[word doc]弯曲扩散管特性与阻力系数的数值计算

[word doc]弯曲扩散管特性与阻力系数的数值计算 弯曲扩散管特性与阻力系数的数值计算 第39卷第5期 2010年9月 石油化工设备 PETR(CHEMICALEQUIPMENT V01.39NO.5 Sept.2010 文章编号:1000—7466(2010)05—0030—05 弯曲扩散管特性与阻力系数的数值计算 甄敬然,陈良 (中州大学工程技术学院,河南郑州450044) 摘要:扩散管是化工流程系统中的重要管件,其水力损失对整个管道设计有重要影响.通过 FLUENT软件对扩散管不同截面上速度的计算值与实验值对比,扩散管内部主流速度分布对比以 及不同雷诺数条件阻力系数的计算明,数值计算结果与实验值有一定的一致性.沿程阻力系数 和局部阻力系数都与雷诺数有关,并随着雷诺数的减小而增加.弯曲扩散管的扩压能力随雷诺数 的减小而降低,水力损失随雷诺数减小而升高. 关键词:扩散管;内部流动;阻力系数;数值计算 中图分类号:TQ055.8l;TQ050.3文献标志码:A NumericalComputationsofPropertyandLossCoefficientinaCurveVenturi ZHENJing—ran,CHENLiang (ZhongzhouUniversity,Zhengzhou450044,China) Abstract:Theventuriisimportantpipefittinginthechemicalindustrysystem,hydrauliclossof whichhasimportanteffecttodesignofoverallpipe—line.Contrastingcalcul atedvaluewithexperi— mentvalueofspeedindifferentcrosssectionofventuri,contrastingspeeddistributesinsideof venturiandcalculationofcoefficientwithdifferentReynoldsnumberbyFLUENTsoftware,re— suitindicatedthatnumericalsimulationresultandexperimentvaluehascertaincompatibility. ThecoefficientoffrictionalresistanceandoflocalresistanceareconnectedwithReynoldsnum— ber,andincreasingwithdiminishoftheReynoldsnumber.Theabilityofexpandpressureof curveventurireducedwithdiminishoftheReynoldsnumber,whilehydrauliclossincreasedwith diminishoftheReynoldsnumber. Keywords:venturi;internalflow;resistancecoefficient;numericalsimulatio n 弯曲扩散管在新型标准气体动态配置,喷射泵, 气体封存和放置,污水深排工程以及大型油罐设计 等方面有着广泛应用.因此,许多学者对弯曲扩散 管流动进行过许多测量和计算研究.Anand,Rai 及Singh对中心线长度与进口直径比为11.4的3 个弯曲角度分别为15.,22.5.,30.的S形扩散管进 行了实验研究,旨在完全评估扩散管的特性和流动 规律l1].Eustice首先对弯曲扩散管内部的流动进 行了实验研究[2].Rowe也分别对弯曲角度为3O. 和4O.的S形截面面积不变的扩散管进行了实验研 究].Johnston根据对扩散管静压力的测量对其 进行了性能评价].Fox和Kline第一次对弯曲形 扩散管进行了系统的调查研究_5],胡彦斌等人也对 扩散管进行了计算l6.这些研究结果均表明,扩散 管进口速度对其特性没有太大影响. 扩散管流动的主要特征是在逆压力梯度下出现 回流.文中对文献[1]中15.和22.5.两种弯曲角度 的s形扩散管进行紊流流动计算,并将结果与 Anand和Rai等人的实验结果进行对比,旨在掌握 扩散管内部流动的规律. 收稿日期:2010-04—09 作者简介:甄敬燃(1980一),女,河北无极人,讲师,硕士,从事机电工程 及控制系统的教学工作. 第5期甄敬然,等:弯曲扩散管特性与阻力系数的数值计算 1计算模型 1.1几何模型及参数 几何模型和流动物理参数均取自文献[5].