Fluent软件管道中液固两相流动数值模拟研究报告

1、. 管道中液固两相流动数值模拟研究摘要：本次的课题研究主要是了解管道流动的概念及应用，熟悉管道固液两相流的一般计算，分析固体颗粒在环空油管中的沉降。采用商业软件对气体输送系统进展模拟。本课题利用Gambit建立几何模型，将模型导入Fluent进展模拟计算，Tecplot软件进展后处理，计算结果用可视化图形表示出来，进而加以分析和总结。本文对颗粒的沉降末速度进展了分析，分别建立了有、无接箍时的颗粒沉降模型，认为流体在油管中的流动是层流状态。模拟结果说明，固相的速度分布曲线与液相速度分布曲线相似，只是固相速度曲线相对液相速度分布曲线向下平移了一定数值；颗粒主要分布于环空油管的中部，且分布较均匀；在

2、忽略接箍的影响下，颗粒排出量要大于受接箍影响下的颗粒排出量，原因是接箍附近产生了涡流，颗粒沉降较多。关键词：固液两相流；数值模拟；Fluent软件中图：TB126. Pipe flow characteristics of entranceAbstract：Keywords：solid- liquid two -phase flow；Numerical simulation; Fluent softwareClassification: TB126. 目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc263776030摘要： PAGEREF _Toc263776030 h

3、IHYPERLINK l _Toc263776031Abstract PAGEREF _Toc263776031 h IIHYPERLINK l _Toc263776032目录 PAGEREF _Toc263776032 h IIIHYPERLINK l _Toc2637760331 引言 PAGEREF _Toc263776033 h 1HYPERLINK l _Toc2637760341.1 研究背景 PAGEREF _Toc263776034 h 1HYPERLINK l _Toc2637760351.2 国 PAGEREF _Toc263776035 h 1HYPERLINK l _T

4、oc2637760361.3 课题根本容和拟解决的主要问题 PAGEREF _Toc263776036 h 2HYPERLINK l _Toc2637760371.4 欧拉-拉氏模型 PAGEREF _Toc263776037 h 3HYPERLINK l _Toc2637760381.5 研究方法 PAGEREF _Toc263776038 h 3HYPERLINK l _Toc2637760391.6 研究意义 PAGEREF _Toc263776039 h 4HYPERLINK l _Toc2637760402理论方法 PAGEREF _Toc263776040 h 4HYPERLINK

5、 l _Toc2637760412.1控制方程 PAGEREF _Toc263776041 h 4HYPERLINK l _Toc2637760422.1.1质量守恒方程 PAGEREF _Toc263776042 h 4HYPERLINK l _Toc2637760432.1.2 动量守恒方程 PAGEREF _Toc263776043 h 4HYPERLINK l _Toc263776044层流的控制方程 PAGEREF _Toc263776044 h 5HYPERLINK l _Toc2637760462.2采用方法 PAGEREF _Toc263776046 h 6HYPERLINK

6、l _Toc2637760472.2.1 GAMBIT软件介绍 PAGEREF _Toc263776047 h 6HYPERLINK l _Toc2637760482.2.2 GAMBIT操作步骤 PAGEREF _Toc263776048 h 8HYPERLINK l _Toc2637760492.2.3 FLUENT软件介绍 PAGEREF _Toc263776049 h 8HYPERLINK l _Toc2637760502.2.4 FLUENT操作步骤 PAGEREF _Toc263776050 h 8HYPERLINK l _Toc2637760513 实验原理 PAGEREF _T

7、oc263776051 h 10HYPERLINK l _Toc2637760523.1工作原理 PAGEREF _Toc263776052 h 10HYPERLINK l _Toc2637760533.2 实验数据 PAGEREF _Toc263776053 h 10HYPERLINK l _Toc2637760544 模拟方案介绍 PAGEREF _Toc263776054 h 11HYPERLINK l _Toc2637760554.1了解研究区域并生成几何构造 PAGEREF _Toc263776055 h 11HYPERLINK l _Toc2637760564.2划分网格 PAGE

