管道进口段流动特性分析

I中国计量学院现代科技学院本科毕业设计（论文）管道进口段流动特性分析Pipe flow characteristics of entrance学生姓名 陆海琦 学号 0630222405 学生专业 测控技术与仪器 班级 测控 064班 系 计测工程系 指导教师 尹招琴 中国计量学院现代科技学院II2010年 6月郑 重 声 明本人呈交的毕业设计论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。学生签名： 陆海琦 日期： III分类号： TP2 密 级： 公开 UDC： 621 学校代码： 10356 中国计量学院现代科技学院本科毕业设计（论文）管道进口段流动特性分析Pipe flow characteristics of entrance作 者 陆海琦 学号 0630222405 申请学位 工学学士 指导教师 尹招琴 学科专业测控技术与仪器 培养单位 中国计量学院现代科技学院答辩委员会主席 评阅人 2010 年 6 月IV致谢本研究及学位论文是在我的导师尹招琴老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。她严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，尹老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持，在此谨向尹老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!再次感谢各位老师和同学，愿你们心想事成！V管道进口段流动特性分析摘要：本次的课题研究主要是了解管道流动的概念及应用，来分析流场湍动特性。首先通过实验测得风机不同频率下的管道进口段速度。熟悉气体管道流动的一般计算，采用商业软件对气体输送系统进行模拟。本课题利用 Gambit 建立几何模型，将模型导入 Fluent 进行模拟计算，Tecplot 软件进行后处理，计算结果用可视化图形表示出来，进而加以分析和总结。结果表明, 在管道中距离风机出口越远，速度分布更加趋向于抛物线形状，接近层流充分发展的流速分布，中心处速度增加，两边速度趋于对称分布。随着风机频率的增加，管道截面平均速度增加，在管道进口 4m内，轴向和径向的截面速度变化变大。距出口 4m后，速度分布逐渐于抛物线形状，接近层流充分发展的流速分布，中心处速度增加，两边速度趋于对称分布，由于壁面边界层的影响，壁面附近速度降低，边界层随轴向长度厚度不断增加。同时，轴向速度变化率减低，速度在不同截面分布形状更加相近。关键词：管道流动；数值模拟；Fluent 软件VIPipe flow characteristics of entranceAbstract：The subject of study is to understand the concept and application of pipeline flow， to analyze the turbulent flow field characteristics。First, the experiment measured at different frequencies in the Pipeline fan entrance speed. Familiar with the general flow of gas pipeline calculation, using commercial software to simulate the gas transport system. The subject of geometry using Gambit set up the models into the simulation of Fluent, Tecplot software post-processing, visualization of the results that come out with, and then analyzed and summarized. The results show that the export pipeline farther from the fan, the velocity distribution tends to be more parabolic shape, close to the fully developed laminar flow velocity distribution, the center increased the speed, the speed tends to symmetrical distribution on both sides. With the fan increase of frequency, channel cross-section average increase in pipeline imports 4m, the axial and radial velocity changes in cross-section larger. 