CN113536705A - 一种基于计算流体动力学的流场分布的评价方法 - Google Patents

一种基于计算流体动力学的流场分布的评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于计算流体动力学的流场分布的评价方法，涉及流场分布评价技术领域，主要目的是提供一种有助于优化流动调整器的设计，简化流动调整器的设计流程，缩短设计周期的基于计算流体动力学的流场分布的评价方法，可作为流场分布的评价标准，也可以作为流动调整器设计与优化的参考依据。本发明的一种基于计算流体动力学的流场分布的评价方法，通过仿真模拟三维气体流动模型，可以大大降低实验研究成本，缩短研究时间，大幅提高流动调整器设计周期时效，通用性强，对计算模型没有特殊要求，可针对所有类型的扰流件及流动调整器进行仿真模拟，分析流场分布状态，进而评价流动调整器的整流效果。

Description

一种基于计算流体动力学的流场分布的评价方法
技术领域
本发明涉及流场分布评价技术领域，尤其涉及一种基于计算流体动力学的流场分布的评价方法。
背景技术
流量计的准确计量很大程度上取决于流场的充分发展。理想条件下，进入流量计的气体流态应是对称的、充分发展的速度分布状态。要准确计量，须避免将流量计安装在有明显旋涡或不对称流动分离等非充分发展湍流的地方，在天然气流量计量中占据优势的超声流量计，对流场分布的要求尤其严格，只有在充分发展的流场状态下，超声流量计才能获得稳定、正确的测量结果，由于管路设计或场地限制等原因，流量计现场使用过程中的直管段长度往往不能满足要求。在流量计上游安装流动调整器是解决这一问题的有效方法之一，流动调整器可以消除旋涡及横向流等管道内的扰流，缩短流量计准确计量所需的直管段长度。
但目前流动调整器的种类繁多，没有可以通用的流动调整器类型，通常不同厂家、不同类型的流量计都配有不同类型的流动调整器，对于不同的调制器，目前没有统一的评定流场分布的评价方法。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种基于计算流体动力学的流场分布的评价方法，主要目的是提供一种有助于优化流动调整器的设计，简化流动调整器的设计流程，缩短设计周期的基于计算流体动力学的流场分布的评价方法，可作为流场分布的评价标准，也可以作为流动调整器设计与优化的参考依据。
为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：
本发明实施例提供了一种基于计算流体动力学的流场分布的评价方法，该方法包括：
建立扰流件、流动调整器和下游直管段的三维气体流动模型；
对三维气体流动模型进行网格划分，通过仿真计算获得管道内流体流场分布；
提取三维气体流动模型下游距离流动调整器出口距离为L的各个管道横截面上的流速分布状态，获得各截面中特定直径上各个节点处的三个方向上的速度的大小；
将三维气体流动模型中的流速分布与直管段中流速分布进行比较计算，判定仿真截面上的流速分布是否处于稳定状态；
计算距离流动调整器出口距离最近的处于稳定流动状态的横截面的长度L，根据L值的大小判断流动调整器的整流效果。
进一步的，设置流体材料的属性、边界类型和边界条件；
设置求解器方法和条件；
对设置内容进行初始化，计算获得管道内流体流场分布。
进一步的，取相互之间的夹角为15°的倍数的直径为特征直径；
获得流动调整器下游各个横截面上特征直径上各节点流速vx'、vy'、vz'；
获得充分发展状态下的直管段上特征直径上的节点流速vx、vy、vz。
进一步的，所述夹角为15°、30°、45°、60°或90°中任意一个。
进一步的，根据以下公式计算速度α，通过公式表示如下：
Figure BDA0003162083510000031
式中，
Figure BDA0003162083510000032
为入口流速；
如果流动调整器下游各个横截面上特征直径上各节点流速vx'、vy'、vz'与充分发展状态下的直管段各个横截面上特征直径上各节点流速vx、vy、vz之间的差值不大于α，则流动状态已达到稳定状态。
进一步的，判断距离流动调整器出口距离最近的处于稳定流动状态的横截面的长度L；
