管道突扩水流流场的数值模拟
基于Fluent的低雷诺数突扩圆管流场的数值模拟_许自顺
0 引言
当固体边界形状突然改变时，引起原有水流 内部结构的改变，从而产生漩涡等现象。在边界改 变之后，水流还要重新调整以适应均匀流条件。突 扩回流由于流体的惯性和突然扩大的边界条件，在 管壁拐角与主流束之间成分离和回流区，会引起压 力降低和能量损失 [1]。突然扩张管道在能源、动
基金项目：国家科技支撑计划子课题 (2015BAF07B04 ) 作者简介：许自顺（1990 -）, 男，山东菏泽人，硕士 研究生，主要从事动力机械的研究。 收稿日期：2015 - 10 - 14
动，操作压力选用标准大气压，求解压力速度采取 SIMPLE 算法，采取标准 k-ε模型，动量方程用二 维迎风格式离散，亚松弛迭代因子定为压力修正项 取 0.3，动量修正项选 0.7。连续性方程和动量方程 收敛残差标准均为 10-3，从速度入口为计算起始点 展开计算[4]。
3 求解及结果分析
3.1 不同雷诺数下的突扩管模拟 首先计算扩张比一定时管道内流场随 Re 的变 化规律，取 e = 2 的物理模型， D1 = 100 mm，D2 = 200 mm，分 别 取 雷 诺 数 Re = 20，Re = 50，Re = 100，Re = 150 四种入口情况进行计算。以 Re = 20 为例，计算经 183 次收敛。残差监视图见图 2。
突扩管分离流场的数值模拟
5240
科 学 技 术 与 工 程
9卷
雷诺数 R e = 50 不变的情况下 , 突扩比 E 分别 为 2, 3, 4时的流场如图 5所示 。
(2)突扩流场的主要特征是在管径突扩处产生 回流现象 。
( 3 )回流区长度随着雷诺数和突扩比的增加而 增加 。在一定的范围内 ,回流区长度与雷诺数呈线 性变化 。
突扩回流是利用通道几何断面的突然扩张产 生回流 [ 1 ] 。由于管道面积的突然扩张 ,在面积突然 变化的截面后存在着回流 、分离 、重附和剪切等流 动现象 ,会引起压力降低和能量损失 [ 2, 3 ] 。这样的 流动可以发生在化学 、石油工业中的管流体系 ,还 可以应用于空气流通管 、突扩燃烧室和液体射流装 置中 。它在能源 、动力 、化工等工业领域有着广泛 的应用 。因此对突扩管道内的流动进行数值模拟 研究在工程实践和理论研究中都有着十分重要的 意义 。
Num er ica l S im ula tion of Sudden2expan sion P ipe Separa ted Flow
ZHAO Hai2yan, J IA Zue2song, YANG Shi2mei, HAO M ing
(Daqing Petroleum stitute, Heilongjiang Province, Daqing 163318, P. R. China)
[ Abstract] Boundary sudden2expansion flow is the common flow phenomenon in the p ipeline transportation engi2 neering. Pipeline design p lays a vital role in energy2saving and lower cost of p roduction. The lam inar flow of a New tonian fluid in sudden2expansion p ipe is simulated using CFD software FLUENT, and the results are treated by the post2p rocessing software Tecp lot and O rigin. Stream line charts of the sudden2expansion p ipe separated flow are given in different Reynolds