8、REF _Toc263776056 h 11HYPERLINK l _Toc2637760574.3指定边界类型 PAGEREF _Toc263776057 h 12HYPERLINK l _Toc2637760584.4采用FLUENT进展求解 PAGEREF _Toc263776058 h 12HYPERLINK l _Toc2637760595 计算结果与分析 PAGEREF _Toc263776059 h 14HYPERLINK l _Toc2637760605.1 PAGEREF _Toc263776060 h 错误！未定义书签。HYPERLINK l _Toc2637760615.

9、2 PAGEREF _Toc263776061 h 错误！未定义书签。HYPERLINK l _Toc2637760625.3 PAGEREF _Toc263776062 h 错误！未定义书签。HYPERLINK l _Toc2637760635.4 PAGEREF _Toc263776063 h 错误！未定义书签。HYPERLINK l _Toc2637760645.5 PAGEREF _Toc263776064 h 错误！未定义书签。HYPERLINK l _Toc2637760656 结论 PAGEREF _Toc263776065 h 15HYPERLINK l _Toc2637760

10、66参考文献 PAGEREF _Toc263776066 h 错误！未定义书签。HYPERLINK l _Toc263776067作者简介 PAGEREF _Toc263776067 h 17HYPERLINK l _Toc263776068学位论文数据集 PAGEREF _Toc263776068 h 18. 1 引言1.1研究背景流体管道是流体传输、传动和控制工程中用以输送流体介质、传递流体动力和信息的不可或缺的元件1。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2。固液两相流是多相流中较为常见的一种类型。在瓦特创造蒸汽机后，随着工业技术的开展，两

11、相流的研究开场受到重视3。固液两相流动研究广泛存在于自然界及能源、化工、石油、矿业、水利等各个领域。近年来，随着科学技术的日益兴旺，管道流动技术开展速度迅速，使固液两相流理论的应用在现代工业和科学技术各个领域中的重要性也越来越明显。由于固液两相混合物的部构造、状态、组成的复杂性，至今尚无统一的分类标准。两相流理论模型研究的早期尝试性工作大致是从20世纪40年代末开场。几十年来，人们根据不同的观点及假设建立了不同的两相流模型。各模型及特点如表11所示4。早期的模型考虑因素比拟少，形式简单，计算方便，但误差较大；后期的模型更加接近实际情况，比拟完善，然而计算困难，不能满足工程应用需要。由于目前对固

12、液两相流动规律的实际应用研究还不是很成熟，使得运用于具体设备中，过流部件磨损严重，使得设备寿命很低，造成了能源和设备上的浪费。因此,开展管道固液两相流动的理论与实验研究,分析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，对于完善管道输送技术理论根底,提高管道水力输送工程的设计和运行水平,促进管道水力输送技术的工业化应用,具有重要的意义。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展复杂流体试验5。而本文通过CFD软件对管固液两相流数值模拟研究，节省大量的实验过程、实验时间及花费，而且还能对完善

13、液固两相流理论和改良实际应用设备的设计方法有一定的理论指导作用。1.2 国外研究现状固液两相流是指连续相为水或其他液体、分散相为固体颗粒的两相流.与单相流动相比两相流的复杂性在于：一方面由于两相流各相自有一组流动参量描述运动的变量几乎增加了一倍导致两相流动根本方程组的不易封闭性6。连续相也称分散媒或分散外相。在分散体系中容纳着物质微粒或液滴,而其本身物理和化学性质均匀的分布7。目前国外对两相流动的研究日趋重视,两相流已成为现代流体力学前沿课题的一个重要容。模拟液体中固体颗粒的流动,有两种主要的研究得到了开展 ,这就是连续逼近法与离散逼近法.前者不能描述固态的不连续特性 ,它所用到的几个经历参量

