基于CFD技术的扩散管结构参数的分析.pdf

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1、4一■论文广场2石0油12和年化第工15设卷备一基于CFD技术的扩散管结构参数的分析陈凤官。，王渭，明友，王勤，郝伟沙，钱俊峰(1．合肥通用机械研究院，安徽合肥230031)(2．中国石油长庆油田公司，陕西榆林719000)[摘要]扩散管是流体机械中较为常见的一种结构，扩散角是其结构的重要参数。本文在前人研究的基础上，分析扩散管的水力损失系数与扩散角的变化关系，依据文献中给出的实验值，给出一种修正的水力损失系数计算公式。借助cFD软件，采用SIMPLE算法和Standardk-￡湍流模型，进行了不同扩散角下扩散管内

2、部流场的数值计算。结果表明：本文所给出的水力损失系数计算公式得到了与数值计算的一致性的验证，扩散管的最优扩散角为3。一6。，所给修正公式可为设计提供更准确的依据，在设计实践中还应考虑外形尺寸限制及制造成本等因素。[关键词]扩散管；水力损失；结构参数；CFD扩散管作为流体机械中最为常见的一种结构1．2基本假设元素，经常用于将流体介质的动能转换为压能，为便于公式推导及数值计算，本文对扩散管而其产生的水力损失不容忽视。如：在射流泵的内部流动作如下假设：出口为一扩散管，用于将混合介质的动能转换为流体为连续、不可压缩的理想流

3、体，定常流压力势能，而扩散管产生的水力损失是射流泵水动；扩散管入口流速均匀；流体与固壁之间无热力损失主要原因之一【】【2】。本文利用理论分析与交换；忽略重力的影响；其它遵从流体力学一般数值实验，并结合试验经验值，期望通过对扩散假设。管的流动扩散变化规律分析，分析最优扩散管结构，为各类用到扩散管结构的流体机械的整体优l-3水力损失系数推导化提供设计依据。由图l(b)I-I和II—II断面列能量方程得：1扩散管水力损失的理论分析P+=_fc_++(1)pg2gpg。2g1．1扩散管结构模型式中：h。为水力损失，则有：扩

4、散管的结构如图1所示，有突然扩大型、锥形逐渐扩散型、多段扩散型、喇叭扩散型等，而：‘。vc(2)设计实践中较多使用的为锥形扩散管柱，其主要而扩散管的水力损失可分为扩散损失和沿程结构尺寸为进口内径dT、扩散角D、出水管内径损失两部分，则有：dc。本文将着重讨论分析锥形扩散管结构参数。D=‘+‘三(3)0式中：<一沿程损失系数；<一扩散损失系吨l数壁篁_l__。出水管、：、：、：≮：【管对沿程损失系数，有(a)突扩扩散管(b)锥形扩散管4-i](4)≥2一1sI式中：入一扩散管摩阻系数，与扩散管内流：出水措、、、：：、

5、动雷诺数有关。B。一扩散角；n一出水管与进水、：_管内径比，n=dddr。(c)分段扩散管(d)流线型扩散管作者简介：陈凤官(1986一)，男，江苏东台人，硕士，助理图1扩散管结构尺寸示意图工程师。主要从事阀门新产品的研发T作。第8期陈凤官等基于CFD技术的扩散管结构参数的分析．15．对扩散损失系数三有湍流脉动动能方程标准k—e模型的湍动能k和耗散能￡方程为如2tan譬)。)(5)下形式<：=正一1(6式(5)和式(6)分别为文献、文献中给出的经验公式。式(6)中k取值见表1。表1k值与扩散角。关系式中：G表示由于

6、平均速度梯度引起的湍动能产生；YM表示可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响。湍流粘性系数=尼。)，￡图2所示为在一定直径比条件下，扩散角与水表2k一8模型中的系数力损失系数的变化关系，从图中可以看出，锥形扩散管的最优扩散角在3。～6。，公式(5)的计算值与文献口中所给的试验经验值更为接近，所以判断文献问中所给公式有可能是出于勘误。2．2几何建模与网格划分一斑一fIl】扩散管的计算区域为流体的流场，如图3所旦=¨cU+一¨．旦¨+U¨．示。为保证流场流动充分发展，在扩散管两端均加有较长的直管段。考虑流场的轴对称性，为

7、便于计算，取流场的一半按轴对称计算。由于模型的边界较规则，故采用结构化网格对扩散管的流]堡●●●●J1●堡，，●j++动区域进行网格划分。一￡一rJI一一p一静散角()一／一一一—_]图2水力损失系数与扩(散角的(关系曲线l，IOlz一O根据图2的计算结果，、对公式)(5)进行分析，并图3扩散管的计算求解区域对其修正，则有：利用CAD软件建立几何模型，模型结构尺寸如_3_2tan譬6Jlan譬z一1(7)表3所示，通过ACIS或IGES文件格式导入ICEMCFD2CFD数值计算或GAMBIT中进行网格划分处理。2．

8、1控制方程表3扩散管模型尺寸明细本文采用较为成熟的标准k—e模型进行数值模序号BDo)dT(mm)dc(1nll1)拟，有控制方程：121030连续性方程24103036lO30詈+昙)=。(8)4810305l21030动量守恒方程(N—S方程)62010302-3边界条件设定入口为速度入口条件，出口为自由出16一■论文广场石20油12和年化第工15设卷备