弯管内流场的数值模拟分析.docx
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1、弯管内流场的数值模拟分析以180圆形弯管为例,对弯管内流场的数值模拟方法进行了研究。分别采用k模型,NGk模型和雷诺应力模型对弯管内流场进行计算,并将计算结果与试验测量结果进行了比照。结果表明:弯管内流体旋转产生的离心力导致了压力分布的变化,使得弯管内流体产生较强的涡流。在近内壁区中间位置,3种模型的计算结果与实验测量基本一致;在上半部分的1/2处,雷诺应力模型与标准k模型的精度较高;在中心区,3种模型的计算结果与实验测量接近一致,但在弯管的进出口区域,雷诺应力模型的计算精度较高。近外壁区,3种模型的计算结果均反映了主流切向速度的变化趋势,但以雷诺应力模型计算精度最高。3种模型均反映了180圆
2、形弯管流场的主流切向速度的基本特征,但在一些速度变化较大,流场具有各向异性的局部区域,雷诺应力模型具有较高的预测精度,而标准k模型与NGk模型存在着一定的局限性。关键词:弯管;流场;数值模拟;湍流模型弯管是一种极为常见的流道构造,广泛应用于航天、石油、化工、水利等领域。由于弯管中流体的转向流动使弯管内的流场呈现出复杂的流动特性,产生了边界层分离与横截面上的二次流,因而,弯管内的流动一直遭到广泛关注。Taylor1对90弯管内的流场进行了具体测量,比照了层流与湍流流态在弯管内不同截面的时均速度与压力分布,指出弯管流场中的压力梯度较大,且存在着与主流方向垂直的二次流现象。一些研究者24对弯管流场的
3、实验结果与Taylor的结论基本一致,弯管的主流切向速度在0截面处开场畸变,内侧速度增大,外侧速度减小,随着旋转流动的发展,内侧速度开场减小,外侧速度增大,主流切向速度最大值向外偏移;弯管的内壁面压力低于外壁面压力,在内壁面的边界层分离区附近的剪切层的脉动速度与周围相差较大,表现出强烈的各项异性,而在管道中心线附近区域,各个方向的脉动强度基本属于一个量级,表现出各向同性。由于数值模拟方法能够整体描绘弯管流场中轴向速度和径向速度的变化,较为全面地揭示弯管内流动的复杂特性,如横截面上二次流、器壁外表的边界层分离以及流场压力畸变等等,因而一些研究者对弯管流场进行了一些数值模拟的尝试58。但是针对这种
4、弯管内强旋流的数值模拟,主要都是基于涡黏性假设的一些数学模型,如标准k模型、代数应力模型等,而基于这些计算模型的模拟结果都存在着种种缺陷,与试验结果存在着不同程度的偏差。为此,本研究以180圆形弯管为研究对象,分别采用标准k、ealizablek和雷诺应力(SM)这3种湍流模型计算弯管内相流场,考察了3种模型的预测精度,并与试验测量结果比照,为今后这种带强旋流的弯管流场的计算模拟模型的选取提供参考。1、试验与数值模拟方法1.1试验装置和测量方法180圆形弯管为有机玻璃制造,其构造尺寸和测量截面见图1。考虑到弯管构造上下对称,仅取弯管的上半部分为测量对象。流场测量是在吸风负压状态下进行的,流体介
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