CFD数值计算（精选7篇）
CFD数值计算 篇1
计算流体力学CFD是流体力学的一个分支, 是能源与动力工程类专业的重要基础课。课程讲授CFD数值模拟的基本思想、基本方法以及常用CFD数值模拟工具的使用, 通过教学使学生了解、掌握CFD数值模拟的基本知识, 为将来在涉及流体流动问题的研究和设计工作中应用CFD数值模拟打下基础。在计算流体力学教学中, 可将仿真技术以项目驱动的方式加入到实践教学环节, 以加深对概念、公式以及数值方法的理解, 进而激发学生探索性学习能力。如何利用好仿真软件的专业优势, 将其引入到计算流体力学实践教学中来, 提高教学效果是本文要探讨的主要问题。
一、CFD数值模拟在项目驱动实践教学中的优势
根据课程教学任务及其特点, 选择适用的教学方式是提高教学效果的关键。传统的教学模式以教师授课为中心, 注重基础理论知识的传授与讲解。在教学过程中, 教师往往花费大量的时间和精力介绍计算流体力学的基本原理并进行相关理论公式的推导, 学生并不能理解计算流体力学的工程应用背景和意义, 学生所接受的理论知识绝大部分来源于授课教师的灌输。
由于计算流体力学课程涉及内容的复杂性, 传统的教学方法与手段, 使得教师和学生在此课程的讲授和学习中都遇到一定的困难和问题。涉及基本方程和数值方法公式推导的部分, 传统的板书教学方式可使学生对推导过程进行逻辑思维, 对推导得到的公式和结果也会更加印象深刻。对于比较复杂、抽象的教学内容以及公式的应用, 则可借助计算机仿真平台的方式进行辅助教学, 让学生直观地了解不同公式的应用过程和数值模拟结果。由于流体力学控制方程一般是非线性的, 只有极少数情况下才能得到解析解, 与工程相关的复杂流体力学问题几乎不能得到解析解, 而实验研究一般是在模拟条件下完成的, 几乎所有的地面实验设备都不能完全满足所有参数和相似定理的要求。通过CFD数值模拟技术, 可以设计一些虚拟的实验, 过程中可选用不同公式模型和数值方法, 数值模拟所得的结果直观, 弥补了理论教学内容的不足。
项目驱动教学, 或称项目驱动下的学习、基于项目的学习, 是一种以学生为中心的教育方式。要求学生通过一系列个人或合作完成的任务, 借助他人 (包括教师和学习伙伴) 的帮助, 利用必要的学习资料, 解决现实中的问题, 获取知识和技能[1]。在项目驱动实践教学中, 借助CFD数值模拟形象的模型分析与演示, 既便于教师对计算流体力学应用于工程问题的知识讲述, 又使学生对计算流体力学理论知识有更加深刻的理解。
二、CFD数值模拟在项目驱动实践教学应用中的关键问题
1.根据计算流体力学教材, 结合学生的具体学习情况, 对某些重点、难点以及不宜课堂讲解的地方, 考虑能否应用CFD数值模拟进行辅助教学。在教学过程中, 需要根据具体的教学内容选择恰当的项目案例, 结合传统教学方法与现代教学方法, 使其发挥各自优势才能获得更好的教学效果。
2.在教学过程中, 向学生展示CFD数值模拟在计算流体力学领域的前沿应用、经典案例。在课程教学中可以随时调用视频录像或仿真软件, 将计算流体力学的一些前处理、流场计算和后处理等复杂问题进行动态仿真演示。这样可以激发学生利用相关数值模拟软件对理论知识进行进一步的学习的积极性和主动性, 为后续课程设计、毕业设计乃至展开创新创业项目打下基础。
3.选取若干具体案例为“项目”任务以达到对前一阶段课堂讲授知识、技能传授的总结与升华;项目内容中含有学生从来未遇到的问题, 需要具备有一定难度。应用CFD数值模拟软件建立计算流体力学仿真分析实例库, 这样老师就可以方便地进行讲解, 并给学生提供直观、形象的过程与结论, 学生理解起来会更容易。
三、CFD数值模拟在项目驱动实践教学的应用案例
