圆管内部流体流动性能的有限元分析*

王战辉，张智芳，陈锦中，常丽娜，闫君芝

(1.榆林学院 化学与化工学院，陕西 榆林 719000；2．陕西省低变质煤洁净利用重点实验室，陕西 榆林 719000)

管道是输送不同流体介质如气体、液体的重要工具，一般由筒身、管件、阀门和其他部件组合而成，在压差的驱动力下，使流体介质从高压区域流向低压区域[1]。气体和液体作为主要的流体输送介质，在众多流体性质当中，黏度是最重要的一种物理性质，对于管道介质的流动性能具有举足轻重的作用[2-4]。管道由于其制造简单、运输能力强等特性，大量应用于暖通、排污、油气输送、化工单元操作等过程，常用的管道形式有很多种，包括圆管、突扩管、缩放管等，都以圆管为基础演化而来，所以对圆管的研究格外重要[5]。

圆管由于其具有结构简单、加工方便、成本较低等优点，已经成为工业行业当中应用最广泛的传质传热元件[6]。圆管传质效果和传热效果是评价圆管综合效果的2个重要指标，对于传热效果，管道内部流体通常与管壁存在温差，因此，流体在管道的输送过程中，需要进行换热，而且流体内部主体也会进行换热，正是由于这2种形式的换热过程，流体在管道进出口截面会产生温差，而温差的大小可以反应其传热效果；对于传质效果，流体本身具有黏度，随着温度升高或者降低，黏度发生变化，黏度的存在使流体存在速度梯度，由中心线到壁面处速度逐渐减小，产生边界层，从而影响其传质性能。圆管截面没有发生突变，流体流动面积不变，流体流动稳定，流动形态容易达到稳定状态，传热死区面积比较少[7-10]。国内外学者主要对圆管几何参数变化、流体性质变化对圆管内部流动性能的影响进行了很多研究，而且还把突扩管或者其他形式管道的流动性能与圆管进行对比以考察其性能，但是圆管的进口压力、速度、温度参数对流动性能的影响研究得还比较少。因此，利用Fluent有限元分析软件，首先研究圆管内部压力和速度分布规律，其次通过改变进口压力、速度、温度参数，考察其对圆管出口相应参数的影响，所得结论对圆管内部流体流动性能的研究有一定参考意义。

1 有限元分析

圆管内径为0.2 m，壁厚为4 mm，材料为20#钢，弹性模量E为206 GPa，泊松比为0.3，屈服强度σs为245 MPa，抗拉强度σb为410 MPa。进口流速为0.5 m/s，进口压力为0.1 MPa，管内介质为水，进口温度为298 K，密度为1 000 kg/m3，比热容为4 200 J/(kg·K)。选用分离隐式求解器的求解算法进行计算，基于交错网格处理的压力速度耦合方程，离散格式的一阶迎风差分控制方程，标准湍流模型，近壁面函数，无滑移绝热壁面，速度进口和压力出口的边界条件[11-13]。圆管几何模型见图1。

图1 圆管几何模型

2 有限元模拟结果

以圆管为研究对象，利用Fluent有限元分析软件，首先研究圆管内部压力和速度分布规律，其次通过改变进口压力、速度、温度参数，考察对圆管出口相应参数的影响，改变管道本身的流动参数分析对流体流动性能的影响。

2.1 速度云图

圆管内部速度云图见图2。

图2 圆管速度云图

由图2可知，圆管速度云图大致可以分为2个区域，第一个区域为流体主体区域即靠近圆管中心线区域，圆管内部速度分布从管道进口到出口呈均匀分布，基本不发生变化，为进口流速，这也更进一步验证了圆管内部主体区域流动速度保持稳定，没有发生速度突变，因此，雷诺数保持稳定。第二个区域为靠近管道壁面处，速度大幅减小，这是由于流体有一定的黏性，会产生边界层，增大管道对靠近管道内壁流体的摩擦力，在摩擦力的作用下，靠近内壁面流体速度产生速度梯度，因此流体速度减小[14]。

