基于FLUENT的壓力管道內部流場分析

張 宇，欒江峰, 張斯亮

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基于FLUENT的壓力管道內部流場分析

張 宇，欒江峰, 張斯亮

(遼寧石油化工大學，遼寧 撫順 113001)

針對壓力管道，利用計算流體動力學軟件FLUENT，對其內部流場進行了數值模擬，得到了管道內部合理的壓力場分布。通過對比三種不同直徑的壓力管道，得到了管道直徑對其內部壓力場影響的變化規律；同時本文探索了溫度對管道內部流場變化規律的影響，為今后壓力管道的設計和使用提供了一定的借鑒作用。

壓力管道；數值模擬；FLUENT

1 計算模型

1.1 幾何建模與網格劃分

本文中壓力管道直徑=，其中=720 mm，1 080 mm，1 440 mm，長度=12 800 mm；流體介質選用燃料油，管內流動為湍流。在使用GAMBIT軟件劃分網格時，采用Cooper網格劃分方式，當=1 080 mm時，網格總數為684 894個，節點總數179 170個。管道計算域三維網格如圖1所示。

圖1 壓力管道計算域網格劃分示意圖

1.2 計算方法

任何物質的流動都必須滿足連續性方程。本文主要研究燃料油在管道內部的流動特性，假設，它可以看作是不可壓縮流動，故其在空間直角坐標系下的連續性方程為：

其中：、、—速度矢量在、、方向的分量。

其中:—流體密度；

—流體動力粘度；

1ε、2ε、3ε—經驗常數，取值分別為1.44、1.92、0.99；

和的普朗特數σ和σ—1.0和1.3[10]。

1.3 邊界條件

本文中計算域入口采用速度入口，初始速度為1.5m/s，出口采用壓力出口，為一個標準大氣壓；管道內液體為燃料油（C19H30）,密度為960 kg/m3；初始溫度分別為10，25，40 ℃；管道內壁面設為無滑移條件，=0，=0，=0[11]，壓力差分格式采用標準離散差分格式，動量方程、湍動能方程和湍動能耗散率均采用一階迎風差分格式，通過SIMPLE算法耦合求解速度與壓力方程。

2 計算結果與分析

2.1 壓力管道內部壓力場分布隨管道直徑變化規律分析

圖2為不同管道直徑在25 ℃時內部壓力場分布，為了便于對比研究，作距離管道入口端分別為=2 560，5 120，7 680，10 240 mm的4個截面，從圖中可以看出，隨著管道直徑的增大，其內部各截面的壓力值有減小的趨勢，并且減小的趨勢逐漸變小，這有對于減小管道壁的受壓，但是還要考慮速度場和溫度對其的影響因素。

圖2 25 ℃時壓力管道內部壓力場分布

2.2 壓力管道內部速度場分布隨管道直徑變化規律分析

圖3為不同管道直徑在25 ℃時內部速度場分布，從圖中可以看出，管道內部流體的速度隨著管道直徑的增大有減小的趨勢，但是減小的趨勢很小，并且在=1 080 mm以后管道內部速度幾乎不變，趨于穩定。

圖3 25 ℃時壓力管道內部速度場分布

綜合考慮管道內部壓力場與速度場的分析得知，隨著直徑的增加管道內部壓力場減小，有利于減小管道壁的受壓，而管道內部速度場同樣也減小，不利于液體流動；當管道直徑大于1 440 mm時，其內部壓力幾乎不會進一步減小了，所以，對于大口徑壓力管道直徑的研究表明，管道直徑為1 440 mm時最有利于液體流動，且管道壁受壓力最小。

2.3 壓力管道內部流場受溫度變化影響的分析

圖4是管道直徑為1 080 mm時，初始溫度分別為10，25，40 ℃時，其內部壓力場于速度場分布。

圖4 在不同初始溫度時管道內部壓力場與速度場分布

從圖中可以看出，隨著初始溫度的升高，管道內部壓力和速度都有減小的趨勢，并且在溫度從25 ℃到40 ℃的過程中，壓力與速度都幾乎不變，達到了極小值。由此可知，溫度只有在小于25 ℃時，對該直徑的壓力管道內部流場影響明顯，在溫度大于25 ℃時，幾乎沒有影響。

3 結語

（1）利用計算流體力學軟件FLUENT，對壓力管道內部流場的變換規律進行了探索，隨著管道直徑的增加，其內部壓力有明顯的減小趨勢，當直徑大于1 080 mm時，其內部壓力不會進一步減小，有利于減小管道壁的受壓；而管道內部速度減小的不明顯，并且在管道直徑為1 080 mm以后，其內部速度不受直徑的影響，因此得出結論，對于大口徑壓力管道，其直徑為1 440 mm時最有利于液體流動，且管道壁受壓力最小。

（2）管道內部流場也會受到溫度的影響，隨著溫度的升高，管道內部壓力和速度都有減小的趨勢，但這種趨勢不明顯，在溫度大于25 ℃時，管道內部流場幾乎沒有受到影響。

（3）本文只對管道內部流場進行了分析，在今后的研究工作中，還要結合ANASY，ABAQUS等軟件對壓力管道進行應力分析，以此對其進一步的研究。

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Analysis on Flow Field in Pressure Pipeline Based on FLUENT

,,

( Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China)

The flow field in pressure pipeline was numerically simulated by computational fluid dynamics software FLUENT, a reasonable pressure field distribution was obtained. By comparing pressure field distributions of three different diameter pressure pipelines, effect of pipeline diameter on the pressure field was obtained; At the same time, influence of temperature on the flow field in the pipeline was investigated, which could provide the reference for use and design of pressure pipelines in the future.

Pressure pipeline；Numerical simulation；FLUENT

TE 832

A

1671-0460（2014）06-1106-03

2013-12-11

張宇（1986-），男，遼寧鐵嶺人，碩士研究生，研究方向：從事化工過程機械技術工作。E-mail：yzhang0419@163.com。

欒江峰（1974-），男，遼寧沈陽人，副教授，博士，研究方向：從事化工過程機械技術工作。E-mail：ljfdd2001@126.com。