1.概念设计。气力输送过程非常复杂, 过去和现在多依靠试验数据、经验数据来解决问题。对一般粉体材料, 在经验数据充分时, 可以得到比较可靠的结果。传统方式靠人工计算过于费时间, 现在可以利用计算机进行数值模拟, 能较快地得到计算结果。计算机能在较短的时间内绘出初步的图纸, 因此在粉体的气力输送过程中能做更多的方案比较, 使设计更加合理。数值模拟可以提供一些实验测量中无法提供的数据。在概念设计阶段, 老师和学生进行项目的讨论。教师起初先不必框定具体的设计内容, 而是要引导学生根据工程应用的实际情况进行头脑风暴, 获得设计的大方向, 进而指导学生进一步通过阅读文献和资料收集, 确立实施思路和初步的方案, 获取可借鉴的工程案例。
2.详细设计。在详细设计阶段, 教师需要预先讲授CFD数值模拟工具的使用, 以Fluent为例, 该软件是目前国际上比较流行的商用CFD软件包, 它具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能, 在航空航天、汽车设计、石油天然气和涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。在这个阶段, 学生通过对现场气力输送过程的调研资料和文献资料, 结合气力输送设备工艺特点, 利用计算流体力学仿真软件Fluent建立可靠的气力输送三维数学模型。对所建立的数值模拟模型进行网格划分, 如图1所示, 在此过程中, 教师可以为学生讲解计算域离散成网格点的过程。在此基础上, 利用所建立的气力输送三维数学模型对飞灰的气力输送进行数值模拟, 将数值模拟结果和实验测量值进行对比, 由此对所建立的数学模型的可靠性和适用性进行验证。
3.发现问题。项目驱动的教学中教师需要着重引导学校在工程应用中发现问题, 挖掘导致问题产生的根源, 在CFD模拟过程中, 要确定边界条件、数学模型和求解方法。气力输送属于大型工业输送物料设备, 虽然输送管道几何形状简单, 但是总长度较长, 并且管道内的输送过程涉及到固相和气相相互作用、物料颗粒湍动粘度以及颗粒间的相互碰撞, 过程非常复杂。在此过程中, 老师可以为学生讲解各种边界条件的优缺点以及选择依据、数学模型的原理和应用范围、求解格式的选择及相应的计算方法和方程。
4.改进设计。将模型预测结果与实验测量值进行分析和比较, 分析边界条件、数学模型和求解方法对结果产生的影响, 通过查阅文献了解最新CFD数值模拟技术和方法, 并尝试应用到项目驱动实践教学中, 提高数值模拟预测结果的准确性。可以利用该数值模拟数据研究气力输送旁管道内压降随着颗粒直径、颗粒密度的变化规律, 并通过改变旁通管几何比以及壁面粗糙度的大小, 研究管道结构和管道特性对压降的影响。
从“概念设计”、“详细设计”、“发现问题”和“改进设计”这几个项目驱动的实践教学环节可以看到, 项目驱动式教学的最主要的特征就是教师引导学生通过寻找完成工作任务的途径与方法, 围绕工作项目完成调查研究、网络信息搜集、文献查阅、个人独立思考、讨论答辩、团队合作学习等各项相关的实践与创造活动[2]。
在实施过程中, 教师应引导学生查阅资料获取类似项目的技术路线、解决方案与相关专业知识点, 对错误明显的方案做适当的引导、纠正, 使方案尽量集中在合理的范围之内[3]。需要选择贴近实践的项目案例, 将CFD数值模拟软件融入到分组学习和应用指导的整个过程, 使学生在项目学习及完成过程中加深对理论知识的理解及实际应用, 提升学生分析问题、解决问题的能力。
四、结束语
项目驱动教学在实施的过程中, 表现出以项目为本位、以学生为主体的重要特征。教师教授和引导的是项目实施所需的技能、系统知识和应用知识, 最终考核的是学生对知识的理解、应用、创新和总结。将CFD数值模拟技术应用到计算流体力学理论教学, 可以使教学质量得到明显提高, 可以帮助克服客观实际条件对理论教学的制约, 加深学生对理论知识的理解, 并激发学习和研究的兴趣。
参考文献
[1]马玲玲.项目驱动教学法培养学生自主学习能力研究[J].山西广播电视大学学报, 2010, (3) .
