Fluent軟件 管道中液固兩相流動數(shù)值模擬研究

1、 管道中液固兩相流動數(shù)值模擬研究摘要：本次的課題研究主要是了解管道流動的概念及應(yīng)用，熟悉管道固液兩相流的一般計算，分析固體顆粒在環(huán)空油管中的沉降。采用商業(yè)軟件對氣體輸送系統(tǒng)進行模擬。本課題利用Gambit建立幾何模型，將模型導(dǎo)入Fluent進行模擬計算，Tecplot軟件進行后處理，計算結(jié)果用可視化圖形表示出來，進而加以分析和總結(jié)。本文對顆粒的沉降末速度進行了分析，分別建立了有、無接箍時的顆粒沉降模型，認為流體在油管中的流動是層流狀態(tài)。模擬結(jié)果表明，固相的速度分布曲線與液相速度分布曲線相似，只是固相速度曲線相對液相速度分布曲線向下平移了一定數(shù)值；顆粒主要分布于環(huán)空油管的中部，且分布較均勻；在忽

2、略接箍的影響下，顆粒排出量要大于受接箍影響下的顆粒排出量，原因是接箍附近產(chǎn)生了渦流，顆粒沉降較多。關(guān)鍵詞：固液兩相流；數(shù)值模擬；Fluent軟件中圖分類號：TB126Pipe flow characteristics of entranceAbstract：Keywords：solid- liquid two -phase flow；Numerical simulation; Fluent softwareClassification: TB126目錄摘要：IAbstractII目錄III1 引言11.1 研究背景11.2 國內(nèi) 11.3 課題基本內(nèi)容和擬解決的主要問題21.4 歐拉-拉氏模型

3、31.5 研究方法31.6 研究意義42理論方法42.1控制方程42.1.1質(zhì)量守恒方程42.1.2 動量守恒方程4層流的控制方程52.2采用方法62.2.1 GAMBIT軟件介紹62.2.2 GAMBIT操作步驟82.2.3 FLUENT軟件介紹82.2.4 FLUENT操作步驟83 實驗原理103.1工作原理103.2 實驗數(shù)據(jù)104 模擬方案介紹114.1了解研究區(qū)域并生成幾何結(jié)構(gòu)114.2劃分網(wǎng)格114.3指定邊界類型124.4采用FLUENT進行求解125 計算結(jié)果與分析145.1 錯誤！未定義書簽。5.2 錯誤！未定義書簽。5.3 錯誤！未定義書簽。5.4 錯誤！未定義書簽。5.5

4、 錯誤！未定義書簽。6 結(jié)論15參考文獻錯誤！未定義書簽。作者簡介17學(xué)位論文數(shù)據(jù)集181 引言1.1 研究背景流體管道是流體傳輸、傳動和控制工程中用以輸送流體介質(zhì)、傳遞流體動力和信息的不可或缺的元件1。自從1904年普朗特提出邊界層理論以來，就使得流體力學(xué)顯得日益重要，其應(yīng)用也越來越廣泛2。固液兩相流是多相流中較為常見的一種類型。在瓦特發(fā)明蒸汽機后，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，兩相流的研究開始受到重視3。固液兩相流動研究廣泛存在于自然界及能源、化工、石油、礦業(yè)、水利等各個領(lǐng)域。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)達，管道流動技術(shù)發(fā)展速度迅速，使固液兩相流理論的應(yīng)用在現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)各個領(lǐng)域中的重要性也越來

5、越明顯。由于固液兩相混合物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、組成的復(fù)雜性，至今尚無統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)。兩相流理論模型研究的早期嘗試性工作大致是從20世紀(jì)40年代末開始。幾十年來，人們根據(jù)不同的觀點及假設(shè)建立了不同的兩相流模型。各模型及特點如表11所示4。早期的模型考慮因素比較少，形式簡單，計算方便，但誤差較大；后期的模型更加接近實際情況，比較完善，然而計算困難，不能滿足工程應(yīng)用需要。由于目前對固液兩相流動規(guī)律的實際應(yīng)用研究還不是很成熟，使得運用于具體設(shè)備中，過流部件磨損嚴重，使得設(shè)備壽命很低，造成了能源和設(shè)備上的浪費。因此,開展管道固液兩相流動的理論與實驗研究,分析流體管道的動態(tài)特性對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，以及系

