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文档简介
型管接头内部流场的数值模拟
1t形管接头内部流场分析t管接头的内部流场通常是一个复杂的过程,例如高温、高速和高压。这是因为在使用过程中,由于疲劳、腐蚀等原因,管道可能出现断裂和泄漏。因此,采用流量动力学方法(cfd)对t型管接头内流场进行分析,详细了解t型管接头内流场的速度、压力和气体体积的分布,为t型管接头的进一步热流固结合分析和设计提供理论依据。研究以混合多相流(Mix-multiphaseflow)模型和欧拉多相流(Euler-multiphaseflow)模型作为油和气两相流动的数值模拟模型,按照油和气在T形管接头中的流动,建立了T形管接头内部流场气液混相特性的数值模型,分析和研究了两种模型气液两相在管中的压力场、速度场和VOF分布情况,并对两种模型的计算结果进行了对比分析。2数学模型2.1流体速度的连续方程混合模型通过求解混合相的连续性方程、第二相的体积分数方程,以及相对速度的代数表示实现n相的模拟。(1)混合模型的连续方程为:式中:—流体质点的速度;;ρm—混合密度,;αk—第k相的体积分数;m觶—描述由气穴的质量传递。(2)漂移速度和相对速度:漂移速度和相对速度之间的关系:相对速度的形式为:式中:—第二相粒子的加速度;τqp—粒子的弛豫时间。式中:dp—第二相颗粒的直径,曳力函数fdrab为:(2)第二相的体积分数方程第二相的体积分数方程为:2.2莎拉模型2.2.1坚持方程式守恒方程分为质量守恒方程和动量守恒方程。q相的连续方程:式中:—q相的速度;—了从第p相到q相的质量传递。q相的动量平衡产生:2.2.2体积份额体积分数代表了每相所占据的空间,并且每相独自地满足质量和动量守恒定律,体积分数表示为αq。q相的体积Vq定义为:3内部流场模型油气混合物在T型管中自下向上流动,然后在T型交叉处分流。其中数值计算模型的管直径为10mm,竖管的管长为120mm,水平管的管长为100mm,底端至水平管的距离为45mm。应用前处理器GAMBIT软件对T型管接头内部流场进行网格划分,整个T型管接头内部流场模型共有14711个单元,3160个节点,如图1所示。以上述数学模型为基础,在CFD软件FLUENT上激活多相混合模型中的滑流速度,开启湍流模型和标准壁面函数。指定油为基本相,气为第二相,并核查滑流速度公式是否已被使用。设置边界条件,边界条件具体参数,如表1所示。压力差值格式选用PRESTO!格式,选择求解的控制方程。离散方程的求解方法使用标准的SIMPLE算法,一阶迎风格式,使用残差监视器。对全流场进行初始化后进行迭代求解,在迭代到576步时混合模型计算收敛。以混合模型获得的解作为用欧拉模型计算的初始条件,选用多相湍流模型计算求解,迭代到804步时欧拉模型计算收敛。4混合模型与欧盟模型的比较应用后处理软件Tecplot可得到T型管内部流场在两种数值计算方法下的压力场、速度场以及VOF图。T型管内部流场压力分布,如图2所示。欧拉模型T型管的上部入口处压力较大,下半部分压力较小。在混合模型中两管的接头处压力较大,混合模型的结果与实际情况吻合。造成两种模型差别的原因将在今后的实验中逐步研究。T形管竖直管内部流场两种模型压力曲线,如图3所示。从图中可知,在两种模型下从内部流场的下端到上端压力都呈现增加趋势,且在z<21cm时,混合模型压力大于欧拉模型;z>21cm时,混合模型小于欧拉模型。就整体而言,混合模型的压力曲线较欧拉模型的压力曲线平滑。流体的速度云图不能清楚的显示T形管内部流场的速度分布情况,为明确T形管内部流场的速度场,将模型用x=0的平面剖切,所得结果,如图4所示。由图4可知,在T型管的竖直管内速度分布均较稳定、均匀。在水平管中自上而下流速形成速度梯度。在水平管上端处,欧拉模型显示的结果较混合模型显示的结果更为精确细致。T形管水平管内部流场两种模型速度曲线,如图5所示。从中可知,y<10cm时两种模型的速度都呈现增长趋势;y>10cm时两种模型的速度都呈现下降趋势;y=10cm时混合模型的速度达到最大值4m/s,欧拉模型的速度达到最大值3.6m/s。空气的体积分数图,如图6所示。两种模型T型接头的水平管的折角均有小空气泡分离出来,同时漂浮在油中一定区域的小气泡层会朝者压力出口流动。混合模型与欧拉模型求解获得的效果略有不同。显然,欧拉模型比混合模型显示的更精确,因为欧拉模型解决了为各个单独的相方程的分开设定,较模拟两相之间的滑流速度更完善。5数值模拟精度及求解工艺(1)当相间分离时,对于分层或接近分层的多相流动和两相之间的密度比接近1的问题,混合湍流模型是适用的。在这种情况下,用混合特性和混合速度去获得湍流的重要特性是足够的;(2)欧拉多相流模型的数值模拟精度一般比混合模拟精度较高,因为欧拉模型解决了为各个单独的相方程的分开设定,这优于模拟两相间的滑移速度;(3)为提高欧拉模型求解的效率,应以混合模型的解作为求解完整欧拉模型的初始解。若未获得用混合模型的初始解,不应该使用
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