[2]王福军.计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用[M].清华大学出版社, 2004.
[3][美]约翰D.安德森 (John D.Anderson) .计算流体力学基础及其应用[M].吴颂平, 刘赵淼, 译.北京:机械工业出版社, 2007.
[4]俞国燕, 王贵, 刘焕牢, 安芬菊, 赵娟.机械类专业项目驱动式实践教学模式的探索与实践[J].中国大学教学, 2014, (12) .
[5]吕汝金, 魏德强, 刘建伟, 王喜社.模块化项目驱动模式下工程训练研究探索[J].实验技术与管理, 2014, (01) .
CFD数值计算 篇2
本文采用大型CFD计算软件FLUENT，利用建模软件UG5.0建立车体的简化模型，导入前处理软件Gambit，进行模型的精确调整和修改，生成车体表面网格和流场空间网格，使用FLUENT进行数值计算并进行后处理，最后得到试验结果并得出结论。
1 空间模型及网格划分
为了模拟车辆在无限水域中的实际航行情况，减少流场边界尺寸对不同速度下车辆运动的影响，流场空间应该足够大，但是从CFD分析的角度来看，希望尽量将计算分析的空间流场缩小，这样可以减少计算的网格单元数量。以某拖模试验为参考，其试验模型为原始尺寸的1/4，拖模试验水池的尺寸为160 m×7 m×4 m(长×宽×高)，本文在数值分析时采用不同的流场空间进行了计算，发现在当前速度范围内，车体运动只有在车体周围有限的区域内才有明显的影响，最终本文采用流场空间大小为50 m×30 m×15 m，其大小完全满足计算要求，即便是继续增大空间，计算精度也没有明显提高。
网格是CFD模型的几何表达式，是模拟与分析的载体，网格质量和数量对CFD计算精度和计算效率有着重要的影响。网格生成要求网格质量要高，疏密合适，而且网格数量不能过多。本文用Fluent的前处理软件Gambit对流场进行网格生成，采用了非结构网格与适应性网格相结合的方式进行网格划分。与结构化网格和分块结构网格相比，非结构网格划分便于处理复杂外形的网格划分，同时这种划分方式也便于网格的细化或粗化，使得网格划分更加灵活、简便[3]。
利用Gambit导入车体的三维模型，利用Gambit对导入的模型进行自动和手动的修补，合并一些较小的表面以利于网格的生成。调整车体姿态，使得模型姿态符合航行姿态，采用面生成体的方式围着车体建立流场空间，首先对车体外表面进行面网格的生成，然后对流场空间进行体网格的生成。
2 边界条件的设置
现阶段对两栖装甲车辆的数值模拟主要是采用车体相对于流场静止不动，赋予来流一个速度值，从而得出车体周围的流场情况。根据Fluent可提供的边界条件，设置如下：
设置车体远前方的模型表面为速度入口(velocity-inlet)，设置入口流场的速度大小为车体航行速率，进流面上的湍流计算选为湍流强度和水力直径法，进流面上的湍流强度对车体阻力影响不明显，一般设为5%左右即可。
车体的远后方的模型表面为出流边界，由于出流边界上的压力和速度均为未知，所以选择自由出流(outflow)边界条件，出口条件通过Fluent内部计算得到。
设置车体表面为固壁边界(wall)条件，满足无滑移条件。
3 计算模型
本文选取的是标准k-e湍流模型，标准k-e模型由Launder和Spalding提出，模型本身具有的稳定性、经济性和比较高的计算精度使之成为湍流模型中应用范围最广的一个模型。标准k-e模型是个半经验公式，主要是基于湍流动能和扩散率，k方程(3-1)是个精确方程，e方程(3-2)是个由经验公式导出的方程[4]，其模型方程为：