numbers and enlargement ratio, and the influence of Reynolds numbers and enlargement ratio to it are analyzed. The results reflect essential characteristic of sudden2expansion p ipe flow and p rovide theo2 retical foundation and analytical m ethod for solving the common p roblem in industrial p roduction. [ Key words] sudden2expansion flow Fluent numerical sim ulation stream line
低雷诺数圆管突扩流场的数值模拟及阻力特性分析
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文- 2 -1.2 本课题研究的目的与意义工程中管道流动的雷诺数都非常大，实验测量发现，当雷诺数足够大时，均直圆管内流动进入完全粗糙区，或称阻力平方区，此时的摩擦阻力系数与雷诺数无关，而流体流过局部管件的情形与此类似，绝大多数情况下，局部损失系数与雷诺数无关，仅由不同管件的几何形状、尺寸所决定，通常是通过实验测定确定其大小。
然而在20世纪末到21世纪以来，随着现代科学技术的不断发展，新兴的科技领域导致了流体力学的研究对象更加复杂化，流体力学的研究尺度逐渐从宏观领域发展到了微观领域，并渗透到了生物学、医学、电子科学等各个方面。
这时，之前应用于解决工程问题的结果在微观领域的应用就受到了一定的限制，如在雷诺数很低的流动下，粘性力的影响逐渐增强，局部阻力系数必然会受到雷诺数的影响，而受到实验条件的限制，加之实验数据本身比较离散，于是实验测定的结果通常会存在一定的误差。
然而，数学的发展，计算机的不断进步，计算流体力学的形成，使许多原来无法进行试验观测以及无法用理论分析求解的流体力学问题有了求得数值解的可能性。
而且，在低雷诺数时，通过数值模拟的方法可以模拟出常规的雷诺数理论不能预测出来的小涡。
因此，利用计算机进行数值模拟，就可以获得低雷诺数流体流经变截面通道时流场的全部信息，据此就可以分析此时流动的阻力特性，这即成为本课题研究的目的之所在。
为了研究低雷诺数时的局部阻力特性，就必须从界定此类问题的特定参数雷诺数出发对此问题进行分析，从无量纲雷诺数/Re uD ρμ=的表达式中，我们可以看到，雷诺数的大小是和三个物理量密切相关的，流体的运动粘性系数、管道的特征长度（在研究管道问题时通常指当量直径）及管道中流体的流速。
于是，根据这三个量的不同可从不同角度对低雷诺数流动进行划分：一方面是一些黏性系数很大的流体在管道中的流动。
正如McNaughton 和Sinclair(1966)，Tadmor 和Gogos(1979)以及Boger(1981)所研究的，比如润滑油、甘油等在管道中的输送等，玻璃的融化过程，聚合物的处理等通常都表现为层流。
管道中流场的数值模拟
管道中流场的数值模拟摘要本文将通过使用FLUENT流体仿真软件进行数值模拟，并且应用标准K-ε双方程模型，对管道中加入整流元件的流场进行了三维的数值模拟。
通过与没有整流元件的流场进行分析对比。
经过两种情况下的仿真结果对比，从对比的结果来看，整流元件具有良好的稳定流场的作用和良好的抑制涡流的。
关键词数值模拟；整流元件；流场0引言我们知道性能优良的整流元件可以改善流体进入流量计的管道前的流动状态，为了提高流量计的测量准确度，可以采用优化流动条件的方法，在这里我们通过使用FLUENT流体仿真软件对加入了整流元件的管道进行流体仿真模拟，通过仿真结果可以看出整流元件具有良好的整流效果。