6、統(tǒng)中其它元件的正常工作，對于完善管道輸送技術(shù)理論基礎(chǔ),提高管道水力輸送工程的設(shè)計和運行水平,促進管道水力輸送技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用,具有重要的意義。流體管道動態(tài)特性數(shù)值模擬具有研究周期短、經(jīng)費投入少，不受模型尺寸、外界擾動、測量精度限制等優(yōu)點，其作用相當(dāng)于在計算機上進行復(fù)雜流體試驗5。而本文通過CFD軟件對管內(nèi)固液兩相流數(shù)值模擬研究，節(jié)省大量的實驗過程、實驗時間及花費，而且還能對完善液固兩相流理論和改進實際應(yīng)用設(shè)備的設(shè)計方法有一定的理論指導(dǎo)作用。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀固液兩相流是指連續(xù)相為水或其他液體、分散相為固體顆粒的兩相流.與單相流動相比兩相流的復(fù)雜性在于：一方面由于兩相流各相自有一組流動參量描

7、述運動的變量幾乎增加了一倍導(dǎo)致兩相流動基本方程組的不易封閉性6。連續(xù)相也稱分散媒或分散外相。在分散體系中容納著物質(zhì)微?；蛞旱?而其本身物理和化學(xué)性質(zhì)均勻的分布7。目前國內(nèi)外對兩相流動的研究日趨重視,兩相流已成為現(xiàn)代流體力學(xué)前沿課題的一個重要內(nèi)容。模擬液體中固體顆粒的流動,有兩種主要的研究得到了發(fā)展 ,這就是連續(xù)逼近法與離散逼近法.前者不能描述固態(tài)的不連續(xù)特性 ,它所用到的幾個經(jīng)驗參量也難以得到。因此,一般研究人員傾向于離散逼近法8。最初,離散法僅僅是對單相流體提出的?，F(xiàn)在,它已被用來研究粒子在液體層面上的流動,即兩相流問題。目前，固液兩相流的研究仍然以實驗為主，通過實驗得到數(shù)據(jù)和規(guī)律，建立完全

8、經(jīng)驗性的，或者半經(jīng)驗半理論性的模型，進行數(shù)值模擬。由于計算簡便，誤差又在許可范圍之內(nèi)，因此在工程中得到了廣泛應(yīng)用。因此,將數(shù)值模擬和實驗研究相結(jié)合必將成為將來研究兩相流動的主要手段。描述固液兩相流動的模型有單顆粒動力學(xué)模型、單流體模型、小滑移模型、兩流體模型和歐拉-拉氏模型等多種模型,各種模型都是從不同角度對真實過程所做的近似和簡化,適用于不同的范圍。而數(shù)值模擬作為熱門研究工具，不但可以對高濃度的固液兩相流進行數(shù)值模擬,而且可以克服實驗周期長的缺點。而它在關(guān)管內(nèi)固液兩相流研究方面的運用已較為普遍，但是由于復(fù)雜流道中的流動理論尚不完善，且已有多相流模型仍不十分成熟，對液固兩相流場還缺乏真正的認識

9、9。因此，如今多借助于CFD軟件對管內(nèi)固液兩相流數(shù)值模擬研究，對加深了解其內(nèi)部液固兩相流場的一般規(guī)律和發(fā)展固液兩相流理論有著重要的意義。1.3 課題基本內(nèi)容和擬解決的主要問題 實驗是環(huán)空油管中的顆粒沉降，并認為流體在油管中的流動是層流狀態(tài), 取環(huán)空油管垂直截面的1/2，分別建立有、無接箍顆粒沉降模型,參數(shù)為：泵徑38mm；油管內(nèi)徑 62mm；抽油桿外徑為19.1mm；流體密度為1000 kg/m3；顆粒密度為2000kg/m3；顆粒粒徑為0.1mm；顆粒體積分數(shù)為5%；顆粒和流體的初速度為0.135m/s。采用商業(yè)軟件分析模擬管道內(nèi)固液兩相流的運動軌跡、顆粒體積濃度對流動的影響、粒徑對流動的影