计 算域几何模型见图1.2种扩散管中心线的长度 (600ram)和进,出口直径(52.5ram/72mm)均相 同,但其弯曲角度不同,分别为15.和22.5..扩散 管沿中心线过流面积的变化由下式决定l5]: S—A1(D2/D1)佃(1) 式中,S为过流断面的面积,A为扩散管进口断面 的面积,m;D,D.分别为扩散管进,出口断面的直 径,mm;为扩散管的弯曲度,mm/m;为任意断面 与进口断面或出口断面的夹角,(.). 扩散管的平面示意图见图1,具体参数见表1. 模型由GAMBIT软件来完成j,采用三维直角坐 标系,其原点位于扩散管进口端面的圆心处. Bli,J 图1扩散管的几何尺寸 表1扩散管几何参数 扩散管内的流动介质为标准状态下的空气,其 密度f0—1.225kg/m.,动力粘度一 1.764×10一Pa?S,流速为27m/s,小于30m/s, 为不可压缩的牛顿流体.扩散管入口雷诺数Re一 10>2300,流动为紊流. 1.2网格划分 采用GAMBIT进行建模及网格划分.网格划 分直接采用划分体网格.由于扩散管的结构是不规 则的,因此网格的划分采用楔形体与六面体结合的 网格单元以及非结构网格类型(图2).图2b和图 2c为2种扩散管网格局部示意图.由于网格的数 目直接关系到计算结果的准确性,有必要确定比 较合理的网格数目,为此对模型进行了3种不同数 量的网格划分. 进n (a)扩散管的网格 出口 (b)进口格(c)出LJ州格 图2扩散管网格划分 1.3模型及边界条件 FLUENT软件只进行流场求解l_g].本例采用 三维定常紊流计算方法.弯管关于一0平面对 称,因此定义===0平面为对称边界,取管道的一半 进行数值计算(参照图1).压力,动量,紊动能以及 紊动能耗散率的松弛系数分别为0.2,0.5,0.5和 0.5,设置求解过程的残差continuitY,—velocity,— velocity,2velocity,e的收敛标准为1O. 2结果与分析 2.1网格对计算结果的影响 采用标准,紊流模型,对3种不同数量的网 格分别进行了计算,结果见表2.由表2可知,当网 格数目超过4万个时,总压损失基本不再变化. 表2不同网格数目的总压损失 2.2紊流模型对计算结果的影响 紊流模型的合理与否对计算结果有很大影响, 因此,有必要对紊流模型进行合理的选择,以便计算 结果更接近实际值. 用标准Realizable,,,,/e-sRNG这3种不同 的紊流模型对网格数目为44916的网格分别进行 石油化工设备2010年第39卷 计算.结果见表3.从表3可以看出,标准e和 Realizable肛s的计算结果基本相同. 表3不同紊流模型的总压损失Pa 2.3与文献[1]结果对比 2.3.1流动参数分布 扩散角为22.5.的扩散管在3个同断面量 纲一的主流速度等值线图见图3.由图3可见,随 着流体向扩散管出口流动,断面上实验测量和数值 计算的速度值越小,说明流体的速度逐渐下降,显示 扩散管有减速扩压作用.计算结果明确显示,从凹 面到凸面流体速度不断增加,高速度核心区位于凸 面附近.文献[1]实验值的这种趋势并不明显,其原 因在于流动数值计算的几何分辨率要比空气动力学 探针更为灵敏. (e)22.5./4.5./L=0.6)实验结果 G ,,,, (e)22.5./22.5.IL=I.0)实验结果 0, ,,, ?10O?, ll一 - 4,…,P f 1 i,Qf . (f)22.5./22.5IL=I.0)计算结果 图3扩散管3个断面上量纲一的主流速度 (从出VI向进口方向看) 3个断面上的二次流形态分布图见图4.由图 4可见,尽管计算结果中二次流涡心位置与实验测 量结果不同(计算的二次流涡心靠近凸面),但计算 得到的二次流形态与实验结果基本吻合. 耋兰兰,.一一,…:,/,一—-——一一一一.,j i=::::::::::jMIrI陌 譬向 z::,l,: \\:二毫二二/ )x/L=O实验结果(h)x~--O计算结果 0三::一. „ | 一:::222::L~--2:;j/ ,::一,一一,,-一 // 一 /~+ 一 - - „- / il{I,, -二 血 llq ‰TU::::::::::1面_ :::::::::-.”…. fd)x/L=O.6计算结果 凹 面 凸 面 凸 面 (f1xlL=1.0计算结果 4扩散管3个断面上二次流形态分布 (从出?往进口方向看) 扩散管m口断面(22.5./22.5.,:r/L—1.0)的静 压实验值和计算值的比较见图5.由图5可见,对 于静压力的变化而言,计算结果比实验测量的结果 均匀. //t,铀, “ , , ?篇 , fa)实验结果(}l】计算结果 凸 面 图5扩散管出口断面静压力分布对比 (从出IlI进口方向看) 扩散管出口断面(/L一1.0)的总压对比见图 6.