计算管道内的压降

我真不晓得用 · 发表于 2009-4-4 00:17:57

一些Flow Simulation用户为了验证Flow Simulation的精度，将仿真结果与手工计算结果做比较。
用的最多的模型就是计算直管道内的压降，因为他们有这个模型的计算公式。然而，经常得不到相近的结果，而且还不知道原因。
说明：
3D计算流体动力学（CFD）并不是用来计算直管道内的压降的，它是用来计算复杂模型内部或外部流动（或压降）。
对于管道内的压降，其它软件采用1D单元来计算（用一条线表示管道），这些软件对计算大型建筑或重型机械的管道系统很有效。
对比：
在结构分析中，当分析由大量钢梁组成的埃菲尔铁塔时，你只会用铁丝建造铁塔模型并用1D梁单元分析。
在计算短直管道的压降时，经常犯的错误：
预期的压降非常小,可能接近数值解的误差。
用户设置的边界条件缺乏充分考虑：为了产生压降而在流场中所加的扰动与在公式中所作的理想化假设不一样。
在手工计算的公式中假设流动状态是单纯的层流，而在COSMOSFloworks中的默认选项是Laminar and Turbulent流动。因此，为了可以作比较，必须在软件中将流动状态设为单纯的层流。
实例：
1m长的圆直管道，管道截面直径为50mm,内壁面粗糙度为2微米，流体介质为20摄氏度的水，流量为1L/s。手工计算给出的压降是64Pa。假设用户的模型是1m的圆管，创建盖子封闭流动管道并使用上述边界条件和控制目标（其它设置使用默认值）。
入口：均匀入口体积流量1L/s；
出口：环境压强为101325Pa；
目标：方程目标=出口平均压强-入口平均压强；
网格采用默认精度水平3。
Flow Simulation计算出的结果是73Pa。
在计算中我们忽视了三个细节：
在使用入口体积流量作为入口边界条件时，速度剖面不应该选uniform ,它将在流场中产生一个扰动，而应该使用Fully developed flow选项，并向上延长管道。
在出口面的均匀压强边界条件同样也会对流动产生一个扰动。用户应该在出口面延长管道，以消除出口边界条件对我们关注的那1m长的管道流动的影响。
特殊情况下，默认的收敛准则不是足够小。当你想得到一个压降是64Pa的现象的精确解时，你的收敛准则必须足够小，比如1Pa
改进设置：
经过改进设置以后，管道内的压降值由73Pa降低到62.9Pa；
与64Pa的手工计算值相比较，误差由14%减小到1.7%。