10、響。采用Gambit建模，F(xiàn)luent軟件進行模擬，Tecplot軟件進行后處理。得出整個管道內(nèi)的流動特性。1.4 歐拉-拉氏模型歐拉-拉氏模型是和兩相流體模型同時期發(fā)展的用于研究兩相流動的較為完整的兩相流模型,但它最早只用于氣固兩相流,Lourenco曾用歐拉-拉氏模型對管道中的氣固兩相流進行了模擬,后來該模型才逐漸被用于研究固液兩相流。在歐拉-拉氏模型中,流體相作為連續(xù)介質(zhì)用歐拉法模型處理,湍流模型一般選用雙相耦合的模型;而固體粒子作為擴散相則用拉氏模型處理。所以選用歐拉-拉氏模型對顆粒的沉降進行模擬。1.5 研究方法求解固液兩相在管道中流動的問題，首先要由流體力學(xué)、熱力學(xué)、傳質(zhì)傳熱學(xué)等基

11、本原理出發(fā)，建立質(zhì)量、動量、能量、組分湍流特性等守恒方程組，如連續(xù)方程、擴散方程、湍能方程等，此即建立基本方程的含義。這些方程所構(gòu)成的聯(lián)立非線性偏微分方程組，不能用經(jīng)典的分析法，只能用數(shù)值方法求解。數(shù)值模擬方法具有經(jīng)濟、高效的特點。此次課程是利用GAMBIT和FLUENT軟件對固液兩相在管道中流動進行模擬運算，包括如下步驟：(1) 建立反映工程問題或物理問題本質(zhì)的數(shù)學(xué)模型。具體地說就是要建立反應(yīng)問題各個量之間關(guān)系的微分方程及相應(yīng)的定解條件，這是數(shù)值模擬的出發(fā)點。這里采用Fluent軟件中的Eulerian模式。(2) 進行計算。這部分工作包括計算網(wǎng)格劃分，初始條件和邊界條件的輸入，控制參數(shù)的設(shè)

12、定等。這是整個工作中花時間最多的部分。需要花時間去完成。這里可用Gambit和Fluent軟件去進行模擬。(3) 顯示計算結(jié)果。計算結(jié)果一般通過圖表等方式顯示，這對檢查和判斷分析質(zhì)量和結(jié)果有重要意義。1.6 研究意義通過對管道內(nèi)流動特性的數(shù)值模擬，了解管道內(nèi)的顆粒沉降情況，從而得到管道內(nèi)流動特性的分析，使管道流動技術(shù)發(fā)展速度更迅速，對油氣井生產(chǎn)的過程有著指導(dǎo)作用，并且很夠更好在工業(yè)，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域上更好的發(fā)揮它的作用做前期基礎(chǔ)研究。2理論方法2.1控制方程質(zhì)量守恒方程任何流動問題都必須滿足質(zhì)量守恒定律。該定律可表達為：單位時間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量的增加，等于同一時間間隔內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量。按照這一

13、定律，可以得到質(zhì)量守恒方程(mass conservation equation)： (2.1)是密度，是時間，、是速度矢量在x、y、z方向的分量。 動量守恒方程動量守恒定律也是任何流動系統(tǒng)都必須滿足的基本定律。該定律可表達為：微元中流體的動量對時間的變化率等于外界作用在該微元體上的各種力之和。按照這一定律，可導(dǎo)出x、y、z三個方向的動量守恒方程(momentum conservation equation)： (2.2a) (2.2b) (2.2c)式中，p是流體微元體上的壓力；、等是因分子粘性作用而產(chǎn)生的作用在微元體表面上的粘性應(yīng)力的分量；、是微元體的體力，若體力只用重力，且z軸豎直向上，

14、則=0，=0，=。上面是對任何類型的流體。對于牛頓流體，粘性應(yīng)力與流體的變形率成比例，有： (2.3a) (2.3b) (2.3c)層流的控制方程層流是流體的一種流動狀態(tài)。流體在管內(nèi)流動時，其質(zhì)點沿著與管軸平行的方向作平滑直線運動。此種流動稱為層流或滯流，亦有稱為直線流動的。流體的流速在管中心處最大，其近壁處最小。管內(nèi)流體的平均流速與最大流速之比等于0.5，根據(jù)雷諾實驗，當(dāng)雷諾準(zhǔn)數(shù)引Re<2320時，流體的流動狀態(tài)為層流。上面(2.3)式又稱為Navier-Stokes方程。更是三維瞬態(tài)Navier-Stokes方程，無論對層流和湍流都適用。2.2采用方法2.2.1 GAMBIT軟件介紹

