CosmosFloworks在管道流體分析中的應(yīng)用

何 岳

（中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院,北京 100083)

CosmosFloworks在管道流體分析中的應(yīng)用

何 岳

（中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院,北京 100083)

隨著加工制造技術(shù)的升級，傳統(tǒng)的流體管道系統(tǒng)設(shè)計方法已經(jīng)不能很好的滿足新的需求。CFD（計算機輔助流體動力學(xué)計算）作為一項嶄新的技術(shù)，在流體管道系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域正得到廣泛的應(yīng)用，通過對流體運動的規(guī)律進行數(shù)值計算，利用如歐拉方程、N-S方程等數(shù)學(xué)方程組來對整個系統(tǒng)進行計算模擬。本文擬通過利用CFD軟件CosmosFloworks在管道流體分析中的簡單案例，來講解在流體管道系統(tǒng)設(shè)計過程中應(yīng)用這一技術(shù)帶來的的優(yōu)勢和特點。

管道；流體分析；流體動力學(xué)；CosmosFloworks、CFD

1 管道系統(tǒng)開發(fā)中面臨的挑戰(zhàn)

在流體管道系統(tǒng)設(shè)計中大量利用經(jīng)驗公式和制造的實物進行驗證，那么會存在以下幾個問題。

（1）整體系統(tǒng)內(nèi)部的管路性能參數(shù)和整體質(zhì)量水平都必須依靠試驗才能確定；

（2）流體作用在過流部件上的壓力載荷無法求出；

（3）一些被流體包圍的部件的結(jié)構(gòu)強度難以計算；

（4）整體結(jié)構(gòu)的安全性與經(jīng)濟性難以取舍；

面對以上問題，傳統(tǒng)方法已經(jīng)限制了新型、大型管道系統(tǒng)的設(shè)計，近年來利用CFD技術(shù)解決上述問題的方法在國內(nèi)外取得了廣泛應(yīng)用。

2 CFD概述

上世紀(jì)六十年代前，對流體運動規(guī)律進行研究的辦法主要有兩種：一是將產(chǎn)品放在實際工作環(huán)境中進行實驗；另一種則是利用簡化的數(shù)學(xué)模型進行解析。前者需要交大的成本投入，而后者對復(fù)雜的計算問題則無能無力。近年來，計算流體動力學(xué)作為一種流體分析研究的方法有較快的發(fā)展，該方法通過計算機計算流體流動學(xué)方程，研究流體運動的規(guī)律，簡稱CFD。

在市面常見的CFD軟件中，CosmosFloworks是一款功能豐富、操作簡單方便，交互界面較為人性化的CFD軟件。下面以CosmosFloworks模擬計算簡易變徑管道為例，簡單介紹CFD軟件在管道流體分析中的應(yīng)用。

3 用CosmosFloworks計算流體動力學(xué)問題的過程

3.1 建模

CFD計算定義為大型數(shù)值求解，為縮短計算時間，模型必須經(jīng)過簡化。由于管道內(nèi)流體的流動較復(fù)雜，為了避免出口上產(chǎn)生渦流影響計算結(jié)果，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)延伸管道長度，以是、使CosmosFloworks能夠自動查找封閉的空間并設(shè)定為計算區(qū)域。

3.2 運行設(shè)置向?qū)?/p>

CosmosFloworks有關(guān)初始條件的設(shè)定操作非常簡單。設(shè)置向?qū)崾荆^程依次為設(shè)定單位→設(shè)定介質(zhì)→物理特征→分析條件→表面粗糙度→流體參數(shù)→初始邊界條件→設(shè)定計算精度。

3.3 網(wǎng)格控制

CosmosFloworks的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)劃分基于笛卡爾坐標(biāo)系進行。控制劃分網(wǎng)格精度有以下兩種方法，一種是選定自動劃分網(wǎng)格選項后由軟件自行完成網(wǎng)格劃分；另一種方法是選定自定義劃分網(wǎng)格選項后，選中需要細(xì)化的對象對其局部的網(wǎng)格進行進一步的細(xì)分。

3.4 設(shè)定邊界條件

3.5 計算

對配置名單擊鼠標(biāo)右鍵，點擊“Run”開始計算，通過軟件可對計算過程監(jiān)視。

4 流體阻力系數(shù)的計算

4.1 基礎(chǔ)理論

隨著流速的增大，流阻系數(shù)ξ與雷諾數(shù)Re逐漸趨近于一條水平線，壓力的損失△p與流速V平方成比例，有：Re＞Re2

式中，Re2為邊界條件雷諾數(shù)，r0為流體半徑，ε為表面粗糙度。

式中，Re為初始條件雷諾數(shù)，V為平均流速，d為管道內(nèi)徑，μ為流體粘度。

式中，ΔP為壓差，流速為V，單位為m/s，△P λ為沿程壓力損失。

4.2 邊界條件

設(shè)變徑后尺寸為原直徑的100%（即不存在變徑），流體阻力系數(shù)求解的邊界條件是在管道出入口兩側(cè)定義一個壓差，如圖1所示；再根據(jù)計算結(jié)果判斷流阻系數(shù)。

圖1

4.3 計算結(jié)果

通過CosmosFloworks模擬導(dǎo)出的一組數(shù)值如表1：

閥前后壓差(Pa) 100000 200000 300000 400000流量（m3/s） 8.08 11.42 13.99 16.15流速(m/s) 21.73 30.74 37.65 43.47雷諾數(shù)Re 14953525 21147423 25900237 29910439邊界雷諾數(shù)Re2 19586954 19586954 19586954 19586954流阻系數(shù) 0.386 0.389 0.391 0.391

由表1可以得出，當(dāng)前后壓差等于2e5Pa時，流阻系數(shù)大致穩(wěn)定為一個常數(shù)，取值為0.391。

5 流體流通系數(shù)計算

5.1 基礎(chǔ)理論

5.2 邊界條件

邊界條件的設(shè)定與流量系數(shù)C值的設(shè)定相同，設(shè)前后差壓為10MPa，設(shè)管道內(nèi)壁的表面粗糙度為Ra6.3。

5.3 計算結(jié)果

經(jīng)分析可得流量系數(shù)C與直徑變化的關(guān)系如圖2。

6 結(jié)論和展望

CosmosFloworks軟件可以實現(xiàn)從生成網(wǎng)格到輸出結(jié)果的一站式分析計算，可以同時設(shè)置多個配置分別運算，方便設(shè)計人員進行參數(shù)化設(shè)計，能夠同時對多個相似方案進行參數(shù)對比，在計算系統(tǒng)管道內(nèi)部的流體特性參數(shù)可以節(jié)省大量的時間和人力成本。此外該分析結(jié)果還能夠被結(jié)構(gòu)分析軟件直接導(dǎo)入，利用自身的參數(shù)優(yōu)化功能，輔助設(shè)計人員對管道系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)與尺寸參數(shù)的優(yōu)化。CosmosFloworks軟件能夠滿足對于系統(tǒng)內(nèi)部的管道流體的分析需求，是一種功能豐富、操作簡單的CFD軟件。

[1] SolidWorks公司.CosmosFloworks Fundamentals[M].2006.

[2]王福軍.計算流體動力學(xué)分析—CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[3]葉修梓，陳超祥.SolidWorks 2005基礎(chǔ)教程：零件與裝配體[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.