4m away from the exit, the velocity distribution gradually in the parabolic shape, close to the fully developed laminar flow velocity distribution, the center increased the speed, the speed tends to symmetrical distribution on both sides, due to the impact of the wall boundary layer, near the wall velocity decreases, the boundary layer with axial length of the thickness increase. At the same time, reduce the rate of change of axial velocity, velocity distribution at different cross section shape more similar.Keywords：Pipe flow；numerical simulation; Fluent softwareVII目 录摘要 .Abstract.目 录 .1 前言 .1.1 引言 .1.2 国内外的研究现状 .1.3 课题基本内容和拟解决的主要问题 .1.4 湍流模型 .1.5 研究方法 .1.6 研究意义 .2 理论方法 .2.1 控制方程 .2.1.1 质量守恒方程 .2.1.2 动量守恒方程 .2.1.3 湍流的控制方程 .2.2 k- 模型 .2.3 采用方法 .2.3.1 GAMBIT 软件介绍 .2.3.2 GAMBIT 操作步骤 .2.3.3 FLUENT 软件介绍 .2.3.4 FLUENT 操作步骤 .3 模拟方案介绍 .3.1 了解研究区域并生成几何结构 .3.2 划分网格 .3.3 指定边界类型 .3.4 采用 FLUENT 进行求解 .VIII4 计算结果与分析 .4.1 风机工作频率为 30HZ 时流场分析 .4.2 风机工作频率为 40HZ 时流场分析 .4.3 风机工作频率为 50HZ 时流场分析 .4.4 风机工作频率为 50HZ，待机时流场分析 .4.5 充分发展管道流速分析 .5 结 论 .参考文献 .11 前言1.1 引言管道流动的分析和研究对人类日常生活，工业生产，农业作物都起着极其重要的作用。在许多领域，更多地掌握管道流动的技术，都是很重要的。近年来，随着科学技术的日益发达，管道流动技术发展速度迅速，并且很够在工业，农业领域上更好的发挥它的作用。流体管道是流体传输、传动和控制工程中用以输送流体介质、传递流体动力和信息的不可或缺的元件 1。在实际管道系统中，由于组成系统的某一元件工作状态的变更(如阀的开度变化、泵的脉动等)或受外界干扰(如负载的变化)，将不可避免地在管道内产生流量和压力的冲击或脉动，形成非恒定流动，引起管内流动的动态过程。流体管道的动态特性对系统的稳定流动的动态过程 2。流体管道的动态特性对系统的稳定性和可靠性，以及系统中其它元件的正常工作有着很大影响 3。 流体管道动态特性数值模拟具有研究周期短、经费投入少，不受模型尺寸、外界扰动、测量精度限制等优点，其作用相当于在计算机上进行复杂流体试验 4。数值模拟包含以下几个步骤:建立反映问题(工程问题、物理问题等)本质的数学模型。具体说就是要建立反映问题各量之间的微分方程及相应的定解条件。牛顿流体流动的数学模型就是纳维一斯托克斯方程及其相应的定解条件;寻求高效率、高准确度的计算方法。计算方法不仅包括数学模型的离散化及求解方法，还包括计算网格的建立、边界条件的处理;编制程序和进行计算;通过图像形象地显示计算结果。数值模拟所得出的结果可对实际流体管道系统的设计、优化等进行指导，具有重要的工程实际意义。1.2 国内外研究现状生产实际中所使用的管道内壁都有一定的粗糙度,管壁粗糙程度因制造工艺所采用的处理方法以及材料的不同而不同,粗糙度和流动形态之间的相互作用情况相当复杂,有时粗糙度还会改变流动形态。当流体速度小于临界速度时，流体变现为层流。当流体速度大于临界速度时，流体变现为紊流 5。人们研究发现2粘性流体经过固体壁面时，在固体壁面与流体主流之间必定有一个流速变化的区域，在高速流中这个区域是个薄层，称为边界层。流体从管道流入后，由于受到管壁的影响，靠近壁面的流动受到阻滞，流速降低，形成边界层 6。通过管道的流量是一定的，而边界层的厚度逐渐增大，以致未受管壁影响的中心部分的流速必将加快。这种不断改变速度分布的流动一直发展到边界层在管辖处相交，成为充分发展的流动为止 7。边界层相交以前的管段称为管道进口段（或称起始段）.进口段的流动时速度分布不断变化的非均匀流动，进口段以后的流动则是各个截面速度分布相同的均匀流动。随着管道流动研究的日益增进，人们对于边界层的研究也是越来越深入。自从 1904 年普朗特提出边界层理论以来，就使得流体力学显得日益重要，其应用也越来越广泛 8。传统的边界层理论只研究速度边界层，主要研究绕物体流动时流体的速度分布和绕流阻力。20 世纪 70 年代以后，温度边界层理论的到发展和成熟，并在热传、传质、石油、化工等众多领域得到广泛的应用 9。热边界层理论的得出为它的工程应用提供了有力的理论依据。利用热边界层减阻是电伴热管道输送高粘性液体的主要应用研究成果 10。这种方法有如下特点:l) 伴热均匀，能充分利用热边界层，达到最大减阻效果;2)能利用自动控温，在不同季节以最佳伴热温度输送不同种类的高粘液体;3)可随意升温和停温，甚至作业完成后管道不需要放空，因此可称之为随温输送;4)热效率高，能耗低，安全经济，可实现自动化。对于恒定管流,热边界层同速度边界层有着显著的差异。通过实验发现,速度边界层发展起始段很短,而热边界层发展段(入口段)的长度要大得多。因此,在考虑热