型管接頭內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬

型管接頭內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬

1t形管接頭內(nèi)部流場(chǎng)分析t管接頭的內(nèi)部流場(chǎng)通常是一個(gè)復(fù)雜的過程，例如高溫、高速和高壓。這是因?yàn)樵谑褂眠^程中，由于疲勞、腐蝕等原因，管道可能出現(xiàn)斷裂和泄漏。因此，采用流量動(dòng)力學(xué)方法（cfd）對(duì)t型管接頭內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行分析，詳細(xì)了解t型管接頭內(nèi)流場(chǎng)的速度、壓力和氣體體積的分布，為t型管接頭的進(jìn)一步熱流固結(jié)合分析和設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。研究以混合多相流(Mix-multiphaseflow)模型和歐拉多相流(Euler-multiphaseflow)模型作為油和氣兩相流動(dòng)的數(shù)值模擬模型,按照油和氣在T形管接頭中的流動(dòng),建立了T形管接頭內(nèi)部流場(chǎng)氣液混相特性的數(shù)值模型,分析和研究了兩種模型氣液兩相在管中的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)和VOF分布情況,并對(duì)兩種模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。2數(shù)學(xué)模型2.1流體速度的連續(xù)方程混合模型通過求解混合相的連續(xù)性方程、第二相的體積分?jǐn)?shù)方程,以及相對(duì)速度的代數(shù)表示實(shí)現(xiàn)n相的模擬。(1)混合模型的連續(xù)方程為:式中:—流體質(zhì)點(diǎn)的速度;;ρm—混合密度,;αk—第k相的體積分?jǐn)?shù);m觶—描述由氣穴的質(zhì)量傳遞。(2)漂移速度和相對(duì)速度:漂移速度和相對(duì)速度之間的關(guān)系:相對(duì)速度的形式為:式中:—第二相粒子的加速度;τqp—粒子的弛豫時(shí)間。式中:dp—第二相顆粒的直徑,曳力函數(shù)fdrab為:(2)第二相的體積分?jǐn)?shù)方程第二相的體積分?jǐn)?shù)方程為:2.2莎拉模型2.2.1堅(jiān)持方程式守恒方程分為質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程。q相的連續(xù)方程:式中:—q相的速度;—了從第p相到q相的質(zhì)量傳遞。q相的動(dòng)量平衡產(chǎn)生:2.2.2體積份額體積分?jǐn)?shù)代表了每相所占據(jù)的空間,并且每相獨(dú)自地滿足質(zhì)量和動(dòng)量守恒定律,體積分?jǐn)?shù)表示為αq。q相的體積Vq定義為:3內(nèi)部流場(chǎng)模型油氣混合物在T型管中自下向上流動(dòng),然后在T型交叉處分流。其中數(shù)值計(jì)算模型的管直徑為10mm,豎管的管長(zhǎng)為120mm,水平管的管長(zhǎng)為100mm,底端至水平管的距離為45mm。應(yīng)用前處理器GAMBIT軟件對(duì)T型管接頭內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,整個(gè)T型管接頭內(nèi)部流場(chǎng)模型共有14711個(gè)單元,3160個(gè)節(jié)點(diǎn),如圖1所示。以上述數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ),在CFD軟件FLUENT上激活多相混合模型中的滑流速度,開啟湍流模型和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。指定油為基本相,氣為第二相,并核查滑流速度公式是否已被使用。設(shè)置邊界條件,邊界條件具體參數(shù),如表1所示。壓力差值格式選用PRESTO!格式,選擇求解的控制方程。離散方程的求解方法使用標(biāo)準(zhǔn)的SIMPLE算法,一階迎風(fēng)格式,使用殘差監(jiān)視器。對(duì)全流場(chǎng)進(jìn)行初始化后進(jìn)行迭代求解,在迭代到576步時(shí)混合模型計(jì)算收斂。以混合模型獲得的解作為用歐拉模型計(jì)算的初始條件,選用多相湍流模型計(jì)算求解,迭代到804步時(shí)歐拉模型計(jì)算收斂。4混合模型與歐盟模型的比較應(yīng)用后處理軟件Tecplot可得到T型管內(nèi)部流場(chǎng)在兩種數(shù)值計(jì)算方法下的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)以及VOF圖。T型管內(nèi)部流場(chǎng)壓力分布,如圖2所示。歐拉模型T型管的上部入口處壓力較大,下半部分壓力較小。在混合模型中兩管的接頭處壓力較大,混合模型的結(jié)果與實(shí)際情況吻合。造成兩種模型差別的原因?qū)⒃诮窈蟮膶?shí)驗(yàn)中逐步研究。T形管豎直管內(nèi)部流場(chǎng)兩種模型壓力曲線,如圖3所示。從圖中可知,在兩種模型下從內(nèi)部流場(chǎng)的下端到上端壓力都呈現(xiàn)增加趨勢(shì),且在z<21cm時(shí),混合模型壓力大于歐拉模型;z>21cm時(shí),混合模型小于歐拉模型。就整體而言,混合模型的壓力曲線較歐拉模型的壓力曲線平滑。流體的速度云圖不能清楚的顯示T形管內(nèi)部流場(chǎng)的速度分布情況,為明確T形管內(nèi)部流場(chǎng)的速度場(chǎng),將模型用x=0的平面剖切,所得結(jié)果,如圖4所示。由圖4可知,在T型管的豎直管內(nèi)速度分布均較穩(wěn)定、均勻。在水平管中自上而下流速形成速度梯度。在水平管上端處,歐拉模型顯示的結(jié)果較混合模型顯示的結(jié)果更為精確細(xì)致。T形管水平管內(nèi)部流場(chǎng)兩種模型速度曲線,如圖5所示。從中可知,y<10cm時(shí)兩種模型的速度都呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì);y>10cm時(shí)兩種模型的速度都呈現(xiàn)下降趨勢(shì);y=10cm時(shí)混合模型的速度達(dá)到最大值4m/s,歐拉模型的速度達(dá)到最大值3.6m/s?？諝獾捏w積分?jǐn)?shù)圖,如圖6所示。兩種模型T型接頭的水平管的折角均有小空氣泡分離出來,同時(shí)漂浮在油中一定區(qū)域的小氣泡層會(huì)朝者壓力出口流動(dòng)。混合模型與歐拉模型求解獲得的效果略有不同。顯然,歐拉模型比混合模型顯示的更精確,因?yàn)闅W拉模型解決了為各個(gè)單獨(dú)的相方程的分開設(shè)定,較模擬兩相之間的滑流速度更完善。5數(shù)值模擬精度及求解工藝(1)當(dāng)相間分離時(shí),對(duì)于分層或接近分層的多相流動(dòng)和兩相之間的密度比接近1的問題,混合湍流模型是適用的。在這種情況下,用混合特性和混合速度去獲得湍流的重要特性是足夠的;(2)歐拉多相流模型的數(shù)值模擬精度一般比混合模擬精度較高,因?yàn)闅W拉模型解決了為各個(gè)單獨(dú)的相方程的分開設(shè)定,這優(yōu)于模擬兩相間的滑移速度;(3)為提高歐拉模型求解的效率,應(yīng)以混合模型的解作為求解完整歐拉模型的初始解。若未獲得用混合模型的初始解,不應(yīng)該使用