方程中：Gk表示由层流速度梯度产生的湍流动能;Gb是由浮力产生的湍流动能;YM是由在可压缩湍流中过渡的扩散产生的波动;C1、C2、C3是常量;σk和σe是k方程和e方程的湍流Prandt数;Sk和Se是用户定义项。
4 结论及分析
以航行速度3 m/s为例，图1是计算时车体阻力系数变化曲线，曲线已经比较平直，说明计算已经基本收敛。
图2显示的是车体各部分受到的总压的情况，车体首部、轮子前下部以及车体底部所受的总压较大，其中轮子下半部分受到的总压最大。车底后部总压较大说明车底存在一定的逆压，但逆压梯度不大，没有造成回流，虽然轮子之间结构较复杂，但由于轮子之间的距离较小，使得该区域受到的压力不大。
图3是车体周围流场总压分布图，从图中可以看到在车体尾部后侧区域形成了较大尺度的涡漩区，此区域中的平均流速较小，这是由车尾形状的急剧变化而引起的突然去流导致的，造成了该区域压力的急剧下降，其在车体尾部形成的涡漩区域中压力的减小导致了粘压阻力的增加。由于车体形状的影响，车轮、车体首部交接处和车体底部水流速度较大，相应的这些区域的车体表面切应力也较大，车体表面切应力是摩擦阻力形成的主要原因，车辆航行速度越大，水流速度越大，车体所受摩擦阻力相应也就越大。
图4为数值分析结果与试验结果的对比，可以看到阻力的仿真值要大于试验值，但增长趋势基本一致，误差在10%左右，产生的误差原因主要有：(1)试验时，车体尾部装有螺旋桨等装置，实验表明，螺旋桨的作用在总体上减弱了水流涡旋现象。(2)随着速度的变化，车辆在水中的实际姿态是不断变化的。(3)网格生成不够细，质量不够高，网格生成的越细，仿真结果越接近实际情况，但同时会增加计算成本，必须对网格尺寸加以控制。
5 结语
本文基于计算流体力学的基本原理，利用CFD软件对两栖装甲车辆的航行阻力和外部流场进行了数值分析，在建模、网格划分、计算模型和过程控制等方面确立了分析方法，较准确地模拟了两栖装甲车辆航行阻力随航速的变化规律，为用数值仿真的方法模拟两栖装甲车辆的水上性能提供了参考。
摘要：为了在概念设计阶段评价两栖装甲车辆的水上性能, 运用Fluent软件, 基于计算流体力学理论, 对两栖装甲车辆航行阻力进行了数值计算分析, 并对仿真结果和试验结果进行了对比分析。结果表明, 模拟和试验结果基本吻合, 从而论证了数值分析方法研究两栖装甲车辆航行阻力的可行性。
关键词：航行阻力,两栖装甲车辆,网格,数值分析
参考文献
[1]杨楚泉.水陆两栖车辆原理与设计[M].北京:国防工业出版社, 2003
[2]居乃鵕.两栖车辆水动力学分析与仿真[M].北京:兵器工业出版社, 2005
[3]韩占忠, 王敬, 兰小平.FLUENT流体工程仿真计算实例与应用.北京:北京理工大学出版社, 2004
CFD数值计算 篇3
关键词：日光温室,CFD技术,数值建模,计算机数值仿真,流场分布
0引言
CFD是计算流体力学数值仿真的简称。近年来, 随着计算机软件技术的提高, CFD技术很快被应用到工程实践中。其中, GAMBIT是CFD技术常用的数值建模软件, 它可以根据真实环境的尺寸和模型进行建模。该软件凭借其结构化和非结构化网格的混合使用, 实现了网格的自动划分, 在网格划分方面有着比较大的优势。FLUENT是常用的数值分析软件, 它可以根据实际环境的温度、压力以及速度等参数进行数值仿真模拟, 通过FLUENT计算可以得到真实环境的温度、压力以及流场分布, 并将结果进行二维或者三维呈现。本文运用CFD技术, 以温室环境的仿真模拟为例, 进行了CFD数值仿真模拟, 并得到了一系列的仿真结果图, 为CFD技术在农业方面的应用提供了技术参考。
1 CFD计算机数值模拟研究现状