从图6可见,总压的最大值位于中心偏凸面位置 处.计算和实验都表明,扩散管出口断面上的总压 分布不均匀. 2.3.2静压恢复系数和总压损失系数 扩散角为22.5.时实验测量和计算得到的静压 恢复系数c和总压损失系数沿扩散管的变化曲 第5期甄敬然,等:弯曲扩散管特性与阻力系数的数值计算 / 一一一 , , 1 fa1实验结果?计算结果 凸 面 【刳6扩散管出口断面总压分布对比 线见图7.这里(和分别定义为J: 『r二? ./2 (2) {一垒二! l”1/2 式中,P为扩散管人口处平均静压力,P为扩散管 人口处平均总压力,P和P.分别为扩散管某处的平 均静压力和平均总压力,Pa;”为人口平均流速, m/S. c的计算值大于实验值,而相反.其原因是 计算时把进口处定义为均匀的速度分布,而实验时 进口速度不是均匀分布的,是有边界层厚度的.另 外,计算中将扩散管壁面的粗糙度设置为0,忽略 ().15 0 0.6O 0.15 0 O.2o.4o.6o.81.0 x/L (a)静压灰复系数c x/L ?总Jf损失系数 图7静J土恢复系数c与总雎损失系数}曲线 了它对损失系数的影响. 2.4雷诺数对C和的影响 把扩散角为l5./15.和22.5./22.5.的扩散管进 口直管道的长度增加到3.55m,使模型扩散管与管 道中的实际安装情况相符.保持其它条件不变,使 用FLUENT软件对扩散管内介质的流动状态进行 计算. 在保持入口速度和密度不变的条件下,改变流 体的动力粘度,使雷诺数发生改变,从而改变流态. 在紊流区,Re一2000,1O,使用e紊流模型.Re 的值分别取为10,1O,1O,10,5000,2000;在层 流区,Re一100,2300,使用层流模型,Re的值分 别取为2300,2000,1000,750,500,250,200,150, 125,100.由Re值可以计算出对应的流体动力粘 度,然后,把不同的动力粘度输入FLUENT进行流 动计算. 扩散角为15.和22.5.扩散管C和随Re变 化的曲线图见图8.从图8中可以看出,C是随着 Re的增加而增加,是随着Re的增加而减小.不 同扩散管的C和相差不大. Re fa)静压恢复系数 Re fb)总压损失系数 图815.扩散管C和}随Re的分布 当RP<2300时,C逐渐小于0,开始剧烈增 长,这表明扩散管的内部流态发生了剧烈变化. O0 石油化工设备2010年第39卷 2.5雷诺数对主流速度和二次流的影响 当RP:100,Re=i0时,扩散角为22.5.的扩 散管对称面上几个位置处的二次流矢量和主流速 度分布图分别见图9和图10.从图9和图10可 以看出,当Re一100时,流体粘性占主导地位,速 度剖面类似于二次抛物线,二次流强,边界层厚度 直达管道中心,从而使扩散管失去降速扩压功能, 并导致水力损失的剧增.而当Re一10时,流体 粘性居于次要地位,速度剖面类似于无粘性流体 的均匀速度分布,二次流弱,边界层薄,远离管道 中心,这些有利因素使扩散管降速扩压功能明显, 水力损失减小.这表明,在紊流区工作状态良好 曼漆,? 凸兰曼..=,,;凹In】 面?,;?面向 荽? (a1亿---0.2,Re=lO0 . 娄鼋羔?,.:. 毒:兰7.0 凸毒,霉?主 蔫?霉譬? 凹凸 面向 (b]x/L---0.2,Re=10 :一一 %— lIJJ ,凹 面 凹.?凸? 爹.?0萋,篇 {多:|一?二?一 j 图9扩散管沿不同截断面的二次流分布 fh1Re=l0 图lORP为100和lO时护散角22.5.的扩散 管对称面上不同位置的主流速度分布 的扩散管,并不适用在层流区工作.在设计过程中 应该注意不同雷诺数时扩散管性能的变化,以便设 计出适应各种粘度的扩散管. 3结语 通过计算2种不同扩散角的弯曲扩散管内部介 质的流动特性,并将计算结果和实验测量结果进行 比较,研究了雷诺数对弯曲扩散管静压恢复系数和 总压损失系数的影响.研究结果表明,计算结果虽 然与实验测量值有一定的一致性,但具体数值还是 有差距的.计算结果显示,弯曲扩散管的扩压能力 随雷诺数的减小而降低,水力损失却随雷诺数的减 小而升高. 参考文献: [1]ThomasRN,KostrzewskyGJ,FlackRD.Velocity MeasurementsinaPumpVolutewithaNon—rotating Impeller[J].InternationalJournalHeatandFluid Flow,1986,7(3):11—2O. 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