15、(1)顯示區(qū)該區(qū)域位于整個窗口的中央,是6大區(qū)域中最大的一塊,用于顯示幾何模型及生成網(wǎng)格圖。如果需要，該顯示區(qū)可以拆分為4個小區(qū)，這樣便于顯示和操作。這里顯示出的是一透平機械的網(wǎng)格圖，沒有對顯示區(qū)進行拆分。(2)菜單區(qū)GAMBIT的菜單區(qū)位于顯示區(qū)的上方，共有File、Edit、Solver和Help4個菜單。其中，F(xiàn)ile菜單提供的操作包括打開文件、保存文件、從文件中導(dǎo)入模型、導(dǎo)出當(dāng)前模型、退出等。Edit菜單提供的操作包括修改系統(tǒng)設(shè)置、取消上一步操作、重復(fù)剛?cè)∠牟僮鞯取olver菜單用來選擇求解器的類型，如FLUENT5、FLUENT4.5、FIDAP、POLYFLOW、NEKTON、

16、ANSYS等。Help顯示幫助信息。(3)操作區(qū)操作區(qū)位于界面右側(cè)，由3個層次的命令組及當(dāng)前命令使用的對話框構(gòu)成。其中，第一層次的命令組為Operation，包含4個二級命令組，依次為Geometry(幾何操作)、Mesh(網(wǎng)格劃分)、Zone(區(qū)域指定)和Tools(工具)。這4個命令組分別有一個按鈕與之對應(yīng)。使用GAMBIT的大部分命令都通過這4個按鈕發(fā)出。它們的功能分別是：Geometry命令組提供了建立點、線、面及組的多種方法，以及相關(guān)的顏色控制、信息統(tǒng)計和數(shù)據(jù)刪除等功能；Mesh命令組包括對邊界、線、面、體和組的網(wǎng)格劃分、網(wǎng)格聯(lián)結(jié)、信息修改等功能；Zone命令組用于指定和命名模型及模

17、型的邊界；Tools命令組提供了網(wǎng)格生成時的一些輔助工具。剛一啟動Gambit時，只顯示最高層次命令組，即Operation命令組。單擊命令組中的某個命令按鈕時，會出現(xiàn)相應(yīng)的二級命令組。單擊二級命令組中的按鈕，會出現(xiàn)三級命令組。(4)操作提示區(qū)操作提示區(qū)位于顯示區(qū)下方，由兩個小窗口構(gòu)成，標(biāo)題分別為Transcript和Description。其中，Transcript窗口用于顯示操作信息，包括完成過程中的一些重要信息和操作失敗的原因。Description窗口給出當(dāng)鼠標(biāo)指針移到某個按鈕上的提示信息。(5)命令提示行命令提示行位于界面的最下方，窗口的標(biāo)題是Command。用戶可在該區(qū)域輸入所需要

18、的命令。(6)控制區(qū)控制區(qū)位于界面右下角，標(biāo)題為Global Control。通過單擊該區(qū)域內(nèi)的按鈕，可對顯示區(qū)內(nèi)坐標(biāo)系標(biāo)志、顏色、模型的各個顯示屬性等進行控制?？刂茀^(qū)中第一行上的5個小圖標(biāo)按鈕，用于控制顯示區(qū)的4個小區(qū)。第1個小圖標(biāo)按鈕控制左上區(qū)，若圖標(biāo)按鈕中的深色部分是紅色，則表明顯示區(qū)的左上區(qū)是活動的，可以進行操作，例如改變顯示角度等；如果是灰色的，那么左上區(qū)不能進行操作。第2到第4個圖標(biāo)的功能與之類似。最后一個圖標(biāo)的作用是將顯示區(qū)中所有的小區(qū)變?yōu)榛顒拥?。?行中的各個圖標(biāo)按鈕的作用是控制顯示區(qū)域大小和視角等。5個按鈕的功能依次是：縮放圖形顯示范圍以使圖形整體全部顯示在當(dāng)前窗口中，設(shè)置旋

