工程技术 武汉船舶职业技术学院学报 ２０１４年第１期 ９０。弯管内流体流动数值模拟研究 王金娥 杨小江。 （１．武汉船舶职业技术学院动力工程学院，湖北武汉２．杭州市港航管理局，浙江杭州 ３１００１４） ４３００５０； 摘 要 为了探究弯曲管道内流体的流态，本文运用ｆｌｕｅｎｔ软件对９Ｏ度弯管内的流体进行了仿真，并对输出结果进行 了深入分析。为管道的合理设计以及材料的选择提供科学合理的理论依据，有助于管道运输的安全运行，可以有效预防 和减少管道的泄漏等安全问题的发生。 关键词 弯管；数值模拟；流场分析 中图分类号 ＴＧ３７ 文献标志码 Ａ文章编号 ｌ６７１—８１００（２０１４）０１—００２５—０４ 弯管广泛应用于水利、化工、石油、动力工程 Ｏ ｕｉ－一０ （１） 等领域，弯管中的流动由于受到弯管曲率的影响， 相比直管的流场要复杂的多，而且会在管壁附近 形成分离区、管道截面上产生二次流动等，这不仅 会造成流体总压和能量的损失，而且形成的局部 ｏｘ ～Ｐ 障碍区域也使流动系统的阻力增大，会降低热量 和质量交换的效率 ］。疏浚作业在航道整治、港 ＋ ａｚ ａｚｔ 一￣譬Ｕ８ ｚｉｕ ｊ 式中： ——为流体运动粘性系数； 一ＩＤ Ｋ一 ——为雷诺应力； ——湍动能； 口建设、湖泊清淤和吹填造地等工程中应用广泛 并发挥着重大作用。在疏浚施工过程中，疏浚泥 浆经过长距离输泥管道从挖掘水域排放至泥浆存 放点，疏浚泥浆具有成份复杂、浓度高和颗粒不均 的特点，因此阻力大、能耗高、堵塞管道和排泥距 离受限等问题在长距离输送的过程中普遍存在， 并严重影响着疏浚挖泥船的生产效率、作业范围 和生产成本。本文以直径为５０ｍｍ的输送管道 为研究对象，以多相流理论为依据，通过理论分 。一 一Ｃ ——湍动能耗散率；—— 而列日Ｅ嵇歌竿 ——湍流粘性系数； Ｃ ——常数； ＲＮＧ Ｋ—ｅ湍流模型的湍动能传输方程为： 析、弯管内流场ＣＦＤ模拟来输泥管道的阻力特 性。 ＝ 丝兰 ’ ， １ 控制方程及计算模型 ．（Ｏｇｋ．ｔｔ ｅｆｆ ）Ｊ＋Ｇ十 ～ ～ （３） ・控制方程 麟，＋ 篆 ：蠹（ “ 熹） 分＋Ｇ１ ｋ 一 ｋ Ｒ（４） 和表示和嘉 ＲＡＮＳ 在直角坐标系中，雷诺平均 方程 可用下式表示嘲： 式中：ａ ——足方程的湍流Ｐｒａｎｄｔｌ数； ａ ——￡方程的湍流Ｐｒａｎｄｔｌ数； 收稿日期：２０１３—１１—５ 作者简介：王金娥，女，讲师，研究方向：船舶与海洋工程。 ２５ 武汉船舶职业技术学院学报Ｇ 项； ２０１４年第１期 由平均速度梯度引起的湍动能生成 划分，壁面网格边长没为２ｍｍ；而对于弯管端，【ｌ｛ 于此处流态变化复杂需要捕捉更为准确的流场信 在￡方程中，Ｒ 为ｅ方程中的附加源项目，代 表平均应变率对￡的影响，Ｒ 的表达式为： ㈤ 息，所以对此处网格进行加密处理，壁面网格边长 设为ｌｍｍ。如下图２所示。 一 Ｓｋ ， 、 图２入口端面（左）一直管段（中）一弯管段（右）网格图 Ｓ＝（２Ｓ Ｓ ） （７） 在本文中．最终修正后的模型节点数有 １２８６１６个，网格单元有１２２３４１个。整体网格划 ｓ （ ＋ ） ㈣ 分图如图３所示。 Ｌ述方程的模型参数为：Ｔ］ 一４．３８；ｐ＝＝＝０． ０１２；Ｃ 一０．０８４５；Ｃｌ 一１．４２；Ｃ２ 一１．６８；ａｋ—ａ 一 ０．７１９４；。其中Ｔ】是无量纲应变，或者湍流时间与 』、 变尺度的比值，代表平均应变率Ｅ对的影响 。 ＲＮＧ Ｋ一￡湍流模型既适应高雷诺数情况， 也适应低雷诺数下的湍流流动，即提供了一个微 分形式的有效粘性系数表达式，以说明低雷诺数 流动效应。此外，对于湍流Ｐｒａｎｄｔｌ数，ＲＮＧ Ｋ— ｅ湍流模式提供了一个解析式，而标准湍流模式 使用了经验常数 ｊ。 １．２物理模型 图３ ９０。弯管网格划分图 ２ 数值模拟 ２．１边界条件的设定 本文以９Ｏ。圆截面弯管为研究对象，将弯管 分为三个部分：上游水平直线段、弯曲段和下游竖 直直线段。弯管管直径为５０ｍｍ，如图１所示。 设置弯管左侧的平面为速度人口边界ｉｎｌｅｔ， 类型设为ＶＥＩ （）ＣＩＴＹ～ＩＮＬＥＴ；右侧的出口面 为出口边界ｏｕｔｌｅｔ，类型设为（）ＵＴＦＩ （）Ｗ，壁面 类型为ＷＡＬｌ （默认）。最后输出网格Ｆｉｌｅ— Ｅｘｐｏｒｔ—Ｍｅｓｈ，并保存文件，为ＦＩ ＵＥＮＴ进行 仿真计算做好准备。 ２．２结果输出及分析 因为有非线性的对流项存在，在Ｎ—Ｓ方程 的原参数形式求解过程中，一定要使用迭代求解， 图１ ９０。弯管模型图 收敛性的问题必然会遇到。其中一个重要的关系 １．３ 网格划分 到精度和经济的问题就是收敛标准，如收敛标准 过高，ＣＰＵ的运算时间过长，会直接导致死循环 和发散；但是收敛标准也不能过低，否则不收敛的 结果会被输出。 取流速 为２ｍ／ｓ，方向垂直于进口截面，分 在划分网格过程中，遵循由线到面，由面到体 的划分原则。对弯管进口表面的网格选用了四边 形类型．边长设为１．２５ｒａｍ；对直管段进行体网格 划分时采用用四边形向对应的六面体网格来进行 ２６ ９０。弯管内流体流动数值模拟研究 别选取水和浓度的泥浆作为流动介质，入口压力 Ｐ一４．５ＫＰａ（相对于大气压），管内温度ｔ一 王金娥。等 介质为清水时的出¨压力小。 ２９３Ｋ，管径ｄ一０．０５ｍ。水的密度ｐｌ一９９８．２ｋｇ／ ｍ。，瞧 墓 ２．４速度分布及结果分析 流动介质分别为清水和泥浆时弯管速度分布 如图６所示。 动力粘度 ｌ一０．００１Ｐａ・ｓ；泥浆的密度Ｐ２— １２２５ｋｇ／ｍ。，动力粘度 ２—０．０２Ｐａ・Ｓ。 雷诺数Ｒｅ、湍流强度Ｉ的计算公式如下： Ｒｅ—ｚｄｐ／ｇ （９） 黧 Ｊ—ｏ．１６Ｒｅ。・ ＝０．１６（ｖｄｐ／“） （１０） 图５ 水（左）一泥浆（右）的压力分布云图 通过上式计算出流动介质为水时雷诺数Ｒｅ 一９． ９８２×１０ ，远大于临界雷诺数２３００，所以管内为 湍流流动，湍流强度Ｉ 一０．０３８。 流动介质为３０％浓度泥浆时雷诺数Ｒｅ ＝＝＝６． １２５×１Ｏ。，也大于临界雷诺数，所以管内为湍流流 动，湍流强Ｉ 一０．０５４度。 定义进口边界条件并且初始化流场：水流速 度ｖ＝２ｍ／ｓ，湍流强度Ｉ一０．０３８，水力直径ｄ＝０． 从图６可以看出，流体在弯管段的速度分布 和压力分布是相反的，在弯道的内测处速度达到 最大值３．１ｍ／ｓ，但是在弯道外侧处达到最小值， 速度几乎为零。所以陔处有较大的速度变化，容 易产生管壁磨损。当流体流过弯管段之后进入直 ０５ｍ，从进口边界ｉｎｌｅｔ进行初始化计算，经过５９ 次迭代计算，残差达到收敛标准。泥浆流速ｖ一 ２ｍ／ｓ，湍流强度１０．０５４，水力直径ｄ一０．０５ｍ，从 进口边界ｉｎｌｅｔ进行初始化计算，经过６６次迭代 计算，残差达到收敛标准。 们ｒ １０－０ 管段时，流体在管道内测明显形成一个低流速区 域，靠近管壁处流速接近于零，由内到外逐渐增 大，并在管道轴线附近达到接近进口处的流速 ２ｍ／ｓ。 通过对比，泥浆流过弯管段到直管段后的靠 近管壁内测的低流速区域要明显比介质为清水时 的低流速区域要大，说明泥浆经过弯管时的流动 速度的扰动要比清水时大。 …… ｛ ） 墓 ・Ｈ … ｉ ｝ 曼 图４ 清水一泥浆计算收敛对比图 ５ ——— —兰 ‘＊ 善………… ｝， ：誉２．３压力分布及结果分析 Ｌ —流动介质为水和泥浆时的压力分布如下图５ 所示。 ／叠曼Ｌ …／ 图６ 水（左）一泥浆（右）速度分布对比图 从图５可以看出，流体在弯管的内弯和外弯 处发生明显变化，在经过外弯拐点时压强达到最 大值，而当流体经过内弯拐点的时候达到最小值， ３ 结 语 本文运用ｆｌｕｅｎｔ对９０。弯管内流场进行＿ｒ模 并在弯管段的内测产生负压，因此在该处容易发 生气蚀现象。液体在出口管的压力是从弯管的内 侧到外侧逐渐增大，在管道轴线附近达到和进口 管处相近的压力。由于泥浆粘度比清水粘度要 大，经过弯管段的压力损失也要比介质为清水时 的压力损失大，所以介质为泥浆时的出口压力比 拟并进行了深入分析，可以得出以下结论： （１）运用ＲＮＧ Ｋ一￡湍流模 模拟包括有旋 均匀剪切流、自由流、边界层流以及有分离的流动 等在内的各种湍流流动具有较好的效果； （２）压强方面，由于流体在运动过程中受到弯 ２７ 武汉船舶职业技术学院学报２０１４年第１期 管曲率的影响，离心作用逐渐由内侧被甩到曲率 较大。 半径较大的外侧壁面附近，众多流体推挤外侧壁 参 考 文 献 面，另外在流体输运工程中的能量的损失，弯管内 １丁珏，翁培奋．９Ｏ。弯管内流动的理论模型及流动特性的数 侧和外侧的压力分布明显不同，沿轴向的压力梯 值研究［Ｊ］．计算力学学报，２００４，２１（３）：３１４—３２１． 