2.2 压力云图

圆管内部压力云图见图3。

图3 圆管压力云图

由图3可知，从管道进口到出口，圆管内压力呈减小的趋势，在圆管进口处，压力最大，在圆管出口处，压力最小，这是由于虽然管道主体速度基本不变，但是在边界层摩擦力的影响下，从进口到出口，摩擦力影响的范围越来越大，因此，压力呈减小的趋势。与速度云图不一样，压力云图沿对称轴呈对称分布，在壁面处没有减小的现象，这是由于流体受到管壁的摩擦作用，在内部速度基本维持不变的情况下，根据伯努利方程，压力呈减小的趋势，压降越大，能耗越高，成本增加[15-19]。

2.3 流动参数的影响

2.3.1 进口速度变化的影响

采用速度进口类型时，控制进口温度为30 ℃，操作压力为0.1 MPa，进口速度从0.5 m/s变化至4.5 m/s。进出口压降变化见图4，实际出口速度变化见图5，实际出口温度变化见图6。

由图4～图6可知，随进口速度的增加，进出口压降和出口温度呈增大趋势，进出口温度差、进出口速度差基本为0，保持不变，更进一步说明了进口速度对进出口压降的影响最大。

进口速度/(m·s-1)图4 不同进口速度下进出口压降变化曲线

进口速度/(m·s-1)图5 不同进口速度下出口流速变化曲线

进口速度/(m·s-1)图6 不同进口速度下出口温度变化曲线

2.3.2 进口压力变化的影响

采用压力进口类型时，控制操作压力为0.1 MPa，进口温度与进口速度保持不变，改变进口压力。进出口流速变化见图7，实际进口出口温度变化见图8。

由图7、图8可知，进口出口流速随进口压力的增加而增大，压力越大，出口流速变化越大。随进口压力的增大，出口温度基本维持不变，出口温度数值比进口温度数值大。

进口压力/MPa图7 不同进口压力下进出口流速变化曲线

进口压力/MPa图8 不同进口压力下进出口温度变化曲线

2.3.3 进口温度变化的影响

采用速度进口类型时，控制进口流速为0.5 m/s，操作压力0.1 MPa。进口温度从293 K升至333 K。实际进出口压降变化见图9，出口速度变化见图10，实际出口温度变化见图11。

由图9～图11可知，随着进口温度的增大，出口流速与进出口压降基本维持不变，出口流速与进口流速之间也无明显变化，出口温度数值随着进口温度的增大而增大，且出进口温度差为0。

进口温度/K图9 不同进口温度下进出口压降变化曲线

进口温度/K图10 不同进口温度下出口流速变化曲线

进口温度/K图11 不同进口温度下出口温度变化曲线

2.3.4 传热系数和压降的影响

传热系数K和压降Δp是衡量圆管内部流动性能的重要指标，传热系数高，传递相同大小的热量所需传热面积比较少，所需换热管数量相应减小，成本降低；压降高，能耗高，所需成本增大。因此一般用K/Δp表示圆管的综合传热性能。其他几何参数保持不变，通过改变进口速度，考察对K、Δp、K/Δp的影响，结果见表1。

表1 圆管综合性能数值

由表1可知，传热系数和压降均随流速的增加而增大，K/Δp随流速的增加而减小，说明速度不宜过大。

3 结 论

以圆管为研究对象，利用Fluent有限元分析软件，首先研究圆管内部压力和速度分布规律，其次通过改变进口压力、速度、温度参数，考察其对圆管出口相应参数的影响，改变管道本身的流动参数分析对流体流动性能的影响。

(1)圆管速度云图大致可以分为2个区域，靠近圆管中心线区域和靠近管道壁面处区域。从管道进口到出口，圆管内压力呈减小的趋势，压力云图沿对称轴呈对称分布，在壁面处没有减小的现象；

(2)随着进口速度的增大，出口速度、进出口压降和出口温度呈增大的趋势；随着进口压力的增大，进口出口流速均呈增长趋势；随着进口温度的增大，出口流速与进出口压降基本维持不变，出口温度随着进口温度的增大而增大；

(3)传热系数和压降均随流速的增加而增大，K/Δp随流速的增加而减小。