19、轉(zhuǎn)圖形時用的旋轉(zhuǎn)軸心，使用上一次的菜單及窗口配置更新當(dāng)前顯示，改為光源的位置和撤消上一步的操作。第3行中的各個圖形按鈕的作用是控制顯示屬性。5個按鈕的功能分別是：為模型顯示確定方位、指定模型是否可見等屬性、指定模型顯示的外觀(如線框、渲染或消隱等)、指定顏色模型(是否將模型顏色與幾何屬性相關(guān)聯(lián))及放大局部網(wǎng)格模型(用于對網(wǎng)格進行仔細考察)。在GAMBIT中，按下鼠標(biāo)左鍵并拖動，可以實現(xiàn)模型的旋轉(zhuǎn)；按下中鍵并拖動，可以移動模型；按下右鍵并向上拖動可以縮小模型，向下拖動則放大模型，向左或向右拖動則旋轉(zhuǎn)模型；同時Ctrl鍵和鼠標(biāo)左鍵，在屏幕上拖出一個矩形框，則將模型在矩形框中的部分放大到整個顯示區(qū)；

20、同時按Shift鍵和鼠標(biāo)左鍵，表示選中模型或者模型的幾何元素，該功能只在特定的操作過程中有效。2.2.2 GAMBIT操作步驟對于一個給定的CFD問題,可利用GAMBIT,按如下3個步驟生成網(wǎng)格文件：(1)構(gòu)造幾何模型。這個環(huán)節(jié)既可利用GAMBIT提供的功能完成，也可在其他CAD軟件中生成幾何模型后，導(dǎo)入GAMBIT之中。在生成幾何模型后，可將該模型以默認的dbs格式或其他CAD格式(如ACIS格式)保存到磁盤上。(2)劃分網(wǎng)格。這個環(huán)節(jié)需要輸入一系列參數(shù)，如單元類型、網(wǎng)格類型及有關(guān)選項等。這是生成網(wǎng)格過程中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。對于簡單的CFD問題，這個過程只是操作幾次鼠標(biāo)的問題，而對于復(fù)雜的問題，

21、特別是三維問題，這一過程需要精心策劃、細心實施。這個環(huán)節(jié)結(jié)束后，一個與求解域完全對應(yīng)的網(wǎng)格模型便制作出來，用戶可從多個視角觀察這個網(wǎng)格模型。(3)指定邊界類型和區(qū)域類型。 因CFD求解器定義了多種不同的邊界，如壁面邊界、進口邊界、對稱邊界等，因此在Gambit中需要先指定所使用的求解器名稱(如Fluent5/6)，然后，指定網(wǎng)格模型中各邊界的類型。如果模型中包含有多個區(qū)域，如同時有流體區(qū)域和固體區(qū)域，或者是在動靜聯(lián)合計算中兩個流體區(qū)域的運動不同，那么必須指定區(qū)域的類型和邊界，將各區(qū)域分開來。當(dāng)上述3個過程全部結(jié)束后，可將帶有邊界信息的網(wǎng)格模型存取(文件擴展名為*.dbs)或輸出為專門的網(wǎng)格文件

22、(*.msh),供CFD求解器讀取。2.2.3 FLUENT軟件介紹Fluent軟件是流體力學(xué)中通用性較強的一種商品軟件，它不但可以為工程設(shè)計服務(wù)，亦可用于科學(xué)研究。它的軟件設(shè)計基于“CFD計算機軟件群”的概念，針對每一種流動的物理問題的特點，采用適合于它的數(shù)值解法在計算速度，穩(wěn)定性和精度等各方面達到最佳，再將不同領(lǐng)域的計算軟件組合起來，成為CFD軟件群，從而高效率的解決各個領(lǐng)域內(nèi)復(fù)雜流動的計算問題。這些不同軟件可以計算流場，傳熱和化學(xué)反應(yīng)，各個軟件之間可以方便地進行數(shù)值交換。各種軟件采用統(tǒng)一前后端處理工具，為Fluent的通用化建立了基礎(chǔ)。關(guān)于Fluent軟件的詳細操作在后面將被具體介紹。2