14、也难以得到。因此,一般研究人员倾向于离散逼近法8。最初,离散法仅仅是对单相流体提出的。现在,它已被用来研究粒子在液体层面上的流动,即两相流问题。目前，固液两相流的研究仍然以实验为主，通过实验得到数据和规律，建立完全经历性的，或者半经历半理论性的模型，进展数值模拟。由于计算简便，误差又在许可围之，因此在工程中得到了广泛应用。因此,将数值模拟和实验研究相结合必将成为将来研究两相流动的主要手段。描述固液两相流动的模型有单颗粒动力学模型、单流体模型、小滑移模型、两流体模型和欧拉-拉氏模型等多种模型,各种模型都是从不同角度对真实过程所做的近似和简化,适用于不同的围。而数值模拟作为热门研究工具，不但可以对

15、高浓度的固液两相流进展数值模拟,而且可以克制实验周期长的缺点。而它在关管固液两相流研究方面的运用已较为普遍，但是由于复杂流道中的流动理论尚不完善，且已有多相流模型仍不十分成熟，对液固两相流场还缺乏真正的认识9。因此，如今多借助于CFD软件对管固液两相流数值模拟研究，对加深了解其部液固两相流场的一般规律和开展固液两相流理论有着重要的意义。1.3 课题根本容和拟解决的主要问题 实验是环空油管中的颗粒沉降，并认为流体在油管中的流动是层流状态, 取环空油管垂直截面的1/2，分别建立有、无接箍颗粒沉降模型,参数为：泵径38mm；油管径 62mm；抽油杆外径为19.1mm；流体密度为1000 kg/m3；

16、颗粒密度为2000kg/m3；颗粒粒径为0.1mm；颗粒体积分数为5%；颗粒和流体的初速度为0.135m/s。采用商业软件分析模拟管道固液两相流的运动轨迹、颗粒体积浓度对流动的影响、粒径对流动的影响。采用Gambit建模，Fluent软件进展模拟，Tecplot软件进展后处理。得出整个管道的流动特性。1.4欧拉-拉氏模型欧拉-拉氏模型是和两相流体模型同时期开展的用于研究两相流动的较为完整的两相流模型,但它最早只用于气固两相流,Lourenco曾用欧拉-拉氏模型对管道中的气固两相流进展了模拟,后来该模型才逐渐被用于研究固液两相流。在欧拉-拉氏模型中,流体相作为连续介质用欧拉法模型处理,湍流模型一

17、般选用双相耦合的模型;而固体粒子作为扩散相则用拉氏模型处理。所以选用欧拉-拉氏模型对颗粒的沉降进展模拟。1.5 研究方法求解固液两相在管道中流动的问题，首先要由流体力学、热力学、传质传热学等根本原理出发，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，此即建立根本方程的含义。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软件对固液两相在管道中流动进展模拟运算，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响问题各个量

18、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Eulerian模式。(2) 进展计算。这局部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局部。需要花时间去完成。这里可用Gambit和Fluent软件去进展模拟。(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流动特性的数值模拟，了解管道的颗粒沉降情况，从而得到管道流动特性的分析，使管道流动技术开展速度更迅速，对油气井生产的过程有着指导作用，并且很够更好在工业，农业领域上更好的发挥它的作用

19、做前期根底研究。2理论方法2.1控制方程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：单位时间流体微元体中质量的增加，等于同一时间间隔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(mass conservation equation)：(2.1)是密度，是时间，、是速度矢量在*、y、z方向的分量。 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根本定律。该定律可表达为：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*、y、z三个方向的动量守恒方程(momentum conservation equation)： (2

20、.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外表上的粘性应力的分量；、是微元体的体力，假设体力只用重力，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)层流的控制方程层流是流体的一种流动状态。流体在管流动时，其质点沿着与管轴平行的方向作平滑直线运动。此种流动称为层流或滞流，亦有称为直线流动的。流体的流速在管中心处最大，其近壁处最小。管流体的平均流速与最大流速之比等于0.5，根据雷诺实验，当雷诺准数引Re3 实验原理3.1颗粒的运动方程在Fl