选取L＝nD，式中，n为管道直径的倍数，管道直径为D；
读取流动调整器下游L处的特征直径上所有节点的流体流速vx'、vy'、vz'与充分发展状态下的直管段上特征直径上的节点流速vx、vy、vz进行比较；
如果满足|vx'-vx|≤α、|vy'-vy|≤α、|vz'-vz|≤α的条件，则该截面处流体流速稳定，减小L值为(n-1)D；
如果不满足，则增加L值为(n+1)D。
进一步的，反复计算至L的变化值小于1D；
对应的直管段长度为流场分布达到充分发展状态所需的最短长度Lmin。
与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：
1、通过仿真模拟三维气体流动模型，可以大大降低实验研究成本，缩短研究时间，大幅提高流动调整器设计周期时效；
2、本技术方案通用性强，对计算模型没有特殊要求，可针对所有类型的扰流件及流动调整器进行仿真模拟，分析流场分布状态，进而评价流动调整器的整流效果；
3、通过选取各个截面上分布的特征直径上各节点处不同方向的流速vx'、vy'、vz'的大小，分别与充分发展的流场中对应的速度进行比较，来判断流场分布状态，并且，评价指标充分考虑了旋涡流、横向流等的影响，评价结果可有效识别各种扰流对流速分布产生的影响。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于计算流体动力学的流场分布的评价方法的流场图；
图2为本发明实施例提供的一种模型I的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种模型II的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种模型I的网格划分结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种模型I的下游直管段各个截面的网格划分结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种截面选取特定直径的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种模型I的管道中的流场分布状态图；
图8为本发明实施例提供的一种模型I下游直管段5D处的流场分布状态图；
图9为本发明实施例提供的一种模型I下游直管段10D处的流场分布状态图；
图10为本发明实施例提供的一种模型II的管道中的流场分布状态图；
图11为本发明实施例提供的一种模型II下游直管段5D处的流场分布状态图；
图12为本发明实施例提供的一种模型II下游直管段10D处的流场分布状态图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
DN指管道的公称直径；
D指管道直径；
ICEM是一种专业的CAE前处理软件，能够提供高效可靠的分析模型，能够进行网格划分；
FLUENT是一种软件，能够用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动，并且包含基于压力的分离求解器、基于密度的隐式求解器、基于密度的显式求解器，多求解器技术使FLUENT软件可以用来模拟从不可压缩到高超音速范围内的各种复杂流场。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于计算流体动力学的流场分布的评价方法，该方法包括：
建立扰流件、流动调整器和下游直管段的三维气体流动模型；
对三维气体流动模型进行网格划分，通过仿真计算获得管道内流体流场分布；
提取三维气体流动模型下游距离流动调整器出口距离为L的各个管道横截面上的流速分布状态，获得各截面中特定直径上各个节点处的三个方向上的速度的大小；
将三维气体流动模型中的流速分布与直管段中流速分布进行比较计算，判定仿真截面上的流速分布是否处于稳定状态；
计算距离流动调整器出口距离最近的处于稳定流动状态的横截面的长度L，根据L值的大小判断流动调整器的整流效果。
101、建立扰流件、流动调整器和下游直管段的三维气体流动模型。
