基于fluent的弯管流动模拟研究

纪宏超，李耀刚，郑镭，李文军

(1.河北联合大学，河北唐山 063009;2.唐山德盛陶瓷有限公司，河北唐山 063000)

0 引言

弯管广泛应用于石化，钢铁冶金等各个行业，其内部运输的相对运动会产生一定的振动从而导致管道系统动力失稳，给系统造成灾难性的毁坏。现在管道中多为油水两相流，流动较为复杂，而且再通过弯管时会发生突变，使得流动更加复杂，基于以上因素，研究弯管油水两相流动的速度、压力、流线分部的特性，既能保证安全运输，又能为弯管设计提供有益参考。

1 理论分析

选择混合模型并使用Fluent软件对上述弯管内部流场进行模拟研究，Fluent提供的混合模型是一种简化的多相流模型，以下给出其控制方程［1］。

(1)连续性方程:

(2)动量方程:

(3)能量方程

式中:Keff是有效热传导率;SE是体积热源

(4)相对速度和漂移速度

相对速度定义为第二项的速度相对于主项的速度:

漂移速度和相对速度的关系:

(5)第二项体积分数

以上是研究两相流混合模型的理论基础，可用来模拟两项或多项具有不同速度的流动，混合模型主要就体现在对连续性方程、动量方程、能量方程、第二项体积分数及相对速度方程的求解过程。

2 数值模拟

2.1 几何模型及网格划分

本文选取某工程输油管道的90°水平弯管一段，其中管径长为600 mm折弯处弯径为3，在弯管两端延伸5 m。其中油水混合物的混合比例为4∶1，经过gambit建立如下的网格。

图1 弯管网格模型

2.2 弯管模拟的初始化条件设置

针对本文研究的问题，利用fluent采用模型进行数值计算，采用非稳态、隐式解法步进求解，湍流模型采用标准 ε － κ 模型［2］。

表1 混合模型弯管边界条件设置

2.3 计算结果及后处理

从模拟结果的压强图可以看出，管道的的进口压强高于出口端的压强，整个管段的压强呈现递减态势，由于受到弯管离心力的作用，弯管处内侧压力到外侧压力逐渐增大。

图2 压强云图

在模拟计算中，进口处流速初始值设置为均匀入流，流速为固定值2.0 m/s。从速度图可以看出，质点的动量动能不断发生交换，使得管道内流速并不均匀在弯管的外侧相对速度最大，从弯管内侧到外侧速度逐渐增加。出口处流速并不均匀，在内侧比较密集，而在外侧相对较稀疏，经过弯管之后，由于管内液体所受到的离心力逐渐消失，流速逐渐变得较为均匀。

从进出口的流量图可以看出，在弯管流动中，进出口流量是比较均匀的，符合守恒定律，在刚刚开始时出口有一些波动，不过不是很大，在模拟结束时，进口波动较大，符合实际情况。

整体上从模拟的结果来看，fluent能很好的模拟弯管内两项流的流动，对于使用管道传输的不同行业均可以使用商用软件对其模拟，不仅为企业节约的资本，而且能够使得弯管设计更加合理。

3 结论

(1)用数值模拟手段对弯管内部流动进行了研究，得出的两相流数值特征与实际及理论计算比较接近，揭示了弯管流速度场和压力场的变化规律。

(2)建立的数值模型可为弯管设计试验提供参考和帮助。针对具体试验，改变模型中对应参数，即可更科学的了解管道输送弯管过程的变化。

［1］张远君.两相流体动力学基础理论及工程应用［M］.北京:北京航空学院出版社，1987.

［2］Fluent Inc.FLUENTUsers Guide［Z］.Fluent Inc.，2003.

［3］王福军.计算流体动力学分析［M］.北京:清华大学出版社，2004.

［4］江帆，黄鹏.Fluent高级应用与实例分析［M］.北京:清华大学出版社，2008.

［5］傅磊.散料的流动性及其在弯管中气力输入的研究［D］.大连理工大学，2000，5.