度很大，且呈现出靠近内侧壁面区域的压力值小， ２李进良，李承曦，胡仁喜．精通ＦＬＵＥＮＴ ６．３流场分析［Ｍ］． 北京：化学工业出版社，２００９：８２—９９． 外侧壁面附近区域压力值较大。 ３朱红钧，林元华，谢龙汉．Ｆｌｕｅｎｔ １２流体分析及工程仿真 （３）流速方面，由于流体的输送压力以及弯管 ［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２０１１：３７ ４１． 曲率的不同等各方面的因素，弯管外壁面附近的 ４周俊波，刘洋．ＦＩ ＵＥＮＴ ６．３流场分析从入门到精通ＥＭ］．北 京：机械工业出版社，２０１２：１６４～１７０． 流体速度较小，而内壁面附近的流体的速度相对 Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｌｕｉｄ ｆｌｏｗ ｉｎｂｅｎｄ ｐｉｐｅ Ｗａｎｇ Ｊｉｎ～ｅ，Ｙａｎｇ Ｘｉａｏ－ｊｉａｎｇ。 （１．Ｗｕｈａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｈｉｐｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００５０，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｈａｎｇｚｈｏｕ Ｐｏｒｔ ａｎｄ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ Ｂｕｒｅａｕ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００１４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｍａｋｅ ａ ｔｈｏｒｏｕｇｈ ｉｎｑｕｉｒｙ ｉｎ ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ ｆｌｏｗ ｏｆ ｂｅｎｄ ｐｉｐｅ，ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｄｏｅｓ ｓｏｍｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｅｎｄ ｐｉｐｅ ｕｓｉｎｇ ｆｌｕｅｎｔ，ｄｅｅｐ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｒｅ ｃｏｎｄｕｃ— ｔｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｏｕｔｐｕｔ ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｔｈｉｓ ｍａｙ ｏｆｆｅｒ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ａｎｄ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｆｏｕｎｄａ— ｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒａｔｉｏｎａｌ ｄｅｓｉｇｎ，ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｅ ｔｏｓａｆｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ．Ｉｔ ｃａｎ ｐｒｅ— ｖｅｎｔ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｐｒｏｂｌｅｍ ｓｕｃｈ ａｓ ｌｅａｋａｇｅｅｆｆｅｃｔｉＶｅ１ｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｎｕｍｅｒｉｅａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ａｎａｌｙｓｉｓ；ａｃｃｉｄｅｎｔ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ （责任编辑：谭银元） ２８
