容易產(chǎn)生管壁磨損。而且在彎管的外側(cè)和經(jīng)彎管后的平直管道的內(nèi)側(cè)產(chǎn)生很大的負(fù)壓區(qū)，因此容易在這些位置產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。

3）由于流體離心力作用和彎管處離心力作用產(chǎn)生的二次漩流效應(yīng)，所以在流體流經(jīng)彎管時(shí)改變了流體的速度方向和大小，產(chǎn)生壓力損失。

此外，利用ANSYS軟件能夠?qū)Χ囗?xiàng)流管道內(nèi)的不同流體進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值模擬分析，為研究者清楚了解流體在管道的流場(chǎng)狀況提供了一種實(shí)用的分析方法和手段。

［1］徐立偉．三相流管道輸送技術(shù)研究［D］．武漢：武漢理工大學(xué)，2002：4-25．

［2］湯 勃．三相流管道輸送加氣減阻與助送技術(shù)研究［D］．武漢：武漢理工大學(xué)，2002：1-20．

［3］段鵬文．ANSYS在除塵管道內(nèi)流場(chǎng)分析的應(yīng)用［J］．煤礦機(jī)械，2004（7）：1-5．

［4］楊國來．用ANSYS對(duì)海、淡水液壓錐閥的流場(chǎng)解析［J］．液壓與氣動(dòng)，2004（12）：1-5．

Analysis of flow field in the multiphase flow of a bend pipeline

YU Li-wei ZHU Han-hua ZHONG Jun-jie FANShi-dong
School of Energy and Power Engineering Wuhan University of Technology Wuhan 430063

The multiphase flow field in a bend pipe was modeled and analyzed in ANSYS／FLORAN CFD to obtain the distributions of pressure and velocity vector．Based on the numerical results，this paper discusses the causes of pressure loss，finds out the weaker part of the bend pipe．It can offer a rational basis for the design of the multiphase flow system．

multiphase flow bend pipe ANSYS／FLOTRAN CFD

U664．84

A

1671-7953（2007）02-0041-03

2006-09-18

修回日期2006-11-01

于利偉（1978—），男，碩士生。