23、.2.4 FLUENT操作步驟FLUENT是一個求解器，在使用FLUENT進行求解之前，必須借助GAMBIT、TGRID或其他CAD軟件生成網(wǎng)格模型，采用GAMBIT進行網(wǎng)格生成。(1)制訂分析方案 在使用FLUENT前，首先應(yīng)針對所要求解的物理問題，制訂比較詳細的求解方案。制訂求解方案需要考慮的因素包括以下內(nèi)容：1：決定CFD模型目標(biāo)。確定要從CFD模型中獲得什么樣結(jié)果，怎樣使用這些結(jié)果，需要怎樣的模型精度。2：選擇計算模型。在這里要考慮怎樣對物理系統(tǒng)進行抽象概括，計算域包括那些區(qū)域，在模型計算域的邊界上使用什么樣的邊界條件，模型按二維還是三維構(gòu)造，什么樣的網(wǎng)格拓樸結(jié)構(gòu)最適合于該問題。3：選

24、擇物理模型?？紤]該流動是無粘、層流，還是湍流，流動是穩(wěn)態(tài)還是非穩(wěn)態(tài)，熱交換重要與否，流動是用可壓還是不可壓方式來處理，是否多相流動，是否需要應(yīng)用其他物理模型。4：決定求解過程。在這個環(huán)節(jié)要確定該問題是否可以利用求解器現(xiàn)有的公式和算法直接求解，是否需要增加其他的參數(shù)(如構(gòu)造新的源項)，是否有更好的求解方式可使求解過程更快地收斂，使用多重網(wǎng)格計算機的內(nèi)存是否夠用，得到收斂解需要多久的時間。 一旦考慮好上述各問題后，就可開始進行CFD建模和求解。(2)求解步驟 當(dāng)決定了(1)中的幾個要素后，便可按下列過程開展流動模擬。l 創(chuàng)建幾何模型和網(wǎng)格模型(在GAMBIT或其他前處理軟件中完成)。l 啟動FLU

25、ENT求解器。l 導(dǎo)入網(wǎng)格模型。l 檢查網(wǎng)格模型是否存在問題。l 選擇求解器及運行環(huán)境。l 決定計算模型，即是否考慮熱交換，是否考慮粘性，是否存在多相等。l 設(shè)置材料特性。l 設(shè)置邊界條件。l 設(shè)置控制求解的有關(guān)參數(shù)。l 初始化流場。l 開始求解。l 顯示求解結(jié)果。l 保存求解結(jié)果。l 如果必要，修改網(wǎng)格或計算模型，然后重復(fù)上述過程重新進行計算。3 實驗原理3.1顆粒的運動方程在Fluent中分析單個顆粒的沉降主要是應(yīng)用離散顆粒仿真模型，通過拉氏坐標(biāo)下的顆粒作用力微分方程求解離散相顆粒的運動，顆粒的作用力平衡方程 (笛卡爾坐標(biāo)系下Y軸的形式)為:式中 固體顆粒在流體中受到的拖曳力，N;流體及固

26、體顆粒的速度，m/s ;流體動力粘度，Pa·s;流體密度，kg/m3;固體顆粒密度，kg/m3;固體顆粒粒徑，m。其中,Re表示相對雷諾數(shù)(顆粒雷諾數(shù))，其定義式為: 設(shè)Cd為流體的拖曳力系數(shù),表達式為:其中,a1、a2、a3對于球形顆粒在一定的雷諾數(shù)下是常數(shù),可通過相應(yīng)試驗獲得或借鑒經(jīng)驗數(shù)。3.2實例分析顆粒自由沉降末速度分析建立的模型為單個顆粒從垂直放置的盛滿水的圓管中上方輕輕(初始速度為0)放置，如圖1所示。在分析顆粒的沉降過程中，顆粒垂直方向速度變化情況如圖2所示。分析計算中,流體密度為1000kg/m3,粘度為1.003mPa·s;顆粒密度為2000kg/m3,粒

