油气混输管道流动特性研究

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增强。因此近壁区域的处理会显著影响数值模拟的结果，因为壁面是涡量和湍流的主要来源。

实验研究表明，近壁区域可以分为三层，最近壁面区域被称为粘性底层，流动是层流状态，分子粘性对于动量、热量和质量输运起到决定作用。外区域成为完全湍流层，湍流起决定作用。在完全湍流与层流底层之间底区域为混合区域(Blending region)，该区域内分子粘性与湍流都起着相当的作用。

网格的划分对模拟结果的准确性有着至关重要的影响，本篇论文将管壁边界层加密，因为流体的边界层很薄，所以加密5层即可。GAMBIT结构化网格划分和边界层加密如图2-2所示。

图2-2 网格的划分

2.6 可压缩流体流动模拟原理

模型中气相为可压缩理想气体，在FLUENT模拟时考虑气体的可压缩性，当气流速度很大，或者流场压力变化很大时，流体就受到了压缩性的影响。马赫数定义为：M=u／c，这里，c是气体的音速，为：c?。 ?RT，??Cp/Cv（比热比）

当马赫数小于1时，流动为亚音速流动：当马赫数远远小于1(如M<0.1)时，流体的可压缩性及压力脉动对密度变化影响都可以忽略。当马赫数接近l时候(跨音速) 可压速性响就显得十分重要了。如果马赫数大于1，流体就变为超音速流动。FLUENT对于亚音速，跨音速以及超音速等可压流动都有模拟能力。

经理论分析以及参考相关文献得知，流体的可压速性及压力脉动对密度变化影响都可以忽略。但是为了使模拟更符合实际情况，模拟过程中还是考虑了气体的可压缩性和压力脉动对密度变化的影响。

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2.6.1 可压缩流动基本概念

描述理想气体可压缩流动离不开参数总压P。和总温瓦与静压与静温之间的关系为：

???12???1? ??1?M?p2? s? （2-10）

p0T0 式中，p0一总压；

T1?1???12M （2-11）

2 T0一总温： ps一静压； Ts一静温； y一压缩因子； ?一比热容；

M一马赫数；

上述关系成立的条件是等熵过程。 2.6.2 可压缩流动的基本方程

FLUENT提供的标准连续和动量方程就可以描述可压速流动问题，除了下文说明的可压速流动处理以外，不需要其它特别的物理模型。需要指出的是，求解可压缩问题，一定要求解能量方程。如果用segregated solver求解，一定要考虑粘性耗散项(粘性加热)。

对于可压速流动，理想气体方程为： ???pop?p?/RTs

（2-12）

这里，pop是运行条件里确定的运行压力，p是当地静压，R是通用气体常数，根据输入的气体分子量计算；Ts用能量方程求得。 2.6.3 可压缩流动模拟的参数输入

1、设定运行压力pop。Define—operatingconditions 2、求解能量方程

3、Segregated solver only（如果Fluent模拟的是湍流流动问题，考虑粘性耗散。）Define models viscous(耦合求解，不需要，因为耦合求解自动考虑粘性耗散。) 4、材料面板设置。Define．materials (1)选择理想气体

(2)定义物性(比如，分子量，导热系数等)

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5、设定边界条件。 (1)Flowinlets

①压力进口：进口总温，总压；对于超音速流动，静压 ②质量进口：进口质量流率和总温 (2)Flowexits

压力出口：出口静压(如果出口是超音速，可以忽略)需要特别指出的是，输入的边界条件中，无论是静压还是总压，都必须是表压(与前面给定的P的差)。进口温度给定必须是总温(滞止温度)，不是静温。 2.6.4 可压缩流动求解注意事项

求解可压缩流动问题的难点主要在于流体速度，密度，压力和能量的高度耦合。这样的耦合会导致求解过程中的不稳定性。因此要得到收敛解必须做一些调整。

下面介绍较好的求解步骤：

l、(Segregated solver only)速度的松弛因子调低(0.2-0.3)。

2、(Segregated solver only)压力松弛因子用0.1，采用SIMPLE算法。

3、对压力温度设置合适的限制条件Solution limits。特别注意的是给定的压力和温度初始值要合理，如果给定的限制条件得到的收敛结果不好，可以更改继续计算，直至取得满意结果。有时候可以考虑用无粘收敛结果做初始场会出现比较好的收敛效果。 2.6.5 求解非定常问题的步骤

l、击活求解非定常问题面板：define-model-solver。一阶精度的隐式格式对很多问题都适合。显式格式只能用于coupled explicit solver，用于捕捉移动波。

2、定义相关的模型和边界条件。自定义函数边界条件可以是跟时间相关。 3、如果用segregated solver选用PISO来处理压力速度耦合。Solve-controls-solution 4、监视计算结果。Solve-monitors-Statistic

5、设置初始条件。Solve-initialize-initizlize也可以读入稳态计算结果做初始值。File-read-data

6、存贮中间结果。File-write-auto-save指定文件名字和存贮频率。 7、设定时间相关项处理方法

(1)如果采用一阶或者二阶隐式，需要设置如下参数： ①每个时间步最多积分次数。

②时间步长△t。虽然隐式格式没有对时间步长进行太多限制，但是在我们模拟的一些瞬态问题的时候，还应该把这个时间步定义为流动最小时间常数小一个数量级。最好的选择时间步的方法是看需要多少积分步才能收敛。理想的积分步是每个时间步长上为10—20次。如果需要迭代的次数过多，证明时间步过大，需要进行调小。如果迭代一

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两次就收敛了，证明时间步长可以调大。对于周期下性的流动问题，时间步可以根据周期来确定。比如，一个周期可以分成20个积分步长。

(2)如果选择显式非稳定形式，则：

①定义求解变量solve-controls-solution。(必须没有多重网格，没有残差光滑，而且必须courantnumber of 1)

②选择积分次数，求解。

8、存储结果，以便处理和进一步计算。File-write-data

2.7 本章小节

1、确定了两相流混输管道中的流动选用的数值模拟模型——VOF模型。采用非稳态、 隐式分离求解算法进行数值计算。数学模型采用常用的标准κ—ε湍流模型，并通过讨论对一些模型常量进行选取。

2、密度和粘度计算：空气为可压缩理想气体，油和气的物性通过计算公式获得。 3、边界条件：两相进入管线的进口设为质量入口，管线的出口设为压力出口，管线管壁设为固体壁面（默认值即为固体壁面）。

4、初始条件：设操作压力为大气压，定义了湍流特征参数I、DH(湍流强度、水力直径)，确定了湍流强度的经验计算公式，水力直径取为管线直径。

5、求解可压缩模型：可压缩流体流动模拟原理，注意事项，求解非定常问题步骤。