流體有限元分析技術

2013-06-07 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

應用COSMOS/FloWorks軟件模擬圓管的內部流場以解決其局部損失問題,與現有的解析和實驗結果進行了比較。結果顯示為COSMOS/FloWorks軟件在流體力學理,應用COSMOS/FloWorks軟件模擬圓管內部流場是可靠的,論研究中的應用提供了參考。
作者: 曲每濱*王仲勛來源: 萬方數據
關鍵字: 局部損失數值模擬 COSMOS/FloWorks軟件國管

0 前言

COSMOS/noWorks軟件是 SolidWorks軟件的插件,是基于CFD(ComputationalFluidDynamics)技術, 即計算流體力學技術的有限元分析軟件。隨著電子計算機的推廣普及和計算方法的新發展,CFD技術幾十年來得到了蓬勃的發展,顯示出巨大活力。相對實驗研究,數值模擬有其獨特的優點:(1)研究成本低;(2)無實驗儀器干擾;(3)能獲得完整的數據;(4)能將計算結果在計算機屏幕上形象地顯現。流體流動經過各種管道構件和管道連接件時,由于流體的相互碰撞和形成漩渦等原因,存在局部能量損失,其損失程度大小可由局部損失系數表示。其中,大多數形狀變化是沒有解析解的。需要具體的數據,只有通過實驗測量的方法。而實驗測量耗費大量的人力、物力和財力且實驗過程中受各種實驗儀器的精度及不穩定狀況影響。運用流體計算軟件可解決上述的問題。本文通過對圓管內部流場的數值模擬,得到了不同截面比的局部損失系數與經驗值進行了對比。

    1 幾何模型和理論分析

管道截面突然擴大或突然縮小的圓管,會在主流外截面突然變化處形成渦流區,造成渦流損失,即局部損失(見圖1)。渦流區的形狀和局部損失的大小隨管道大小截面面積不同而變化,管徑突然擴大時局部損失系數(有解析解).管徑突然縮小時局部損失系數經驗,當A1/A2分別為0.1、0.3、0.5、0.7、0.9時,ε分別為0.41、0.36、0.26、0.14、0.06。幾何模型可以在SolidWorks軟件中繪制。

流體有限元分析技術solidworks simulation分析圖片1

    2 控制方程

    圓管內部流動的控制方程可用 Navier一Stokes方程表示

流體有限元分析技術solidworks simulation分析圖片2

    3 流場數值模擬

    3.1 解析假定

    由于對圓管進行的是靜態分析,因而在數值模擬過程中作如下解析假定:
    (1)選取純水作為流動介質,密度ρ=998.2kg/m?,動力勃度系數v=0.001Pa.s。
    (2)此模型中雷諾數Re=v·d/v=21231,遠大于臨界雷諾數2300。因而流動狀態為紊流,故選用k-ε方程進行計算。
    (3)數值計算方法采用有限體積法常用的SIMPLE算法求解離散方程組。
    (4)設有0.5kg/s,的質量人口和0.101MPa的壓力出口2個邊界條件。

    3.2 解析過程

(1)COSMOS/FloWorks軟件提供 1~8級網格精度。給定網格精度后,會自動生成網格。一般情況下,網格精度越高,所得的結果越精確,同時使計算量增大很多。對原始模型開度為3mm時就網格精度為3級、4級、5級進行數值計算。可以看出網格精度為4級與5級時,計算結果基本一致。鑒于網格精度越高,計算量成倍越大,故在本模型計算中選用4級網格精度。
(2)設置入口和出口的全壓平均值為收斂條件。
(3)劃分網格36678個,迭代78次用時28min即得到收斂結果。
(4)COSMOS/FIoWorks是 SolidWorks的插件,邊界條件等不會隨模型的改變而發生變化。故如需改變計算模型,在對原始模型進行計算過后,只需直接在建模軟件中改變模型就可直接進行下一輪計算,極大節省了操作時間。

    3.3 計算結果及分析

通過對圓管內流場的數值模擬,把所得數據運用伯努利方程就截面突然收縮時小、大截面比為0.1,0.3,0.5,0.7,0.9時和截面突然擴大時小、大截面比為0.1,0.3,0.5,0.7,0.9時的局部損失系數屯進行了計算,結果對比如表1、表2所示。通過對表1、表2數據比較可以看出:誤差最大為6.4%,數值解與解析解和經驗值基本吻合;隨著進出口面積比的增大,圓管的局部損失系數隨之減小;當進出口面積比相同時,截面突然縮小比截面突然擴大時的局部損失系數更小。

流體有限元分析技術solidworks simulation分析圖片3

4 結語

由上述分析可以看出,應用 COSMOS/FloWorks軟件模擬圓管內部流場得到的結果與理論和實驗值是一致的。而且,COSMOS/FloWorks軟件計算方便,對于不同的情況,只要建立相應的模型,求解是相當迅速的。并且可以看到,作為SolidWorks軟件的插件,COSMOS/F1oWorks在處理不同的模型時不必重復設定網格精度、邊界條件、收斂目標等,大大節省了數值模擬中的操作時間。若在運算過程中出現"A vortex crosses the pressuer Opening"的警告,可將模型人口、出口管道加至足夠長。

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