而FLUENT流体仿真软件是用C语言开发的一款软件，它使用的是用户/服务器的结构方式，它支持UNIX操作系统和Windows操作系统平台，还支持并行计算，它可以在不同的操作系统的工作站和服务器之间协调完成同一任务。
FLUENT流体仿真软件采用的是菜单界面与使用者交互的。
使用者可以根据需要通过多窗口的方式观察计算的进程，查看计算的结果。
同时仿真以后的计算的结果可以采用多种方式进行查看，比如说云图，剖面图，等值线，XY散点图，动画，矢量图等方式，对于最后的结果可以进行贮存和打印，最后的计算结果也可以保存成为其他后处理软件或者是仿真软件所支持的格式。
FLUENT流体仿真软件还提供了用于使用者编程的接口，使用者可以在其基础上重新定制和控制相关的输入输出，而且使用者还可以再次开发利用。
1建立几何模型安装整流元件在管道中的目的就是为了可以使在达到规则速度分布的后减小所需要的直管段。
我们知道在计量中，在封闭的管道中输送，能够造成流量计量的误差的因素有很多，其中我们知道的流量计内的流动状态的畸变就是其中的一种。
在流量计上安装整流元件是消除或最大程度地减少流动状态畸变的一种有效方法。
本文将参照中华人民共和国国家标准GB-T2624.1-2006附录C中有关流动调整器和流动整直器的相关介绍，模拟了一种整流元件。
非对称突扩通道流动特性的数值模拟
第 ２期
刘圣琬 等 ： 非对 称 突扩通 道 流动 特性 的数 值模 拟
表 ２ 不同偏心度下回流区的长度 回流 区长度 比窄 突扩 边小 ．
１３ ５
３ 结论
本 文用 有 限体积 法对 非对 称 突扩流 动进行 了数 值 模 拟 ， 得 的结 果 符合 物理 规 律 嘲非 对 称 突 扩 通 所 ． 当 Ｎ ００ ＝． ２时 ， 突扩边 的回流 区长 度 比宽 突扩 窄
非对称突扩通道流动特性的数值模拟
刘圣琬 李春光 ， 吕岁菊 ，
（． １ 宁夏水利 水电勘测设计研究院有限公 司， 宁夏 银川 ７ ０ ０ ； ５ ０ ４ ２北方民族大学 数值计算与工程应 用研究所 ， ． 宁夏 银 川 ７ ０ ２ ） ５０ １ 摘 要： 针对非对称突扩通道 的流动 ， 建立了平 面二维不可压稳态层流数 学模型 ， 采用守恒性能高的有限体积 法
一
Ｄｄ ／，偏 心度 Ｎ＝／ ｓ Ｄ和雷 诺数 Ｒ ＝ ｏ／ 为运 动黏 ｅ ｕｄｕ
度＾ Ｅ和 Ⅳ决定突扩管形状 ， ｅ 尺 决定流态． 其流动控 制方 程为
ＯＵ ＋
＝ ０
，
ｏ ｘ
ｏ ｙ
＋ ＝一
ｄ ｃ ｐ ｌ ｙ
＋ ＝一
＋
Ｏｘ
粤 Ｏ Ｎ ＼ 粤） ／ ，
第 １ 卷 第 ２期 １
２１ 年 ０２ ６ 月
宁 夏 工 程 技 术
Ｎｉ ｇ ｉ Ｅｎ ｉ ｅ ｒｎ Ｔｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｎ ｘａ ｇｎ ｅｉｇ ｃ ｎ ｌｇ
Ｖ０ ． １ １１ Ｎｏ ２ ．
Ｊｎ ０ ２ ｕ ．２ １
文 章 编 号 ：６ １ ７４ （０ ２）２ ０ ５ － ３ １７ － ２ ４ ２ １ ０ — １ １ ０
突扩管流动形态的数值模拟
突扩管流动形态的数值模拟周再东;魏长柱;孙明艳;刘帅【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2012(012)030【摘要】针对油品在管道中运输时常常遇到边界突然扩大的流动状态.分别建立突扩管的物理模型、数学模型,并应用软件模拟不同雷诺数、不同突扩比下的管内流体的流动形态,得出了不同雷诺数下轴向压力的变化趋势以及局部水头损失随突扩比的影响规律.结果可以很好地反映突扩管流的基本特征.对于石油生产中常见的此类问题的研究具有重要的意义和作用.