成绩流动与传热数值计算变径管内流体流动流场分析基于 ANSYS 的变径管流分析摘要：本文利用ANSYS中CFD功能建立起变径管内流体流动的模型，然后利用k-e方 程实现了对管内流体的数值模拟。在予以一定的边界条件和初始条件后，可以通过fluent 将管内流体的压力，速度分布显示出来，方便直观。关键词：变径管 CFD 数值模拟ANALYSIS OF TAPERED REDUCING PIPE BASED ON ANSYSYAN Xin(School Of Electric Power Engineering, CUMT, Xuzhou, Jiangsu 221116)Abstract： In this paper, by using the CFD function in ANSYS to establish fluid tapered reducing pipe diameter flow model, and then use k-e equation to realize the numerical simulation of the fluid in the pipe. By giving certain boundary conditions and initial conditions, the fluid pressure and velocity distribution can be displayed in FLUENT ,conveniently and intuitively.Key word： tapered reducing pipe, CFD, numerical simulation引言 流体在直管内流动，其压力及速度分布比较简单可以得到。但是一旦当直管一部分 直径增大或缩小后，其内部的压力及速度分布比较复杂，通过计算很难得到。这时候利 用CFD计算即利用ANSYS软件可以较为容易的得到各参数的分布图。CFD技术具有成 本低、周期不需要做实验或者是计算等复杂的方法, 就可以可以给出管内流场全面、细 致的情况, 对于的解决有着很重要的指导作用。有限元模型的假设和湍流模型的确定对于管径的变化有两种，一种突然变大，另一种是突然变小，本文讲的是突然变小， 即进口大出口小。在阀台、油路体、阀与阀台的连接处、管道与阀台的连接处、阀体内 部均可见到突变截面。本文模拟所采用流体为水，不考虑粘度的影响。而且流体在管内 流动时环境温度对结果影响很小，故忽略温度变化对实验的影响。本文模拟时用的是模 型是k-e两方程模型。变径管模型的建立可以生成网格。在生成网格后要注意网格的修改，因为由于液体有粘性，所以存在边界层的问题，故在 管壁处的网格已经变径管口处的网格应该密集一些，在管中部的部分可以适当稀疏。边界条件的确定管内的流场的数值模拟是在有限元区域内进行的, 因此根据标准 k-e 模型, 在区域的边 界上给定下列边界条件。由于这是一个二维的问题，所以流体只在 XY 上有速度，故 入口边界 : 模拟中假定入口来流速度为 Vx=0.2m/s, Vy=0, 并设置入口处湍流度为 0.5% ,管壁边界条件：根据无滑移条件，在有限元模型表面的边界条件为Vx=Vy=O； 设置完后，设置残差，进行计算最后收敛。管径变小后的流场变化和分析下图为管内压力分布云图和速度分布云图已经流线图NOV 14, 2013 xi, pbns, ske)-1.016+00-1.076+00 -1 14e+O03.58&-02-1.63&+O0-1S1&+O0-2.19&+O0-2.47&WQ-2.75&+O0-3.026+00-3.8&+O0-46+00-457e+-i.aa&+ao-1.356+00-3.50&+00-3.58e+O0-441&+CX3-2.47e-ai-524e-01-5.526+00Contours of Static Pressure (pascal)Nov 16, 2013AN SYS FLUENT 14.0 (axi, pbns, ske)从图1、图2可以看出,图2 变径管2流体流动压力分布云图管径大的部分的压力要比管径小的部分的压力大，这是由于根据伯努利方程,p v2 p4 + z + 亠=彗 + z +1 .2 gpg 4 22 gv22 + hQ J A2 g Pg A 2 2 g j其中pi,M大小通径管道的压力,1)v1,v2为大小通径管道流体的流速，压力损失为h卞* ui2/2 g，* 0-5(1 - a2/Ai)又根据连续性方程:2)由(1) (2)两个式子可以得出pl大于p2的，而且随着管径的增大，压力损失也逐渐增 大。这和模拟所得到的的结论一样,如图中看到一样,下图小管径部分较上图的小管径 部分压力小，压力损失更多。另外，可以看到在管壁处的速度比较小，这是由于边界层 的原因，使得最靠近边界的流体速度为0，逐渐增加到流体的流速。在半径突变处，大径周围形成了涡流，同时半径变小处有强烈的涡流，形成的涡流，使 周围的压力急剧降低，进而形成真空，在此作用下，充斥在管道中的空气爆破，多次反复作用,终将造成振动、气蚀等破坏。720e-ai6.69e-Q16.iaei5.15&-Q14.63e-Q13.e-012.57e-Q1i.54e-aii.03e-ai5.15e-02o.ooB+aaContoursNOV 14, 2013 si, pbns, ske)4.136-013.605-317 7231图3变径管1流体流动速度分布云图726+1X1516+00- = =-：:E-：Nov 16. 2013图4变径管2琉璃流动速度分布云图7 74a-H33& 716.2 ： ?- ：2E-Nov 16, 2013NOV 16, 2013由图3,图4可以看出来管径变化越大速度变化速度也越快，流体流动状态也越容易变化Z紊流，后在后面管段中又逐渐变成层流。通过两个变径管的流线图对比得出，发现管径变化大的流线要比管径变化小的流线密 集，说明管径变化大的速度比较大，这用连续性方程和伯努利方程可以用理论计算出来 和模拟的结果相同。结论（1）突然变径的不但造成极大的压力损失，并且由于压力的突变或形成的涡流会对系 统管路及元器件造成损害，如气蚀、振动等;（2）管径变化越大，管内压力损失越大，管内速度也越大。参考文献：1李永峰变管径流场分析 太原科技大学学报， 2011，8（4） : 330-3332 丁源 王清.ANSYS ICEM CFD从入门到精通.北京：清华大学出版社，2013.3 郭楚文. 工程流体力学 . 徐州：中国矿业大学出版社， 2010.4 唐家鹏.FLUENT14.0超级学习手册.北京：人民邮电出版社.20135 朱红钧,曹妙渝,陈小榆,曾涛. 油水两相变径管流动模拟研究 . 内蒙古石油化工 .2009.2.6 袁安营等. 变径管内高压成形有限元模拟. 机械工程与自动化. 2006.047 吴普特等. 多孔变径出流管标准化管径设计方法. 排灌机械工程学报. 2011.058 张宝亮等. 汽车变径管内高压成形技术. 模具工业. 2010.08