在计算流体力学仿真模拟中, CFD主要是研究气体的流动规律以及通风过程中气体的流动变化, 在这些方面国内很多学者进了大量的研究。2007年, 李艳菊运用FLUENT仿真模拟软件研究了实验室的气体速度场、浓度场、压力场的分布, 并通过数值仿真模拟对实验室的通风方案进行了优化。2010年, 程秀花利用CFD数值仿真模拟技术, 分别计算了温室低风速情况下的气流流动规律和温室高风速下的气体流动规律。2011年, 常丽娜流体计算湍流模型, 使用CFD数值模拟技术研究了温度和湿度受通风的影响情况。 2011年, 陈加浪运用CFD数值模拟技术对通风过程中高温低风速情况下的环境参数变化进行了仿真计算。
综上所述, CFD技术被广泛地应用到工程实践的很多方面, 但是农业方面的应用并不是很多。本文依据CFD数值仿真技术, 将以农业应用方面为例进行分析研究, 具体流程如图1所示。
图1为本文采用的CFD计算机数值模拟方案, 其主要以实验参数采集和数值模拟联合控制的方式来控制真实环境, 最终得到真实环境的最佳适宜参数。 图1中采用双重反馈调节模拟: 第1次反馈调节是通过风机进行通风去湿之后得到的新的外部环境参数, 将新参数带入到CFD数值模拟进行反馈调节; 第2次是将得到的外部环境参数再次进行通风, 从而得到最终的外部环境最佳适宜参数。
2CFD计算机数值模拟数学模型
CFD计算过程中主要涉及到气体流动方程以及能量方程的求解。其中, 能量方程的求解是最重要的, 因为气流的流动会受到温度的影响, 在计算流程分布之前首先需要进行能量的求解。对于方程的求解, 可以应用雷诺平均方法进行, 其主要思想是运用Navier-Stokes方程, 用平均量和脉动量来表示方程中的瞬时量。
其中, 和u'i表示速度的平均量和脉动量。其他标量也可以表示为
将上述两个公式带入到连续与动量方程中, 可以得到张量方程式为
这就是RNS仿真, 但是为了方程的封闭, 需要对进行模拟。一般运用Boussinesq假设的方法, 近似地认为平均速度梯度和雷诺应力具有正比例关系, 表达式为
对流传热传质模型中, FLUENT给出的能量方程为
其中, E表示总能量, ( τij) eff定义为
其中, ( τij) eff表示粘性加热, 耦合求解。对于气体湿度, 主要以湿度填充的百分数为依据, 对CFD数值模拟进行了算法编程。编程的主要程序如下:
3 CFD数值模拟在日光温室建模中的应用
为了验证本文提出的CFD数值模拟数学模型以及建模和网格划分处理方案, 本文以日光温室的湿度调节为例, 对CFD数值算法进行了分析研究。本文研究的日光温室为东西方向长度98m, 跨度8m, 下挖深度0. 8m, 后屋面角58°; 屋顶使用EVA塑料薄膜; 后墙为夯实的梯形土墙, 高3. 8m、顶厚1. 8m、底厚5. 8m。日光温室示意图如图2所示。
对于外部环境的采集, 使用了湿度记录仪器以及风速测量仪器。通过风速记录仪器来检测改变温室的通风情况, 用记录仪器记录下改变通风情况之后的湿度, 最后通过计算机进行汇总, 如图3所示。
表1表示下挖深度为0. 8m时的平均光照参数以及平均透光率, 以每小时为单位, 列出来不同时间段对应的平均光照参数和平均透光率。
如表1所示, 采集了几个光照比较强的时间段进行分析研究, 其中最大平均光照参数为36 028lux, 最大透光率为0. 72。根据温室的实体模型和参数, 本文采用GAMBIT建模软件对日光温室进行了建模, 得到了日光温室的模型图, 如图4所示。图4中, 后墙的中间部位采用风机通风的方式进行通风。
图5表示采用CFD常用软件GAMBIT进行的网格划分结构。本文采用非结构化四面体网进行整体网格划分, 并且在通风口处将局部网格进行加密处理, 最终划分的网格数为80 000。