27、徑為0.1mm。顆粒沉降末速度分析建立的模型為一垂直圓管,管道中流體以0.15m/s的速度向上運動,認為靜止的顆粒在管道入口處隨流體一起進入管道中,現(xiàn)分析顆粒速度變化情況。在其他參數(shù)不變的情況下,得到顆粒沉降末速度的變化曲線如圖3所示。3.3固液兩相流分析3.3.1固液兩相流連續(xù)性方程的建立對于固液兩相流的數(shù)值模擬,用的比較多的主要有三種模型:單流體模型、兩流體模型和歐拉-拉氏模型。本文研究的是水和煤粉顆粒的固液兩相流,考慮到固體顆粒在運動過程中受到流體的拖曳力,因此選擇Fluent中的Eulerian模式進行分析。在多相流中涉及到多相體積分數(shù)a1,a2,an,在這里有。其中體積分數(shù)代表每相所

28、占的空間,并且每相獨自地滿足連續(xù)性方程和動量守恒定律。對于固液兩相流的混合液而言,由于相間的相互作用,每相都應(yīng)滿足連續(xù)方程式中從第p相到第q相的質(zhì)量傳遞,其中=-和=0;q相速度矢量;q相物理密度。液相的動量方程為: 固相的動量方程為:其中，p是所有相共有的壓力;、分別為液相和固相的壓應(yīng)力張量;為固相流場的速度梯度而引起的對液相的升力,在進行濃度較低的固體顆粒流分析時,主相為液相,因此可以忽略該項;為液相流場的速度梯度而引起的對固體顆粒的升力,特別是對于大粒徑的顆粒,升力影響的作用較明顯;為液相相對于固相加速時而產(chǎn)生的一貫性質(zhì)量力,即虛擬力,在以液相為主相的模型中,該項也可忽略;為固體顆粒的速

29、度變化即加速度變化而產(chǎn)生的一虛擬作用力;Ksl=Kls為固液相間的動量交換系數(shù),主要影響曳力函數(shù)。4 模擬方案介紹4.1了解研究區(qū)域并生成幾何結(jié)構(gòu)本文為沙水混合物在直管道內(nèi)的流動，首先要模擬出一個管道。打開Fluent軟件的前處理塊Gambit,單擊Operation/Geometry/Face/Create Real Rectangular按鈕,在彈出的Create Real Rectangular Face對話框中,分別輸入兩個坐標(biāo)值，再把Direction中改成+X,+Y,構(gòu)建管道，如圖4.1。圖4.1 模擬區(qū)域幾何模型4.2劃分網(wǎng)格單擊Operation/Mesh/Face/Mesh

30、Face按鈕, 彈出Mesh Faces對話框。在列表框內(nèi)選取前面生成面，在Interval Size(指定網(wǎng)格間隔)一欄輸入10，單擊Apply按鈕后，生成面網(wǎng)格，如圖4.2。圖4.2 面網(wǎng)格圖4.3指定邊界類型具體過程：(1)指定求解器名稱。在Solver菜單中指定求解器為FLUENT5/6。(2)指定邊界類型。單擊Operation/Zones/Specify Boundary Types按扭，彈出Specify Boundary Types對話框。在對話框中，分別指定：選定矩形左邊的線條，在Type中選類型為VELOCITY_INLET(速度進口)，取名為inlet；選定矩形右邊的線條

31、，在Type中選類型為OUTFLOW，取名為out；選定矩形的上下2條線，在Type中選類型為WALL（固壁），取名為wall。操作完成后，網(wǎng)格模型表面上仍維持原樣，但實際上已包含有邊界類型的信息和體的類型的信息。調(diào)用File/Export/Mesh命令，給定文件名(如X.msh)，可將上述網(wǎng)格模型存盤了，接下來將在FLUENT中對此模型進行求解和分析。4.4采用FLUENT進行求解(1)準(zhǔn)備計算網(wǎng)格以二維單精度(2d)方式啟動FLUENT。讀入前面生成的網(wǎng)格文件X.msh。由于在GAMBIT中使用的是mm，而FLUENT內(nèi)部存儲網(wǎng)格的長度單位是m，所以需要單擊Grid/Scale把單位改成m