如图2和图3所示，本实施例中，建立模型I和模型II，模型I中，选取单弯头1作为扰流件，选取第一流动调整器2作为流动调整器，构建DN为100mm的三维气体流动模型，模型II中，选取单弯头1作为扰流件，板式流动调整器3作为流动调整器，构建DN为100mm的三维气体流动模型，单弯头1的入口直管段11长度为1D，单弯头1的弯头下游与流动调整器之间的连接直管段12长度为1D，下游直管段13长度为50D。
102、对三维气体流动模型进行网格划分，通过仿真计算获得管道内流体流场分布。
如图4和图5所示，通过ICEM对三维气体流动模型进行网格划分，管道部分采用结构化网格，流动调整器部分由于结构比较复杂，采用非结构化网格，然后将划分好网格三维气体流动模型导入到FLUENT，在FLUENT内设置流体材料的属性、边界类型和边界条件，同时设置求解器方法和条件，入口流速v取10m/s，流体介质为空气，管道内的介质压力取300kPa，该状态下流体处于湍流状态，选取RNG k-ε湍流计算模型、标准边界方程，对设置内容进行初始化，计算获得管道内流体流场分布；
如图7所示，仿真结果显示，气体流经弯头扰流件后产生显著二次流、旋涡流，流场发生畸变；经过流动调整器整流后，流场在下游直管段中较为快速的发展为稳定状态。
103、提取三维气体流动模型下游距离流动调整器出口距离为L的各个管道横截面上的流速分布状态，获得各截面中特定直径上各个节点处的三个方向上的速度的大小。
如图6所示，取相互之间的夹角为45°的四条直径为特征直径；
获得模型I的第一流动调整器2下游各个横截面上特征直径上各节点流速v1x'、v1y'、v1z'；
获得模型I第一流动调整器2的充分发展状态下的直管段上特征直径上的节点流速v1x、v1y、v1z；
获得模型II的板式流动调整器3下游各个横截面上特征直径上各节点流速v2x'、v2y'、v2z'；
获得模型II的板式流动调整器3的充分发展状态下的直管段上特征直径上的节点流速v2x、v2y、v2z。
104、将三维气体流动模型中的流速分布与直管段中流速分布进行比较计算，判定仿真截面上的流速分布是否处于稳定状态。
根据以下公式计算速度α，通过公式表示如下：
Figure BDA0003162083510000071
式中，
Figure BDA0003162083510000072
为入口流速；
模型I的第一流动调整器2下游各个横截面上特征直径上各节点流速v1x'、v1y'、v1z'与充分发展状态下的直管段各个横截面上特征直径上各节点流速v1x、v1y、v1z之间的差值不大于α，则流动状态已达到稳定状态，本次计算中取
Figure BDA0003162083510000073
图7为模型I的管道中的速度分布状态图，图8为模型I在流动调整器后5D处存在流场畸变的速度分布图，图9为模型I在流动调整器后10D处充分发展的流场分布状态图，可以判断出距离流动调整器出口距离最近的处于稳定流动状态的横截面的长度L介于5D和10D中间。
105、计算距离流动调整器出口距离最近的处于稳定流动状态的横截面的长度L，根据L值的大小判断流动调整器的整流效果。
判断距离流动调整器出口距离最近的处于稳定流动状态的横截面的长度L；
选取L＝7D进行计算；
读取流动调整器下游7D处的特征直径上所有节点的流体流速v1x'、v1y'、v1z'与充分发展状态下的直管段上特征直径上的节点流速v1x、v1y、v1z进行比较；
具体比较数据如表1所示：
表1模型I下游7D处特征直径上的流速分布情况
Figure BDA0003162083510000081
Figure BDA0003162083510000091
Figure BDA0003162083510000101
从表中可以看出，在7D处，特征直径1上所有节点的流速都满足充分发展的要求，但特征直径3上流速分布不能完全满足要求，因此，应该进一步增大L进行计算，至所有节点上的流速均能满足要求。
当L增大至9D时，模型I的四条特征直径上所有节点的流体流速v1x'、v1y'、v1z'与充分发展状态下的直管段上特征直径上的节点流速v1x、v1y、v1z进行比较，均能满足|vx'-vx|≤α、|vy'-vy|≤α、|vz'-vz|≤α的条件，因此对于模型I来说，整流效果的表征值为Lmin＝9D。