21、uent中分析单个颗粒的沉降主要是应用离散颗粒仿真模型，通过拉氏坐标下的颗粒作用力微分方程求解离散相颗粒的运动，颗粒的作用力平衡方程 (笛卡尔坐标系下Y轴的形式)为:式中 固体颗粒在流体中受到的拖曳力，N;流体及固体颗粒的速度，m/s ;流体动力粘度，Pas;流体密度，kg/m3;固体颗粒密度，kg/m3;固体颗粒粒径，m。其中,Re表示相对雷诺数(颗粒雷诺数)，其定义式为:设Cd为流体的拖曳力系数,表达式为:其中,a1、a2、a3对于球形颗粒在一定的雷诺数下是常数,可通过相应试验获得或借鉴经历数。3.2实例分析颗粒自由沉降末速度分析建立的模型为单个颗粒从垂直放置的盛满水的圆管中上方轻轻(初始

22、速度为0)放置，如图1所示。在分析颗粒的沉降过程中，颗粒垂直方向速度变化情况如图2所示。分析计算中,流体密度为1000kg/m3,粘度为1.003mPas;颗粒密度为2000kg/m3,粒径为0.1mm。颗粒沉降末速度分析建立的模型为一垂直圆管,管道中流体以0.15m/s的速度向上运动,认为静止的颗粒在管道入口处随流体一起进入管道中,现分析颗粒速度变化情况。在其他参数不变的情况下,得到颗粒沉降末速度的变化曲线如图3所示。3.3固液两相流分析3.3.1固液两相流连续性方程的建立对于固液两相流的数值模拟,用的比拟多的主要有三种模型:单流体模型、两流体模型和欧拉-拉氏模型。本文研究的是水和煤粉颗粒的

23、固液两相流,考虑到固体颗粒在运动过程中受到流体的拖曳力,因此选择Fluent中的Eulerian模式进展分析。在多相流中涉及到多相体积分数a1,a2,an,在这里有。其中体积分数代表每相所占的空间,并且每相单独地满足连续性方程和动量守恒定律。对于固液两相流的混合液而言,由于相间的相互作用,每相都应满足连续方程式中从第p相到第q相的质量传递,其中=-和=0;q相速度矢量;q相物理密度。液相的动量方程为:固相的动量方程为:其中，p是所有相共有的压力;、分别为液相和固相的压应力量;为固相流场的速度梯度而引起的对液相的升力,在进展浓度较低的固体颗粒流分析时,主相为液相,因此可以忽略该项;为液相流场的速

24、度梯度而引起的对固体颗粒的升力,特别是对于大粒径的颗粒,升力影响的作用较明显;为液相相对于固相加速时而产生的一贯性质量力,即虚拟力,在以液相为主相的模型中,该项也可忽略;为固体颗粒的速度变化即加速度变化而产生的一虚拟作用力;Ksl=Kls为固液相间的动量交换系数,主要影响曳力函数。. 4 模拟方案介绍4.1了解研究区域并生成几何构造本文为沙水混合物在直管道的流动，首先要模拟出一个管道。翻开Fluent软件的前处理块Gambit,单击Operation/Geometry/Face/Create Real Rectangular按钮,在弹出的Create Real Rectangular Face

25、对话框中,分别输入两个坐标值，再把Direction中改成+*,+Y,构建管道，如图4.1。图4.1 模拟区域几何模型4.2划分网格单击Operation/Mesh/Face/Mesh Face按钮, 弹出Mesh Faces对话框。在列表框选取前面生成面，在Interval Size(指定网格间隔)一栏输入10，单击Apply按钮后，生成面网格，如图4.2。图4.2 面网格图4.3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/Specify Boundary Types按扭，弹出Spec