图6表示通过CFD数值模拟计算得到的温室温度分布结果。由图6可以看出: 通过温室通风之后温度有了明显的变化, 温室最高温度由通风前的307K降低到了304K, 有了明显的改变, 验证了本文数值模拟计算机的准确性。
如图7表示通风前的湿度计算结果。由图7可以看出: 气流速度最大值仅为0. 175m /s, 不利于通风散热, 并且湿空气的分布范围比较广, 主要集中在温室的上方, 湿空气产生集聚, 对作物的生长不利。
图8表示通风后的湿度计算结果。由图8可以看出: 气流速度最大值达到了25m /s, 非常有利于通风散热; 并且湿空气没有产生集聚, 对农作物的生长非常有利。
4结束语
CFD数值计算 篇4
大型冷却塔是一种典型的钢筋混凝土薄壁结构, 常在电厂中用作水冷却设备。随着我国国民经济的快速发展, 大量冷却塔被兴建, 并朝着高度更高、直径更大的方向发展。由于冷却塔体型庞大、壁厚极薄, 风荷载成为其主要的控制荷载, 因此对冷却塔表面风压分布的研究具有重大的工程应用价值。
目前的结构风荷载特性研究主要通过风洞试验、理论分析、现场实测、CFD数值模拟四条途径。风洞试验经济成本高, 并受模型尺度的影响; 理论分析的难度不言而喻;现场实测则需要相关单位的协调, 人力、物力投入大且受气象条件制约。虽然对计算机硬件的要求比较苛刻, 但随着计算机快速的更新换代, CFD数值模拟以其经济性、对不同风场的适用性, 以及较高的精度, 对工程实践具有重要的指导意义。
本文拟借助CFD数值模拟软件Fluent对大型冷却塔单塔时的表面风压分布进行研究, 并与相关规范的塔表风压分布进行对比。
1 CFD数值分析原理
计算流体动力学 ( CFD) 是用离散化的数值方法及电子计算机对流体无粘绕流和粘性流动进行数值模拟和分析的学科。CFD的基本思想可以归结为: 把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场, 如速度场和压力场, 用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替, 通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组, 然后求解代数方程组获得场变量的近似值[1,2,3]。
2 有限元模型的建立
某冷却塔高180 m, 塔顶半径44. 05 m, 底部半径72. 7m, 喉部高135 m, 喉部半径40. 76 m, 塔底由48 对均匀分布的人字柱支撑。模型建立后采用Gambit软件对其进行网格划分, 划分后的网格模型如图1 所示。计算的流域尺寸为顺风向800 + 1200 = 2 000 m, 横风向900 + 900 = 1 800 m, 高度方向1 000 m, 如图2 所示。
将离散后的冷却塔模型导入到CFD商用计算软件Fluent中, 入口处速度和湍流强度沿高度的分布特征通过编写用户定义函数 ( UDF) 在边界条件中实现: 设定其边界条件为A类地貌, 地面粗糙度系数 α 取0. 12, 入口处风速沿高度变化的数学表达式如式 ( 1) 所示, 入口处湍流强度的数学表达式如式 ( 2) 所示, 本文取U10= 36. 3 m / s:
其他边界条件参考以往学者[4,5,6]设置为: 流域的出口设置为压力边界出口, 顶部、两侧设置为对称面 ( symmetry) , 地面以及冷却塔的外表面和内表面采用无滑移的壁面条件。计算采用3D单精度、Pressure based求解器、空气模型选用理想气体模型 ( ideal - gas) 、三维湍流模型采用Realizable k - ε 模型、对流项的离散采用的一阶迎风格式、速度压力耦合采用SIMPLEC算法。由于Realizable k - ε 模型是针对充分发展的湍流才有效, 而在近壁面区, 流动情况变化很大, 特别是粘性底层几乎是层流, 湍流应力几乎不起作用, 因此采用非平衡壁面函数法。