如图10、图11和图12所示，对模型II的流场分布进行仿真计算，采用与模型I相同的分析方法，计算得出该流动调整器的整流效果表征值为Lmin＝10D。
通过比较距离流动调整器出口最近的流速分布对称、稳定的截面的距离L，来判断不同流动调整器的整流效果，L越小代表整流效果越好。
当然，特征直径的数量可以根据夹角的角度决定，夹角的角度越小，特征直径的数量越大，夹角的角度可以为15°、30°、45°、60°或90°中任意一个。
与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：
1、通过仿真模拟三维气体流动模型，可以大大降低实验研究成本，缩短研究时间，大幅提高流动调整器设计周期时效；
2、本技术方案通用性强，对计算模型没有特殊要求，可针对所有类型的扰流件及流动调整器进行仿真模拟，分析流场分布状态，进而评价流动调整器的整流效果；
3、通过选取各个截面上分布的特征直径上各节点处不同方向的流速vx'、vy'、vz'的大小，分别与充分发展的流场中对应的速度进行比较，来判断流场分布状态，并且，评价指标充分考虑了旋涡流、横向流等的影响，评价结果可有效识别各种扰流对流速分布产生的影响。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于计算流体动力学的流场分布的评价方法，其特征在于，包括：
建立扰流件、流动调整器和下游直管段的三维气体流动模型；
对三维气体流动模型进行网格划分，通过仿真计算获得管道内流体流场分布；
提取三维气体流动模型下游距离流动调整器出口距离为L的各个管道横截面上的流速分布状态，获得各截面中特定直径上各个节点处的三个方向上的速度的大小；
将三维气体流动模型中的流速分布与直管段中流速分布进行比较计算，判定仿真截面上的流速分布是否处于稳定状态；
计算距离流动调整器出口距离最近的处于稳定流动状态的横截面的长度L，根据L值的大小判断流动调整器的整流效果。
2.根据权利要求1所述的评价方法，其特征在于，通过仿真计算获得管道内流体流场分布包括：
设置流体材料的属性、边界类型和边界条件；
设置求解器方法和条件；
对设置内容进行初始化，计算获得管道内流体流场分布。
3.根据权利要求1所述的评价方法，其特征在于，所述获得各截面中特定直径上各个节点处的三个方向上的速度的大小包括：
取相互之间的夹角为15°的倍数的直径为特征直径；
获得流动调整器下游各个横截面上特征直径上各节点流速vx'、vy'、vz'；
获得充分发展状态下的直管段上特征直径上的节点流速vx、vy、vz。
4.根据权利要求3所述的评价方法，其特征在于，
所述夹角为15°、30°、45°、60°或90°中任意一个。
5.根据权利要求3所述的评价方法，其特征在于，所述判定仿真截面上的流速分布是否处于稳定状态包括：
根据以下公式计算速度α，通过公式表示如下：
Figure FDA0003162083500000021
式中，
Figure FDA0003162083500000022
为入口流速；
如果流动调整器下游各个横截面上特征直径上各节点流速vx'、vy'、vz'与充分发展状态下的直管段各个横截面上特征直径上各节点流速vx、vy、vz之间的差值不大于α，则流动状态已达到稳定状态。
6.根据权利要求3所述的评价方法，其特征在于，所述计算距离流动调整器出口距离最近的处于稳定流动状态的横截面的长度L包括：
判断距离流动调整器出口距离最近的处于稳定流动状态的横截面的长度L；
选取L＝nD，式中，n为管道直径的倍数，管道直径为D；
读取流动调整器下游L处的特征直径上所有节点的流体流速vx'、vy'、vz'与充分发展状态下的直管段上特征直径上的节点流速vx、vy、vz进行比较；
如果满足|vx'-vx|≤α、|vy'-vy|≤α、|vz'-vz|≤α的条件，则该截面处流体流速稳定，减小L值为(n-1)D；
如果不满足，则增加L值为(n+1)D。
7.根据权利要求3所述的评价方法，其特征在于，所述根据L值的大小判断流动调整器的整流效果包括：
反复计算至L的变化值小于1D；
对应的直管段长度为流场分布达到充分发展状态所需的最短长度Lmin。
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