26、ify Boundary Types对话框。在对话框中，分别指定： = 1 * GB3 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； = 2 * GB3 选定矩形右边的线条，在Type中选类型为OUTFLOW，取名为out；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，网格模型外表上仍维持原样，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/E*port/Mesh命令，给定文件名(如*.msh)，可将上述网格模型存盘了，接下来将在FLUENT中对此模型进展求解和分析。4.4采用FLUEN

27、T进展求解(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*.msh。由于在GAMBIT中使用的是mm，而FLUENT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生成的网格进展检查。(2)设置模型采用FLUENT默认的求解器(即别离式求解器)、稳态流动、绝对速度公式。FLUENT提供了别离式和耦合式两类求解器。别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流动并没有到达高速流动，高强体积力，因此选用别离式求解器就可以了。使用FLUENT默认的运行参考压力(标准大气

28、压)，不考虑重力，不考虑热交换。流体按层流对待，选择标准欧拉模型，模型的所有系数用默认值。(3)定义材料保存默认设置。(4)设置边界条件在前面已经很详细的将各个面的边界类型指定了。首先，利用系统支持的C语言编写程序。此处需补充编好程序后，点击系统菜单define/user-defined function/function/interpreted的选项，在跳出的对话框中写入程序地址，点击Interpret进展程序的导入。在确认程序导入无误后，接下来进展求解设置。(5)初始化流场前面设置都为接下来的计算做的准备，但在计算前还有一个比拟关键的步骤：对流场进展初始化。同时，将初始值保存起来。完成这些

29、设置后，将当前定义的全部信息保存到文件(*.cas)中。6迭代计算将迭代计算的迭代次数设为2000。迭代计算完成后，可以按照后面的方法查看计算结果，还可以选择File/Write/Case$Date命令，将当前定义的全部信息及计算结果保存到文件(*.cas)和data文件(*.dat)中。这样，前面的计算工作就已完成。接下来，通过FLUENT软件的显示结果功能来观察所计算的结果，并进展分析比拟。. 5计算结果与分析5.1模型建立及颗粒沉降分析5.1.1忽略接箍的影响由于分析的是环空油管中的颗粒沉降，并认为流体在油管中的流动是层流状态，取环空油管垂直截面的1/2进展分析，建立的模型如图4所示。图

30、 4无接箍颗粒沉降模型参数:泵径38mm;油管径62mm;抽油杆外径为19.1mm;流体密度为1000kg/m.;颗粒密度为2000 kg/m3;颗粒粒径为0.1mm;颗粒体积分数为5%; 颗粒和流体的初速度为0.135 m / s。图5、图6为环空油管截面Y轴方向颗粒速度云图及分布图。图7为环空油管截面流体的速度分布图。图8为环空油管截面颗粒的体积分数分布图。图5颗粒沉降速度云图图暂定图6环空油管截面颗粒速度分布图暂定图7环空油管截面流体速度分布图暂定图8环空油管截面颗粒体积分数分布由以上分布图可知，颗粒和流体环空截面方向的速度分布相似，环空截面的环空中部速度较大两侧较小，只是颗粒的沉降速度

31、较流体的运移速度小;同时颗粒主要集中在环空截面中部。其中环空截面监视处颗粒的平均体积分数为4.4%; 颗粒的Y轴平均速度为0.0616m/s，流体的平均速度为0.0644m/s。5.2.2考虑接箍的影响考虑接箍影响时建立的模型如图9所示。图 9 考虑接箍颗粒沉降模型图10和图11分别为环空油管截面颗粒速度云图及速度分布。图12为环空油管截面流体速度分布。图13为环空油管截面颗粒的体积分数分布图。图10环空油管截面颗粒沉降速度云图图暂定图11环空油管截面颗粒沉降速度分布由图10和图11可知，颗粒和流体环空截面方向的速度分布相似，只是颗粒的沉降速度较流体的运移速度小，但受接箍的影响，环空截面最大速度偏离环空截面的环空中部，受接箍的影响，颗粒的体积分数分布比无接箍时混乱，但还是以集中在环空截面中部为趋势。其中，环空截面监视处颗粒的