3 冷却塔的绕流分析
图3 ~ 4 分别给出了冷却塔顺风向竖直剖面的风速矢量图和喉部处截面的风速矢量图。由图3 ~ 4 可见: 从人字柱之间穿过的气流流经筒体内部空间后, 大部分气流会撞上背风面筒体的内表面, 然后沿着这一表面往上流动, 在筒体内部空间形成一个巨大的涡流, 所以该内表面区域的风压系数会比周围大; 在塔喉部, 由于塔筒半径较小, 从塔中部两侧通过的气流量大, 风速较快。
4 与相关规范结果对比
图5 给出了冷却塔单塔时外表面各高度处的体型系数分布曲线 ( 图中实线) , 将之与规范曲线 ( 图中虚线) 对比, 可以发现: (1) 外表面的体型系数沿高度变化不一, 存在着明显的三维效应, 而规范所取的体型系数曲线沿塔高并不变化; (2) 冷却塔上部、下部背风区体型系数与规范吻合得较好, 而中部与规范差距较大; (3) 冷却塔中部迎风区体型系数与规范吻合得较好, 而上部、下部与规范差距较大; (4) 侧风区体型系数与规范取值差距较大, 规范的体型系数曲线最大负压值大概在70°附近取到, 而CFD模拟的则在90°附近。
5 结论
本文采用CFD流体数值模拟软件Fluent对大型冷却塔单塔时的表面流场分布进行了研究, 并与相关规范推荐的塔表风压分布作了对比, 得到如下结论。
1) 通过对冷却塔单塔时的绕流分析可直观地得出冷却塔表面流场分布图, 与实际相符。
2) 通过与相关规范推荐的塔表风压分布对比, 进一步验证了数值模拟的准确性: 冷却塔中部基本与规范相符, 但塔底及塔顶由于存在三维流效应 ( 规范推荐的公式也未曾考虑三维流效应) 与规范有较大出入。
3) CFD数值模拟针对不同风场可进行相应的参数调整, 成本低、周期短、精度满足工程需要, 对实际工程的设计具有重要的指导意义。
参考文献
[1]周雪漪.计算水力学[M].北京:清华大学出版社, 1995.
[2]陶文铨.数值传热学[M].2版.西安:西安交通大学出版社, 2001.
[3]郭鸿志.传输过程数值模拟[M].北京:冶金工业出版社, 1998.
[4]张坚.大型冷却塔的双塔干扰效应和考虑下部结构的有限元分析[D].杭州:浙江大学, 2014.
[5]鲍侃袁.大型双曲冷却塔的风荷载和风致响应理论分析与试验研究[D].杭州:浙江大学, 2009.
CFD数值计算 篇5
关键词：汽车散热器,CFD,有限元仿真,压力分析,流场特性
0 引言
散热器由进水室、出水室和散热器芯等三部分构成,主板与扁管通过钎焊实现散热器芯与水室的连接[1]。按散热器芯的结构形式,可分为板式、管片式、管带式散热器。管带式散热器散热效果好、质量轻、便于制造,广泛应用于轿车等轻型车辆上,但其强度、刚度较板式、管片式散热器差。
因散热器结构复杂,难以采用纯试验的方法分析散热器的结构强度、应力分布[2]。国内外学者往往采用静力学分析其应力,袁聿震等(2011)利用有限元计算管带式散热器各部件应力分布,散热器的主要失效形式是主片与散热管之间焊点的开裂[3];郭便(2015)经有限元仿真发现横装散热器容易出现裂纹的部位在主板与散热管焊接处[4];湖北汽车工业学院(2016)根据实际统计发现开裂主要部位是靠近边版位置的散热器芯管[5]。而计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)则主要用于实现对散热器性能的模拟,吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室(2011)利用局部完全仿真与多孔介质实现汽车散热器的传热性能模拟计算[6];李礼夫等(2014)提出多尺度汽车散热器模拟模型,散热性能仿真计算的相对误差低于5%[7];广州能源检测研究院(2015)基于滑移网格、流体体积函数计算水流流场变化引起的流量误差[8]。
