流體有限元分析技術(shù)

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

應(yīng)用COSMOS/FloWorks軟件模擬圓管的內(nèi)部流場以解決其局部損失問題,與現(xiàn)有的解析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果顯示為COSMOS/FloWorks軟件在流體力學(xué)理,應(yīng)用COSMOS/FloWorks軟件模擬圓管內(nèi)部流場是可靠的,論研究中的應(yīng)用提供了參考。
作者: 曲每濱*王仲勛來源: 萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: 局部損失數(shù)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(shù), 即計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)的有限元分析軟件。隨著電子計(jì)算機(jī)的推廣普及和計(jì)算方法的新發(fā)展,CFD技術(shù) 幾十年來得到了蓬勃的發(fā)展,顯示出巨大活力。相對(duì)實(shí)驗(yàn)研究,數(shù)值模擬有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):(1)研究成本低;(2)無實(shí)驗(yàn)儀器干擾;(3)能獲得完整的數(shù)據(jù);(4)能將計(jì)算結(jié)果在計(jì)算機(jī)屏幕上形象地顯現(xiàn)。流體流動(dòng)經(jīng)過各種管道構(gòu)件和管道連接件時(shí),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(shù)表示。其中,大多數(shù)形狀變化是沒有解析解的。需要具體的數(shù)據(jù),只有通過實(shí)驗(yàn)測量的方法。而實(shí)驗(yàn)測量耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力且實(shí)驗(yàn)過程中受各種實(shí)驗(yàn)儀器的精度及不穩(wěn)定狀況影響。運(yùn)用流體計(jì)算軟件可解決上述的問題。本文通過對(duì)圓管內(nèi)部流場的數(shù)值模擬,得到了不同截面比的局部損失系數(shù)與經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行了對(duì)比。

    1 幾何模型和理論分析

管道截面突然擴(kuò)大或突然縮小的圓管,會(huì)在主流外截面突然變化處形成渦流區(qū),造成渦流損失,即局部損失(見圖1)。渦流區(qū)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(kuò)大時(shí)局部損失系數(shù)(有解析解).管徑突然縮小時(shí)局部損失系數(shù)經(jīng)驗(yàn),當(dāng)A1/A2分別為0.1、0.3、0.5、0.7、0.9時(shí),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(shù)solidworks simulation分析圖片1

    2 控制方程

    圓管內(nèi)部流動(dòng)的控制方程可用 Navier一Stokes方程表示

流體有限元分析技術(shù)solidworks simulation分析圖片2

    3 流場數(shù)值模擬

    3.1 解析假定

    由于對(duì)圓管進(jìn)行的是靜態(tài)分析,因而在數(shù)值模擬過程中作如下解析假定:
    (1)選取純水作為流動(dòng)介質(zhì),密度ρ=998.2kg/m?,動(dòng)力勃度系數(shù)v=0.001Pa.s。
    (2)此模型中雷諾數(shù)Re=v·d/v=21231,遠(yuǎn)大于臨界雷諾數(shù)2300。因而流動(dòng)狀態(tài)為紊流,故選用k-ε方程進(jìn)行計(jì)算。
    (3)數(shù)值計(jì)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(shè)有0.5kg/s,的質(zhì)量人口和0.101MPa的壓力出口2個(gè)邊界條件。

    3.2 解析過程

(1)COSMOS/FloWorks軟件提供 1~8級(jí)網(wǎng)格精度。給定網(wǎng)格精度后,會(huì)自動(dòng)生成網(wǎng)格。一般情況下,網(wǎng)格精度越高,所得的結(jié)果越精確,同時(shí)使計(jì)算量增大很多。對(duì)原始模型開度為3mm時(shí)就網(wǎng)格精度為3級(jí)、4級(jí)、5級(jí)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。可以看出網(wǎng)格精度為4級(jí)與5級(jí)時(shí),計(jì)算結(jié)果基本一致。鑒于網(wǎng)格精度越高,計(jì)算量成倍越大,故在本模型計(jì)算中選用4級(jí)網(wǎng)格精度。
(2)設(shè)置入口和出口的全壓平均值為收斂條件。
(3)劃分網(wǎng)格36678個(gè),迭代78次用時(shí)28min即得到收斂結(jié)果。
(4)COSMOS/FIoWorks是 SolidWorks的插件,邊界條件等不會(huì)隨模型的改變而發(fā)生變化。故如需改變計(jì)算模型,在對(duì)原始模型進(jìn)行計(jì)算過后,只需直接在建模軟件中改變模型就可直接進(jìn)行下一輪計(jì)算,極大節(jié)省了操作時(shí)間。

    3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

通過對(duì)圓管內(nèi)流場的數(shù)值模擬,把所得數(shù)據(jù)運(yùn)用伯努利方程就截面突然收縮時(shí)小、大截面比為0.1,0.3,0.5,0.7,0.9時(shí)和截面突然擴(kuò)大時(shí)小、大截面比為0.1,0.3,0.5,0.7,0.9時(shí)的局部損失系數(shù)屯進(jìn)行了計(jì)算,結(jié)果對(duì)比如表1、表2所示。通過對(duì)表1、表2數(shù)據(jù)比較可以看出:誤差最大為6.4%,數(shù)值解與解析解和經(jīng)驗(yàn)值基本吻合;隨著進(jìn)出口面積比的增大,圓管的局部損失系數(shù)隨之減小;當(dāng)進(jìn)出口面積比相同時(shí),截面突然縮小比截面突然擴(kuò)大時(shí)的局部損失系數(shù)更小。

流體有限元分析技術(shù)solidworks simulation分析圖片3

4 結(jié)語

由上述分析可以看出,應(yīng)用 COSMOS/FloWorks軟件模擬圓管內(nèi)部流場得到的結(jié)果與理論和實(shí)驗(yàn)值是一致的。而且,COSMOS/FloWorks軟件計(jì)算方便,對(duì)于不同的情況,只要建立相應(yīng)的模型,求解是相當(dāng)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(shí)不必重復(fù)設(shè)定網(wǎng)格精度、邊界條件、收斂目標(biāo)等,大大節(jié)省了數(shù)值模擬中的操作時(shí)間。若在運(yùn)算過程中出現(xiàn)"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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