【STARCCM+案例】管道沿程損失計算

2016-08-31 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

1案例背景

1、圓管內(nèi)流動速度

半徑R的圓形管道層流流動時( ),其沿軸線方向的速度可表示為:

因此某一剖面上的最大速度

而該剖面上的平均速度:

式中, 為任意橫截面上的最大速度, 為任意橫截面上平均速度,為任意橫截面任意位置的速度表達(dá)式,而 ,其中, 為沿管道長度的壓降。

因此可得這些速度之間的關(guān)系

2、圓管摩擦水頭損失

對于圓形管道流動,其摩擦水頭損失為

式中, 為摩擦系數(shù),對于層流流動( ),其摩擦系數(shù)為

而對于湍流來講就復(fù)雜得多了,湍流狀態(tài)下的摩擦系數(shù)通?？梢酝ㄟ^查詢莫迪圖得到,當(dāng)然數(shù)學(xué)表達(dá)式也不少,其中用的比較多的如布拉修斯公式(適用于 )

管道壓力降與水頭損失之間的關(guān)系為

2 案例描述

本案例幾何較為簡單,長度1m,直徑0.02m的圓形管道,流動介質(zhì)密度600kg/m^3,動力粘度0.01Pa.s,入口速度1m/s利用CFD計算其壓力損失。利用前面的計算公式可得到雷諾數(shù) ,采用層流摩擦系數(shù) ,摩擦水頭損失 ,壓降。

2.1 案例幾何

幾何很簡單,可采用二維軸對稱或三維模型。這里采用軸對稱模型,可以驗(yàn)證對于此模型來說,軸對稱模型與三維模型不存在精度上的差異。模型如圖所示(此處為了顯示方便,將Y方向擴(kuò)大了10倍)。

網(wǎng)格劃分比較粗糙,共生成500*20個網(wǎng)格。

2.2 操作步驟

2.2.1 新建Simulation

啟動STAR CCM+,使用快捷鍵CTRL+N新建一個Simulation,這里采用12核并行計算,也可以采用默認(rèn)串行計算。

2.2.2 導(dǎo)入網(wǎng)格

利用菜單File > Import > Import Volume Mesh,導(dǎo)入網(wǎng)格文件。這里采用提前準(zhǔn)備的Fluent格式的網(wǎng)格。也可以在STAR CCM+中建模劃分網(wǎng)格。

2.2.3 添加物理模型

鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊模型樹節(jié)點(diǎn)Contimua | Physics 1 | models,選擇Select models…

選擇如圖所示的模型。

2.2.4 修改介質(zhì)物性

雙擊模型樹節(jié)點(diǎn)Continua | Physics 1 | Liquid | H2O

在彈出的對話框中設(shè)置Density為600,設(shè)置Dynamic Viscosity為0.01,如下圖所示。

2.2.5 設(shè)置初始值

初始化速度值x方向1m/s,如下圖所示。

2.2.6 邊界條件設(shè)置

設(shè)置inlet邊界類型為velocity inlet,如下圖所示操作。

同樣步驟設(shè)置outlet邊界類型為Pressure Outlet;設(shè)置axis邊界類型為Axis

設(shè)置入口速度為1m/s,如下圖所示。

2.2.7 設(shè)置壓降監(jiān)控

鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊模型樹節(jié)點(diǎn)Reports,選擇New Report > Pressure Drop,如下圖所示。

軟件自動在Reports節(jié)點(diǎn)下生成子節(jié)點(diǎn)Pressure Drop 1。點(diǎn)擊此子節(jié)點(diǎn),設(shè)置其屬性框如下圖所示。高壓部件選擇入口,低壓選擇出口。

鼠標(biāo)右鍵選擇此子節(jié)點(diǎn),選擇彈出菜單Create Monitor and Plot from Report

2.2.8 設(shè)置Scene

鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊節(jié)點(diǎn)Scenes,選擇菜單New Scene > Scalar,生成新節(jié)點(diǎn)Scalar Scene 1

設(shè)置Scalar的顯示模式為Smooth Filled,如下圖所示。

設(shè)置Scalar Field為Velocity:Magnitude,如下圖所示。

2.2.9 其他設(shè)置

其他參數(shù)采用默認(rèn)。如STAR CCM+默認(rèn)設(shè)置迭代步數(shù)1000步,這里懶得改了。

開始計算吧。

2.3 存在的問題

計算很快就完成了,如此簡單的模型,收斂也很好,從下面的殘差圖來看,已經(jīng)低于-9了。

看速度云圖(Y方向放大了10倍),最大速度1.9341m/s,位于軸線所在位置。不過這值距離最大速度2m/s還有差距。

比較進(jìn)口與出口位置沿著Y方向速度分布,如下圖所示?？梢钥闯鲞M(jìn)口速度為一平直線,即人工輸入的恒定值1m/s,而出口位置速度為類似拋物線,符合充分發(fā)展流動特征。

再來看壓降隨迭代變化曲線,400步后已經(jīng)不再變化了。

看壓降值為893.3Pa,距離計算得到的800Pa相差接近100Pa,那么問題出在哪里?

分析原因:入口邊界條件給得有問題。應(yīng)該按照充分流動入口條件,前面計算壓降利用的公式中的速度應(yīng)該為平均速度。本案例平均速度1m/s,最大速度為2m/s,入口位置速度分布為

其中, 為徑向距離。

2.4 改造

2.4.1 創(chuàng)建Field Functions

如下圖所示,右鍵點(diǎn)擊節(jié)點(diǎn)Tools | Field Functions,選擇菜單New > Scalar

將會在Field Functions節(jié)點(diǎn)下生成新的節(jié)點(diǎn),修改此節(jié)點(diǎn)名為Inlet Velocity。選擇此節(jié)點(diǎn),進(jìn)行如下圖所示設(shè)置。設(shè)置Function Name為inletVelocity,點(diǎn)擊Dimesnions右側(cè)按鈕,在彈出對話框中設(shè)置Length為1,Time為-1。