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1、成绩混合及欧拉多项数值模拟姓名涂春洋学号03091232 班级热能09-1班混合及欧拉多项数值模拟涂春洋热能与动力工程【摘要】以计算流体动力学(CFD)的多相流数值计算理论及方法为基础，对处于复 杂工况的T型管连接装置腔内流场进行了数值模拟分析”采用标准湍流模型和标 准壁面函数对T型管接头内部流场进行了数值模拟;同时以混合模型求得的解作 为用欧拉多相流模型的初始条件，釆用欧拉多相湍流模型进行了对T型管接头内 部流场数值计算。最后对两种模型计算得到的T型管接头内部流场的压力场、速 度场及气相的体积分数(VOF)分布进行了对比分析。计算结果将指导的结构优化 设计及失效分析。【关键词】T型管接头；流
2、场；混合多相流；欧拉多相流；数值模拟Abstract Based on multiphase flow numerical theory of computing and method for computational fluid dynamics(CFD)za numerical simulation analysis for T-tube device cavity flow field under complex condition is carried outThen the standard model and the standard wall functions of mixt
3、ure-multiphase flow model of CFD are applied for numerical simulation of the internal flow field of T-tube.At the same time the numerical simulation for internal flow field of T tube joint was carried out by Euler-multiphase flow model with the simulating solution obtained by the mixture-multiphasef
4、low model as the initial conditions of Euler-multiphase flow model. Finally the pressure field, the velocity field and VOF of the internal flow field of T-tube obtained from calculation for two models were comparatively analyzed, which results may be instructive for structural optimization design an
5、d failure analysis.Key words T-tube； Flow field： Mix-multiphase flow； Euler-multiphase flow： Numerical simulation：1前言T形管接头内部流场常为于高温、高速、高压等多相耦合的复杂工况，使得 管子在使用过程中由于疲劳、腐蚀等原因出现断裂、泄漏等，因此釆用计算流体 动力学(CFD)方法对T形管接头内部流场进行分析，详细了解T形管接头内部 流场的速度、压力及气体的体积分数分布情况，为T形管接头进一步的热流固耦 合分析及改进设计提供理论依据。研究以混合多相流(Mix-multiphase f
6、low)模 型和欧拉多相流(Euler-multiphase flow)模型作为油和气两相流动的数值模拟模 型，按照油和气在T形管接头中的流动，建立了T形管接头内部流场气液混相特 性的数值模型，分析和研究了两种模型气液两相在管中的压力场、速度场和(VOF) 分布情况，并对两种模型的计算结果进行了对比分析。10mm120mm100mm45mmGeldMom 07.2012FLUEMT63CM.pbnj.lam)2数学模型2.1混合模型混合模型通过求解混合相的连续性方程、第二相的体积分数方程，以及相对 速度的代数表示实现n相的模拟。(1) 混合模型的连续方程为：d-(Pm)+V(pmv?n) =
7、rn(l)式中：张一流体质点的速度；兔=亞gpg,pm 一混合密度；pm=i=1akpkPm珏一第k相的体积分数；尬一描述由气穴的质量传递。(2) 漂移速度和相对速度:漂移速度和相对速度(卩)之间的关系:相对速度的形式为:p =Tqpa式中：&一第二相粒子的加速度；Tqp-粒子的弛豫时间。的形式:Tqp =（.Pm -Pp）d?18“ qf drab式中：dp第二相颗粒的直径，曳力函数办“b为：(1+ 0.15思687, Re 1000加速度&的形式为：d = g-(vin V)vm -学(3) 第二相的体积分数方程第二相的体积分数方程为：詁QqPq) + V (aqPqEg) = -V -
