流体有限元分析技术

2013-06-07 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

应用COSMOS/FloWorks软件模拟圆管的内部流场以解决其局部损失问题,与现有的解析和实验结果进行了比较。结果显示为COSMOS/FloWorks软件在流体力学理,应用COSMOS/FloWorks软件模拟圆管内部流场是可靠的,论研究中的应用提供了参考。
作者: 曲每滨*王仲勋来源: 万方数据
关键字: 局部损失数值模拟 COSMOS/FloWorks软件国管

0 前言

COSMOS/noWorks软件是 SolidWorks软件的插件,是基于CFD(ComputationalFluidDynamics)技术, 即计算流体力学技术的有限元分析软件。随着电子计算机的推广普及和计算方法的新发展,CFD技术几十年来得到了蓬勃的发展,显示出巨大活力。相对实验研究,数值模拟有其独特的优点:(1)研究成本低;(2)无实验仪器干扰;(3)能获得完整的数据;(4)能将计算结果在计算机屏幕上形象地显现。流体流动经过各种管道构件和管道连接件时,由于流体的相互碰撞和形成漩涡等原因,存在局部能量损失,其损失程度大小可由局部损失系数表示。其中,大多数形状变化是没有解析解的。需要具体的数据,只有通过实验测量的方法。而实验测量耗费大量的人力、物力和财力且实验过程中受各种实验仪器的精度及不稳定状况影响。运用流体计算软件可解决上述的问题。本文通过对圆管内部流场的数值模拟,得到了不同截面比的局部损失系数与经验值进行了对比。

    1 几何模型和理论分析

管道截面突然扩大或突然缩小的圆管,会在主流外截面突然变化处形成涡流区,造成涡流损失,即局部损失(见图1)。涡流区的形状和局部损失的大小随管道大小截面面积不同而变化,管径突然扩大时局部损失系数(有解析解).管径突然缩小时局部损失系数经验,当A1/A2分别为0.1、0.3、0.5、0.7、0.9时,ε分别为0.41、0.36、0.26、0.14、0.06。几何模型可以在SolidWorks软件中绘制。

流体有限元分析技术solidworks simulation分析图片1

    2 控制方程

    圆管内部流动的控制方程可用 Navier一Stokes方程表示

流体有限元分析技术solidworks simulation分析图片2

    3 流场数值模拟

    3.1 解析假定

    由于对圆管进行的是静态分析,因而在数值模拟过程中作如下解析假定:
    (1)选取纯水作为流动介质,密度ρ=998.2kg/m?,动力勃度系数v=0.001Pa.s。
    (2)此模型中雷诺数Re=v·d/v=21231,远大于临界雷诺数2300。因而流动状态为紊流,故选用k-ε方程进行计算。
    (3)数值计算方法采用有限体积法常用的SIMPLE算法求解离散方程组。
    (4)设有0.5kg/s,的质量人口和0.101MPa的压力出口2个边界条件。

    3.2 解析过程

(1)COSMOS/FloWorks软件提供 1~8级网格精度。给定网格精度后,会自动生成网格。一般情况下,网格精度越高,所得的结果越精确,同时使计算量增大很多。对原始模型开度为3mm时就网格精度为3级、4级、5级进行数值计算。可以看出网格精度为4级与5级时,计算结果基本一致。鉴于网格精度越高,计算量成倍越大,故在本模型计算中选用4级网格精度。
(2)设置入口和出口的全压平均值为收敛条件。
(3)划分网格36678个,迭代78次用时28min即得到收敛结果。
(4)COSMOS/FIoWorks是 SolidWorks的插件,边界条件等不会随模型的改变而发生变化。故如需改变计算模型,在对原始模型进行计算过后,只需直接在建模软件中改变模型就可直接进行下一轮计算,极大节省了操作时间。

    3.3 计算结果及分析

通过对圆管内流场的数值模拟,把所得数据运用伯努利方程就截面突然收缩时小、大截面比为0.1,0.3,0.5,0.7,0.9时和截面突然扩大时小、大截面比为0.1,0.3,0.5,0.7,0.9时的局部损失系数屯进行了计算,结果对比如表1、表2所示。通过对表1、表2数据比较可以看出:误差最大为6.4%,数值解与解析解和经验值基本吻合;随着进出口面积比的增大,圆管的局部损失系数随之减小;当进出口面积比相同时,截面突然缩小比截面突然扩大时的局部损失系数更小。

流体有限元分析技术solidworks simulation分析图片3

4 结语

由上述分析可以看出,应用 COSMOS/FloWorks软件模拟圆管内部流场得到的结果与理论和实验值是一致的。而且,COSMOS/FloWorks软件计算方便,对于不同的情况,只要建立相应的模型,求解是相当迅速的。并且可以看到,作为SolidWorks软件的插件,COSMOS/F1oWorks在处理不同的模型时不必重复设定网格精度、边界条件、收敛目标等,大大节省了数值模拟中的操作时间。若在运算过程中出现"A vortex crosses the pressuer Opening"的警告,可将模型人口、出口管道加至足够长。

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