基于CFX的壓力管道內部流體流動特性研究

彭泉

（武漢工程大學，湖北 武漢 430205）

基于CFX的壓力管道內部流體流動特性研究

彭泉

（武漢工程大學，湖北 武漢 430205）

以化工機械中的L型壓力管道為研究對象，結合計算流體動力學理論，借助ANSYSCFX14.0流體分析軟件，采用數值模擬方法對其內部的流體流動特性進行了探索，得到了管道內部和管道出口處的速度場、壓力場分布等重要流體信息。并研究了彎管直徑對管道內部速度和壓力分布。獲得了管道內徑變化對管道內部壓力場和速度場變化規律。研究結論對壓力管道的設計和工程運用提供了一定的參考。

壓力管道；數值模擬；流動特性；CFX

壓力管道在工程實際中廣泛運用，特別是在化工領域，其運用隨處可見，廣泛運用于天燃氣的輸送中。壓力管道孔徑大小、材料、流體在管道內的流動速度和溫度都會對管道內部流體的流動特性息息相關。因此，對壓力管道的壓力變形和裂縫擴散等研究一直有工作者在進行。現有學者是從有限元的角度對壓力管道內部的流動特性進行過深入研究。本文正是在此基礎上，針對壓力管道的孔徑變化和入口出流體的溫度變化對壓力管道的速度分布、壓力分布等重要特性進行了對比分析，從而為不同情況下壓力管道結構、壁面厚度以及材料選擇等提供參考。隨著計算機技術的飛速發展和有限元理論的不斷完善，CFD技術已經成為有限元的一個重要分支，本文在借鑒了已有研究的基礎上，借助于大型流體計算軟件CFX，結合標準湍流模型和壁面函數，對壓力管道內部的速度和壓力分布進行了仿真分析，為壓力管道的設計和優化等提供了一定的參考。

1 有限元模型的建立

1.1 三維建模與網格劃分

本文中L型壓力管道直徑D依次設置為20mm、40mm、60mm，兩端長度均為L=200mm；流體介質選用水，切關內流動視為湍流。網格劃分軟件采用集成在ANSYS中的專業流體劃分軟件ICEMCFD14.0，體網格用四面體網格劃分，生成方法用軟件默認方式，D=20mm時，網格總數為523861個，節點總數123654個。壓力管道流體域的網格模型參考圖1是入口截面上的網格分布狀況參考圖2。

1.2 數值模擬方法

本文研究水在壓力管道內的流動特性，假設該過程中水是不可壓縮的介質，因此在流場計算過程中遵循質量守恒、動量守恒和能量守恒，當前計算流體動力學中一般將關于三個守恒的方程合并到一個控制方程中，具體如下：

圖1 壓力管道流體域網格模型

圖2 壓力管道入口截面的網格分布

上式（1）中，各項依次為瞬態項、對流相、擴散項和源項。t為流體運動時間，s；為流體密度，kg/m3；為廣義擴散系數；為通用變量；s為廣義源項；為速度矢量，m/s。流體在壓力管道中的流動視為不可壓縮的定長流動，同時考慮彎管處存在湍流運動，因此采用標準湍流方程和相應的壁面函數描述液體在管道內的流動狀態。

1.3 邊界條件的施加

本文中計算域為整個L型壓力管道的內部流體區域，并采用6m/s的流體入口速度和壓力出口，其中出口壓力相對于大氣壓力為0Pa。管道內流動介質為常用C19H30燃油，密度為960kg/m3；工作溫度為室溫，25℃；考慮到然后運動過程中會受到管道壁面的影響而呈現不同的流速，因此管道內壁面設置為無滑移壁面；壓力差分格式是標準離散差分格式，最大收斂迭代次數為20000，時間尺度控制為自動控制，數值大小設為1；殘差收斂值為默認值。

2 計算結果分析

2.1 不同孔徑下的管道內部壓力分布

當室溫環境下，燃油以25℃的溫度從入口流經壓力管道內壁面，然后從出口流出。不同內徑的壓力管道在室溫條件下內部壓力分布狀況如圖3所示，圖中截面通過壓力管道的軸線位置。由圖可知，不同內徑的壓力管道內部壓力分布趨勢大致相同，最大正壓和最大負壓均出現在L型管道的拐彎處。切靠近入口和出口的位置壓力值較小。但是不同內徑的壓力管內部最大正壓和最大負壓值均不相等。隨著內徑由20mm增加到60mm后，最大正壓也依次增加，其值大小為5371Pa、5509Pa、5959Pa，說明在相同入口速度下，隨著管道內徑，其內部的最大壓力也會隨之增加，且均出現在L型壓力管道的外圓角處。類似地，最大負壓值也隨內徑的增加而增加，但是出現部位是L型壓力管的內圓角處。

圖3 室溫下管道內部壓力分布

2.2 不同孔徑下的管道內部速度云圖

不同內徑的壓力管道在室溫條件下內部速度分布狀況如圖4所示，與上文一樣，圖中截面通過壓力管道的軸線位置。由圖可知，當流體介質以相同的的速度從入口流進后，不同內徑的壓力管道內部速度分布卻發生了較大的差異。隨著管徑增加，最大速度值也隨之增加，當管道內徑為60mm時，流體速度最大值為7.3m/s。當然，雖然在數值上速度值有所差異，但是在分布趨勢上確實一直的，最大速度均出現在拐角處。其原因是來自入口的流體介質在壓力管拐彎處發生聚集和湍流作用，速度方向也隨之變化，最終導致道速度值有所增加。當然，隨著內徑增加，壓力管道內部的整體速度分布云圖會更加均勻。相反，內徑越小，管道內部不同區域的速度分布則會呈現較大的差異性。

圖4 室溫下管道內部速度云圖

2.3 不同孔徑下的出口的壓力分布

在壓力管道的設計和分析中，研究人員不僅僅關心壓力管道表面的裂紋擴散和材料等情況，其實更多關注的是當流體介質從入口進入后，流經整個壓力管道最終到達出口的壓力和速度分布狀況，因為兩個參數將更加有助于研究壓力管道內壁面的便面粗糙度、管道結構形式等對壓力和速度造成的影響狀況，有利于研究人員開展流體阻力損失等的研究。因此，本文除了關注管道內部的壓力和速度分布外，還提取了壓力管道出口的壓力和速度進行分析。

不同內徑的壓力管道在室溫條件下出口的壓力分布如圖5所示，與上文一樣，圖5中截面通過壓力管道的軸線位置。由圖5中各個內徑下的標尺可知，不同內徑的壓力管道出口的壓力分布趨勢類似，在靠進圓心的位置呈現負壓，而在靠近壁面的地方壓力值最大。因為流體在流通過程中都是在壓力管道內壁面的吸附作用下運動的，所以實際上圓形壓力管道的軸線位置基本上是空氣，所以壓力分布呈現出圖5中的特點。但是隨著管道內徑增加，最大正壓和最大負壓均呈現減小的趨勢。

圖5 室溫下管道出口壓力分布

2.4 不同孔徑下的出口的速度云圖

不同內徑的壓力管道在室溫條件下出口的速度云圖如圖6所示。可知隨著管道內徑的增加，出口處的速度分布呈現規律性變化：靠近壁面周圍的速度大小為0m/s，因為在進行數值模擬過程中，管道內壁面是設置為無滑移壁面的。而不在壁面的區域速度值較大。隨著內徑增加，有一片速度較小的區域將逐漸向圓心位置移動。

U173.91

A

1671-0711（2016）11（下）-0132-03