32、m。然后，對GAMBIT生成的網(wǎng)格進行檢查。(2)設(shè)置模型采用FLUENT默認的求解器(即分離式求解器)、穩(wěn)態(tài)流動、絕對速度公式。FLUENT提供了分離式和耦合式兩類求解器。分離式求解器主要用于不可壓流動和微可壓流動，而耦合式求解器用于高速可壓流動。因為本課題涉及到的流動并沒有達到高速流動，高強體積力，因此選用分離式求解器就可以了。使用FLUENT默認的運行參考壓力(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)，不考慮重力，不考慮熱交換。流體按層流對待，選擇標(biāo)準(zhǔn)歐拉模型，模型的所有系數(shù)用默認值。(3)定義材料保留默認設(shè)置。(4)設(shè)置邊界條件在前面已經(jīng)很詳細的將各個面的邊界類型指定了。首先，利用系統(tǒng)支持的C語言編寫程序。（此處

33、需補充）編好程序后，點擊系統(tǒng)菜單define/user-defined function/function/interpreted的選項，在跳出的對話框中寫入程序地址，點擊Interpret進行程序的導(dǎo)入。在確認程序?qū)霟o誤后，接下來進行求解設(shè)置。(5)初始化流場前面設(shè)置都為接下來的計算做的準(zhǔn)備，但在計算前還有一個比較關(guān)鍵的步驟：對流場進行初始化。同時，將初始值保存起來。完成這些設(shè)置后，將當(dāng)前定義的全部信息保存到文件(*.cas)中。（6）迭代計算將迭代計算的迭代次數(shù)設(shè)為2000。迭代計算完成后，可以按照后面的方法查看計算結(jié)果，還可以選擇File/Write/Case$Date命令，將當(dāng)前定義

34、的全部信息及計算結(jié)果保存到文件(*.cas)和data文件(*.dat)中。這樣，前面的計算工作就已完成。接下來，通過FLUENT軟件的顯示結(jié)果功能來觀察所計算的結(jié)果，并進行分析比較。5 計算結(jié)果與分析5.1模型建立及顆粒沉降分析5.1.1忽略接箍的影響由于分析的是環(huán)空油管中的顆粒沉降，并認為流體在油管中的流動是層流狀態(tài)，取環(huán)空油管垂直截面的1/2進行分析，建立的模型如圖4所示。圖 4無接箍顆粒沉降模型參數(shù):泵徑38mm;油管內(nèi)徑62mm;抽油桿外徑為19.1mm;流體密度為1000kg/m.;顆粒密度為2000 kg/m3;顆粒粒徑為0.1mm;顆粒體積分數(shù)為5%; 顆粒和流體的初速度為0.

35、135 m / s。圖5、圖6為環(huán)空油管截面Y軸方向顆粒速度云圖及分布圖。圖7為環(huán)空油管截面流體的速度分布圖。圖8為環(huán)空油管截面顆粒的體積分數(shù)分布圖。圖5顆粒沉降速度云圖（圖暫定）圖6環(huán)空油管截面顆粒速度分布（圖暫定）圖7環(huán)空油管截面流體速度分布（圖暫定）圖8環(huán)空油管截面顆粒體積分數(shù)分布由以上分布圖可知，顆粒和流體環(huán)空截面方向的速度分布相似，環(huán)空截面的環(huán)空中部速度較大兩側(cè)較小，只是顆粒的沉降速度較流體的運移速度小;同時顆粒主要集中在環(huán)空截面中部。其中環(huán)空截面監(jiān)視處顆粒的平均體積分數(shù)為4.4%; 顆粒的Y軸平均速度為0.0616m/s，流體的平均速度為0.0644m/s。5.2.2考慮接箍的影響考慮接箍影響時建立的模型如圖9所示。圖 9 考慮接箍顆粒沉降模型圖10和圖11分別為環(huán)空油管截面顆粒速度云圖及速度分布。圖12為環(huán)空油管截面流體速度分布。圖13為環(huán)空油管截面顆粒的體積分數(shù)分布圖。圖10環(huán)空油管截面顆粒沉降速度云圖（圖暫定）圖11環(huán)空油管截面顆粒沉降速度分布由圖10和圖11可知，顆粒和流體環(huán)空截面方向的速度分布相似，只是顆粒的沉降速度較流體的運移速度小，但受接箍的