%For the pipeline transportation of oil in the border sudden expansion of the flow state is often faced. To established physical model, mathematical model, and application software to simulate different Reynolds number, different enlargement ratio of fluid movement form, the trend of the axial pressure under different Reynolds numbers, as well as the local head loss with the sudden expansion of the law is obtained. The results can be very good response to sudden expansion of the basic characteristics of pipe flow, common for the oil production of such issues of great significance and role.【总页数】3页(P7983-7985)【作者】周再东;魏长柱;孙明艳;刘帅【作者单位】大庆油田有限责任公司储运销售分公司储运保障大队,大庆163000;大庆油田有限责任公司第二采油厂,大庆163414;大庆油田有限责任公司第三采油厂,大庆163000;大庆油田有限责任公司第一采油厂,大庆163000【正文语种】中文【中图分类】O352;TE832.2【相关文献】1.突扩管层流流动的数值模拟 [J], 白彩鹏2.冷却条件下超临界CO<sub>2</sub>在突扩管中流动及其换热的数值模拟 [J], 王超;张信荣;白皓;;;3.突扩管内部流体流动性能的数值模拟 [J], 王战辉;张智芳;高勇;李瑞瑞4.突扩膨胀射流冲击换热与流动的数值模拟 [J], 郑传波;耿丽萍;周静伟5.泄洪洞弧形闸门突扩突跌出口段三维流动的数值模拟 [J], 李国栋;许文海;邵建斌;陈刚因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
城镇埋地燃气管道泄漏扩散的流场数值模拟
城镇埋地燃气管道泄漏扩散的流场数值模拟城镇埋地燃气管道泄漏扩散的流场数值模拟引言：随着城镇化进程的加快，天然气已经成为我国的主要能源之一。
然而，燃气管道的泄漏事故时有发生，给城镇居民和环境带来了巨大的安全隐患。
因此，研究燃气泄漏的扩散规律，对于提高城镇燃气管道的安全运行具有重要意义。
本文将通过数值模拟，探究城镇埋地燃气管道泄漏扩散时的流场特性及影响因素。
方法：本研究采用计算流体力学（CFD）方法，建立了城镇埋地燃气管道泄漏扩散的数值模型。
模拟计算采用了RANS（Reynolds Average Navier-Stokes）方法，通过对流动场和浓度场的计算，获得了泄漏气体的流场特性及浓度分布。
在模拟中，考虑了多重因素对泄漏扩散行为的影响，包括环境风速、管道周围建筑物的遮挡效应和地面粗糙度等。
结果：模拟结果显示，泄漏气体在管道附近形成了一个较为明显的流动区域。
在周围建筑物遮挡的情况下，这个区域明显受到了阻碍，泄漏气体扩散速度较慢。
与此同时，环境风速的增加对泄漏扩散具有显著影响，较高的风速会加速泄漏气体的扩散。
地面粗糙度也会导致泄漏气体的速度下降，但其影响相对较小。
讨论：城镇燃气管道泄漏扩散的流场特性与泄漏源的位置、周围建筑物的布局以及环境风速等因素密切相关。
在设计和建设燃气管道时，应充分考虑以上因素，减少泄漏事故的发生可能性。
此外，合理的安置泄漏检测装置和应急处理设施，对于及时发现和应对管道泄漏具有重要意义。
结论：通过数值模拟，我们可以模拟城镇埋地燃气管道泄漏扩散的流场特性，并揭示了多个因素对泄漏扩散的影响。
这些结果对于提高城镇燃气管道的安全性具有重要意义。
在今后的研究中，可以进一步考虑更多的因素，提高数值模拟的精度，并结合实地观测数据进行验证，以更好地指导管道设计和安全管理工作通过数值模拟研究，我们成功获得了城镇埋地燃气管道泄漏气体的流场特性和浓度分布。
