CosmosFloworks在管道流體分析中的應用

何 岳

（中國農業機械化科學研究院,北京 100083)

CosmosFloworks在管道流體分析中的應用

何 岳

（中國農業機械化科學研究院,北京 100083)

隨著加工制造技術的升級，傳統的流體管道系統設計方法已經不能很好的滿足新的需求。CFD（計算機輔助流體動力學計算）作為一項嶄新的技術，在流體管道系統設計領域正得到廣泛的應用，通過對流體運動的規律進行數值計算，利用如歐拉方程、N-S方程等數學方程組來對整個系統進行計算模擬。本文擬通過利用CFD軟件CosmosFloworks在管道流體分析中的簡單案例，來講解在流體管道系統設計過程中應用這一技術帶來的的優勢和特點。

管道；流體分析；流體動力學；CosmosFloworks、CFD

1 管道系統開發中面臨的挑戰

在流體管道系統設計中大量利用經驗公式和制造的實物進行驗證，那么會存在以下幾個問題。

（1）整體系統內部的管路性能參數和整體質量水平都必須依靠試驗才能確定；

（2）流體作用在過流部件上的壓力載荷無法求出；

（3）一些被流體包圍的部件的結構強度難以計算；

（4）整體結構的安全性與經濟性難以取舍；

面對以上問題，傳統方法已經限制了新型、大型管道系統的設計，近年來利用CFD技術解決上述問題的方法在國內外取得了廣泛應用。

2 CFD概述

上世紀六十年代前，對流體運動規律進行研究的辦法主要有兩種：一是將產品放在實際工作環境中進行實驗；另一種則是利用簡化的數學模型進行解析。前者需要交大的成本投入，而后者對復雜的計算問題則無能無力。近年來，計算流體動力學作為一種流體分析研究的方法有較快的發展，該方法通過計算機計算流體流動學方程，研究流體運動的規律，簡稱CFD。

在市面常見的CFD軟件中，CosmosFloworks是一款功能豐富、操作簡單方便，交互界面較為人性化的CFD軟件。下面以CosmosFloworks模擬計算簡易變徑管道為例，簡單介紹CFD軟件在管道流體分析中的應用。

3 用CosmosFloworks計算流體動力學問題的過程

3.1 建模

CFD計算定義為大型數值求解，為縮短計算時間，模型必須經過簡化。由于管道內流體的流動較復雜，為了避免出口上產生渦流影響計算結果，應當適當延伸管道長度，以是、使CosmosFloworks能夠自動查找封閉的空間并設定為計算區域。

3.2 運行設置向導

CosmosFloworks有關初始條件的設定操作非常簡單。設置向導提示，過程依次為設定單位→設定介質→物理特征→分析條件→表面粗糙度→流體參數→初始邊界條件→設定計算精度。

3.3 網格控制

CosmosFloworks的網格結構劃分基于笛卡爾坐標系進行。控制劃分網格精度有以下兩種方法，一種是選定自動劃分網格選項后由軟件自行完成網格劃分；另一種方法是選定自定義劃分網格選項后，選中需要細化的對象對其局部的網格進行進一步的細分。

3.4 設定邊界條件

3.5 計算

對配置名單擊鼠標右鍵，點擊“Run”開始計算，通過軟件可對計算過程監視。

4 流體阻力系數的計算

4.1 基礎理論

隨著流速的增大，流阻系數ξ與雷諾數Re逐漸趨近于一條水平線，壓力的損失△p與流速V平方成比例，有：Re＞Re2

式中，Re2為邊界條件雷諾數，r0為流體半徑，ε為表面粗糙度。

式中，Re為初始條件雷諾數，V為平均流速，d為管道內徑，μ為流體粘度。

式中，ΔP為壓差，流速為V，單位為m/s，△P λ為沿程壓力損失。

4.2 邊界條件

設變徑后尺寸為原直徑的100%（即不存在變徑），流體阻力系數求解的邊界條件是在管道出入口兩側定義一個壓差，如圖1所示；再根據計算結果判斷流阻系數。

圖1

4.3 計算結果

通過CosmosFloworks模擬導出的一組數值如表1：

閥前后壓差(Pa) 100000 200000 300000 400000流量（m3/s） 8.08 11.42 13.99 16.15流速(m/s) 21.73 30.74 37.65 43.47雷諾數Re 14953525 21147423 25900237 29910439邊界雷諾數Re2 19586954 19586954 19586954 19586954流阻系數 0.386 0.389 0.391 0.391

由表1可以得出，當前后壓差等于2e5Pa時，流阻系數大致穩定為一個常數，取值為0.391。

5 流體流通系數計算

5.1 基礎理論

5.2 邊界條件

邊界條件的設定與流量系數C值的設定相同，設前后差壓為10MPa，設管道內壁的表面粗糙度為Ra6.3。

5.3 計算結果

經分析可得流量系數C與直徑變化的關系如圖2。

6 結論和展望

CosmosFloworks軟件可以實現從生成網格到輸出結果的一站式分析計算，可以同時設置多個配置分別運算，方便設計人員進行參數化設計，能夠同時對多個相似方案進行參數對比，在計算系統管道內部的流體特性參數可以節省大量的時間和人力成本。此外該分析結果還能夠被結構分析軟件直接導入，利用自身的參數優化功能，輔助設計人員對管道系統進行結構與尺寸參數的優化。CosmosFloworks軟件能夠滿足對于系統內部的管道流體的分析需求，是一種功能豐富、操作簡單的CFD軟件。

[1] SolidWorks公司.CosmosFloworks Fundamentals[M].2006.

[2]王福軍.計算流體動力學分析—CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[3]葉修梓，陳超祥.SolidWorks 2005基礎教程：零件與裝配體[M].北京：電子工業出版社，2005.