数值模拟步骤文档格式.docx
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其主要用途是对流态进行数值仿真模拟计算,因此,CFD技术的用途十分广泛,可用于传质、传热、动量传递及燃烧等方面的研究。
流体机械的研究中多用CFD方法对分离器进行仿真模拟,其基本应用步骤如下:
1)利用Gimbit进行前处理
a.根据分离的形状、结构及尺寸建立几何模型;
b.对所建立的几何模型进行网格划分;
2)利用Fluent进行求解
a.确定计算模型及材料属性;
b.对研究模型设置边界条件;
c.对前期设置进行初始化,选择监视器,进行迭代计算;
3)利用Fluent进行后续处理,实现计算结果可视化及动画处理。
上述迭代求解后的结果是离散后的各网格节点上的数值,这样的结果不直观。
因此需要将求解结果的速度场、温度场或浓度场等用计算机表示出来,这也是CFD技术应用的必要组成部分。
利用CFD方法进行仿真模拟可以对分离器的结构设计及参数选择作出指导,保证设计的准确度,也可以为分离器样机的试验提供理论参考。
由于CFD仿真模拟的广泛使用及其重要性,国内外很多学者,如MarkDTurrell、M.Narasimha、师奇威等都对其进行了研究,尤其是A.F.Nowakowski及DanielJ.SUASNABAR等人]对CFD技术在旋流器模拟方面的应用做了详细的介绍,这些工作对CFD技术的发展起到了积极的促进作用。
2、控制方程
流体流动要受物理定律的支配,基本的守恒定律包括:
质量守恒定律,动量守恒定律、能量守恒定律。
如果流动处于湍流状态,系统还应要遵守附加的湍流输运方程。
1、基本假设
(1)鉴于我国各主力油田采出液含水已达到80%以上,故以水代替采出液进行分析计算;
天然气的主要成分是是甲烷,故采用甲烷的替代天然气的性质;
(2)在工作状态下,流动不随时间变化,流动为稳态;
(3)水在管内的流动可以简化成二维流动;
(4)不考虑温度的影响,服从绝热流动基本方程。
2、基本控制方程
(1)连续性方程
在直角坐标系下的质量守恒方程又称连续性方程:
(1-1)
(2)动量方程:
(1-2)
式(1-1,1-2)中u为流体速度,下标i表示方向,上标“'”表示脉动值,上标“-”代表对时间的平均,μ为动力粘度,p为流体微元体上的压力。
由于RNGk-ε模型在工程流场计算中具有诸多优势,故对结构内部的数值模拟采用RNGk-ε模型进行。
RNGk-ε模型是改进的标准k-ε模型,其原理是用紊动能k和紊动能耗散率ε来表示流体湍流粘性系数,而流体的有效粘性系数即是流体分子粘性系数和湍流粘性系数之和。
k方程和ε方程分别为:
(1-3)
(1-4)
其中:
(1-5)
RNGk-ε模型通过修正湍流粘度,考虑了平均流动中的旋转和旋流流动情况,在ε方程中增加了一项,从而反映了主流的时均应变率Eij,这样,RNGk-ε模型中产生项不仅与流动有关,而且在同一问题中也还是空间坐标的函数。
故RNGk-ε模型可以更好的处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动。
3、网格划分
借助gambit软件对直管段划分结构网格,对非直管段划分非结构网格。
四种结构的网格划分如图所示:
结构一结构二
结构三结构四
5、模型的选择及边界条件的确定
应用多相流中的欧拉模型;
控制方程采用RNGk-ε模型;
入口边界条件设置为速度入口,出口边界条件设置为自由出流;
由于入口两相中含夜体积分数极小,湍动粘度影响远大于重力,固忽略重力的影响;
湍流强度设置为10%,水力直径为圆管内流道截面直径。
6模拟结果分析
6.1结构一的模拟
1)入口流速3m/s,液相体积分数分别为:
0.001%、0.003%、0.005%
三种情况气相浓度场分布如图所示:
三种情况速度场分布如图所示:
2)固定液相浓度为0.003%,变入口速度分别为:
1m/s、3m/s、5m/s。
气相浓度场分布如图所示:
三种情况速度场分布如图所示
6.2结构二
入口流速3m/s,液相体积分数分别为:
0.001%、0.003%、0.005%。
6.3结构三
:
6.4结构四
(注:
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