结果显示，在考虑多重因素的情况下，包括环境风速、周围建筑物的遮挡效应和地面粗糙度等，泄漏气体在管道附近形成了一个明显的流动区域。
突扩明渠的三维紊流数值模拟
（
）
ｔ
（ ） ２
２ ｕ ｕ １ ｉ ｉ ｉ ｕ （ｋ） （ｋ ｐ ＋ ＝ ＋ｕ ＝－ ＋υ ＋ｆ ｉ ｉ） ｊ ρｕ ｔ ｘ ｘ ｘ ｘ ｔρ ｘ ｘ ｉ ｉ ｉ ｊ ｊ ｊ ρ
μ ＋Ｇ － ε μ＋σ ） ρ ［（ ｘ］
ｋ ｋ
ｋ
（ ） ３
图 ２ 可看出 ， 各水深处 ｋ 较实验值也偏差较大 ， 故ｋ － ω 模型在突扩处的流速较标准ｋ － ε 模型偏大 ， － ω 模型不能 够较好地模拟含有突扩段的渠道 。 对 比 ３ 种ｋ 见 － ε 模型不同的修正方式对模拟结果的影响 较 大 ， － ε 模 型 的 沿 程 流 速 的 模 拟 结 果， 考虑到 ｋ 图 ３。 从图 ３ 可看出 ， 突扩前段 不 同 水 深 处 沿 程 流 速 的 模 拟 结 果 相 似 ， 这是因为突扩前段都属于矩形顺直 渠 。 经过 突 扩 段 之 后 ， 这是因为 ｋ ３ 种模型的模拟结果出现了偏差， Ｒ ＮＧ － ε 模 型 模 拟 值 与 实 验 值 最 为 接 近，
渠道在沿程方向上分为２个 由于突扩的出 现 ， 区， 一 个 是 主 流 区， 另一个是左右二侧形成的回流 区 。 这是因为 ： 当水流流到 突 扩 处 时 ， 由于惯性的存 在， 无法沿着 壁 面 流 动 ， 而 是 沿 着 突 扩 逐 渐 扩 大， 因 此在突扩壁面与主流区之间 形 成 回 流 区 域 。 以 左 侧 回流区为例 ， 回流区是由于突扩段的低压区卷吸主 流形成的一个逆时针的涡 ， 右 侧 则 形 成 顺 时 针 的 涡。 漩涡内部速度相对较小 ， 压强 较 小 ， 在实际的渠道中 会造成来流方向的垃圾或污染物堆积 。 ２ 紊动强度分析 ２． 垂面涡量分 布 云 图 能 够 反 映 渠 道 的 涡 量 大 小 ， 从而间接的反映渠道紊动强 度 的 变 化 。 沿 程 中 垂 面 涡量分布云 图 如 图 ５ 所 示 。 从 图 ５ 可 以 看 出 ， 垂向
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管道突扩水流流场的数值模拟
管道突扩水流流场的数值模拟是一个复杂的过程，主要使用计算机来实现。
它的特点在于将模拟的流体空间细分成很多三角形（或者多面体）小块，然后根据给定的流体性质、流体密度和速度等参数来计算每个小块的流速分布。
一、模拟原理：
1、数据采集：首先需要采集流场区域的工程地质资料，及天文、地质、地理
等现场实测数据，构建模拟所需要的数据库。
2、网格细分：将水流流场区域划分为若干等大的小格网格，细分成多个三角
形（或者多面体）小块，并进行微观的数据分析，计算每一块小格的流速分布情况。
3、数据处理：利用数据库中的信息，通过数据处理程序求解流场的相关物理
量（如流场速度和流场压力等）。
4、计算过程：根据得到的各个格网格数据，利用各种流体力学方程及数值解
算方法，对流体运动进行模拟，模拟出流动状态。
二、模拟软件：
1、流体力学模拟软件：专门用于模拟流体运动状态的解算软件，可以给出的
结果包括流体的流场速度分布，作用在流体表面的力分布，流体流动情况等。
2、场解模拟软件：主要用于多维场的计算，帮助模拟空气流动，以及各种物
质的扩散、输运等现象，进行水流流场模拟。
3、多尺度模拟软件：专门用于计算多尺度不連续流场的模拟，这类流场存在
多种尺度，涉及到流场的传输、增长和混合等物理现象，对模拟结果的精度和准确性有很大的影响作用。
三、模拟质量评价：
1、模拟精度判断：评价模拟的准确度，使用不同的模型得到的结果是否一致，来判断模拟的精度。
2、模拟数据处理：当模拟得出结果后，需要对模拟数据进行分析处理，包括对模拟数据的预处理、数据验证和可视化等，以实现更可靠的结果展示。
3、模拟实验：可通过实验的方式来评价模拟结果的准确性，实验可以为模拟数据提供有效的实验校核，确保模拟结果较准确可靠。