8、apppVdrip(3)2.2欧拉模型2.2.1守恒方程守恒方程分为质量守恒方程和动量守恒方程。q相的连续方程：n乐(dqpq) + V -(勺爲帀)= P=1式中：vqq相的速度；rnpq从第p相到q相的质量传递。q相的动量平衡产生：乐（勺P（A） + 7 （勺Pg瞬A）= -凉卩+ V 鬲+n工（R pq + 加pg Vpq） + CCgPg+ 礼往,q + 耳77“）（5）P=1式中：乔一第q相的压力应变尙=aqq（yvq + V谱）+ aq （入$ - |“g）v vqI;“g、入qq相的剪切和体积粘度；Pq外部体积力；Plift ,q升力；?Vm ,q虚拟 质量力；kpq相之间的相互
9、作用力；P-所有相共享的压力；相间的速度。 2.2.2体积分数体积分数代表了每相所占据的空间，并且每相独自地满足质量和动量守恒定 律，体积分数表示为勺。q相的体积定义为Vq=fv dU其中=iaq=lo3结果与分析应用后处理软件Tecplot可得到T型管内部流场在两种数值计算方法下的压 力场、速度场以及VOF图。T型管内部流场压力分布，如图2所示欧拉模型T型管的上部入口处压力较 大，下半部分压力较小。在混合模型中两管的接头处压力较大，混合模型的结果 与实际情况吻合。造成两种模型差别的原因将在今后的实验中逐步研究。T形管竖直管内部流场两种模型压力曲线，如图3所示从图中可知，在两种 模型下从内部流
10、场的下端到上端压力都呈现增加趋势，且在z21cm时，混合模型小于欧拉模型。就整体而言，混 合模型的压力曲线较欧拉模型的压力曲线平滑。121e*022S7e*O253e*02620e*Q2-7S6e*021.12e*03128e*031.i5e*03lj63e*031.78e*031S5e*032.803228e*03-2.i6e*0321e*032.78e*032S5e*033.11e*03328e*03Ccnhxrs ofGtalc Pressure Jnlxkre) 0asc2i)Mom 07.2012FLUEiT63CM.pbnx.mlxlire.ste)Ceded ResIdiaiJ8
11、07.20(2FLU EiT 63 CM. pbnx .mlxkre. ste)1.17e*O22BG2S0e*026.17e*02-7S3e*029S0e*021.12e*03128e*031.i5e*03lj63e*031.78e*031S5e*032.803228e*03-2.*6e*032(2e*032.78e*032S5e*033.11e*03328e*03Ccnkxrs ofGtalc Pressure ynlxlire) leased)Mom 07.2012FLUEiT63CM.pbnx.eUerian.ste)le-rtB - le-KK - le-KJl -流体的速度云图不能
12、清楚的显示T形管内部流场的速度分如情况，为明确T 形管内部流场的速度场，将模型用炉0的平面剖切，所得结果，如图4所示13e*001S6e*001.46e*00137e*00120e*001.13e*00 1D3e*00 9.i5e-01 8S9e-01 7.73e-O1 657e-01 6fi2e-01 5.16e-O1 30e-01 3.*4e-O1 2S9e-01 1.73e-O1 8S9e-02 ODOe*0OCcnkxrs ofVelocH/ItogriMle Onlxlire)Mom 07.2012FLUEiT63CM.pbnx.mlxlire.ste)-82)e-01 58e-01
13、 3e-01 JOe-OI 3e-01 3j62e-01 330e-O1 3.I4C-O1 2S9e-01 2j&5e-01 2.*1e-01 2.17e-O1 1S3e-01 1J6SW-01 1.i5e-01 121C-01 9j&5e-02 724e-O2 S3e-02 2.*1eE 5XBe-16Ccnkxrs ofVdime faclcnir)Mom 07.2012FLUEiT63CM.pbnx.eUerian.ste)由图4可知，在T型管的竖直管内速度分布均较稳定、均匀。在水平管中自上而 下流速形成速度梯度。在水平管上端处，欧拉模型显示的结果较混合模型显示的 结果更为精确细致。Ce
14、ded ResIdiaiJMom 07.2012FLU EiT 63 CM pbns. eUeilan. ste)T形管水平管内部流场两种模型速度曲线，如图5所示从中可知，y10cm时两种模型的速度都呈现下降趋势; y=10cm时混合模型的速度达到最大值4m/s,欧拉模型的速度达到最大值36m/s。空气的体积分数图，如图6所示两种模型T型接头的水平管的折角均有小空 气泡分离出來，同时漂浮在油中一定区域的小气泡层会朝者压力出口流动。混合 模型与欧拉模型求解获得的效果略有不同。显然，欧拉模型比混合模型显示的更 精确，因为欧拉模型解决了为各个单独的相方程的分开设定，较模拟两相之间的 滑流速度更完善。1.72e*00U63e*00154e*001.46e*00137e*00120e*001.1*001D3e*009.*4e-O1858e-017.72e-O1657e-016D1C-01S5e-01 06 .01 257e-01 1.72e-O1 8S0C-O2ODOe*0OCcnfexrt ofVelocH/MagrtMle Omsler)Mom 07.2012FLUEiT63CM.pbnx.eUerian.ste)56e-01 31e-01 J7e-01 3S3e-01 3S9e-01 335e-01 3.1U-01 2Qe-01 24e-O1 2.4Oe-O1 2.16e-O
