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低雷诺数圆管突扩流场的数值模拟及阻力特性分析

张蓓  
【摘要】: 管道的压力损失计算是管道系统设计运行中一项非常重要的任务。管道中的压力损失可分为两类:沿程损失和局部损失。通常在湍流情况下,圆管内突扩流动的局部损失系数可近似认为是截面突扩比的函数,并且可以通过实验测量出局部损失系数的大小。然而,对于高粘性流体介质或在微小通道中的流动,雷诺数较小,流动可能处于层流状态。此时,局部损失系数不仅和突扩比有关而且在很大程度上还受雷诺数影响。因而,将现有的湍流状态下的局部损失系数应用于层流时就缺乏一定的准确性。 在已有文献中,关于圆管层流状态突扩流场的局部损失系数仅限于管道中流体速度的一维分布。而实际上当流动处于充分发展阶段时,粘性力作用所造成的速度分布影响是不能忽略的。本文针对雷诺数在200以内的层流,突扩比为1.5,2,3,4,5时的流场进行了数值模拟,并分析了各种情况下的阻力系数。 文中通过有限体积法求解牛顿流体在轴对称突扩管内层流的N-S方程,应用Fortran90编写的基于交错网格的SIMPLER算法对方程进行了求解。数值模拟的结果以回流区长度为定量的考核参量并与已有的实验数据进行了比较,得到了很好的吻合结果。从而验证了数值计算方法及计算结果的可信性,为进一步用此计算结果分析阻力特性奠定了的基础。 计算结果表明:当雷诺数较小,粘性力对流动起主要作用时,局部损失系数和雷诺数成明显的反比关系,随突扩比的影响较小。当雷诺数逐渐增大时,局部损失系数随突扩比的变化愈发明显。当雷诺数进一步增大时,局部损失系数随雷诺数的变化很小,并逐渐趋于常数。 FLUENT软件的模拟结果显示,当雷诺数维持在一定范围内,即Re200,经过足够长时间,当流动达到稳定状态后,突扩截面后存在唯一的回流区,并且回流区中只有一个旋涡,流场具有轴对称特性。而当雷诺数进一步增大时,突扩截面后仍存在一个逐渐扩大的回流区,回流区中存在多个旋涡,此时流场已经失稳,不再是轴对称流动。


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