本文以汽车散热器为例,应用CFD数值模拟技术,探讨不同入水室顶点角θ、入水口角度α的入水室压力分布、入水室与扁管连接处压力、散热器芯各扁管中点位置流速等特性,以期对汽车散热器入水室结构设计与可靠性优化起到一定参考作用。
1 汽车散热器建模与网格划分
针对汽车散热器实际设计结构的流域部分建立物理模型,由于当前多数车型油冷器设置于出水室中,出水口设于出水室边缘处,入水口设置于入水室的上侧中央,故以散热器为原型进行CFD模拟与优化设计。
仿真主要针对流域展开,故建模时将加强肋、导角等对几乎不影响流场的结构简化,并按照等流动面积、等水力半径将扁管简化为矩形管。图2为汽车散热器简化模型及优化设计参数示意图。当针对于某一车型散热器进行优化时,为满足装配,其散热器的长宽高无法改变,故以入水室顶点角α、入水口轴线与入水室平面夹角θ为设计可变参数,利用有限元计算得到入水室与扁管连接处压力(图2中截面A-A)、散热器芯各扁管中点位置流速(图2中截面B-B)评价其改变的效果。
利用ANSYS ICEM绘制网格,网格的最大尺寸为3 mm,网格类型为Tetra/Mixed。在ANSYS CFX中,设置流域为80℃的水,出、入水口处流速均为2 m/s,设置收敛标准为平均残差小于10-4,并且当进出、入水口几个预设监测点速度、压力都趋于稳定,可认为收敛并停止求解。
2 不同入水室顶点角流场特性分析
令α=90°,当改变入水室顶点角θ值为180°、170°、160°、150°、140°时,由图3不同顶点角入水室流速云图可见,随着θ减小,入水室中的涡流现象越弱。
图4为不同顶点角入水室主板与扁管连接处压力云图。可见最大压应力出现在受水流冲击一侧的入水口正下方连接处,并且入水室顶点角θ的改变对压应力的影响较小。
由不同结构入水室各扁管流速云图(图5)可知,流速峰值出现于入水口正下方扁管中,流速次峰值则出现于两侧扁管中。
图6为不同结构入水室各管道最大流速曲线[10],可见随着θ减小,各扁管流速的分布从“凸”形变化为“W”形,两侧管道的流速得到了一定程度的平衡,但中央处管道流速难以得到遏制。
则减小入水室顶点角θ,可以有效减弱入水室中的涡流现象、平衡两侧管道的流速,但不影响主板与扁管连接处的压力与中央管道的流速。
3 入水口角度流场特性分析
令θ=180°,由图7不同入水口角度的入水室流速图可见,入水口角度α越小,入水室中涡流现象越弱。
图8为不同入水口角度入水室主板与扁管连接处压力云图。可见随α减小,由于水流冲击引起的主板与扁管连接处压应力将逐渐降低。图9为不同入水口角度各扁管流速图。
图10为不同入水口角度各管道最大流速曲线,可见随α减小,中央管道流速将降低,但两侧管道流速上升。
则随入水口角度α减小,入水室中涡流现象变弱、主板与扁管连接处压应力降低、中央管道流速将降低,但两侧管道流速上升。
4 结论
通过对汽车散热器内部流场进行CFD仿真,分析入水室内部流场、入水室与扁管连接处压力、散热器芯各扁管中点位置流速得出以下结论。
①入水室顶点角θ减小,入水室中的涡流现象减弱、两侧管道的流速趋于均衡,但主板与扁管连接处压力、中央管道流速变化较小;入水口角度α减小,入水室中涡流现象减弱、主板与扁管连接处压应力降低、中央管道流速将降低,但两侧管道流速上升。
②若以入水室内部流场与散热器芯各扁管中点位置流速稳定、入水室与扁管连接处压力降低为目标,则散热器入水室的顶点角θ、入水口角度α可以转变为最优化问题。
③在其他流程工业中,通过加装流动调整器实现流场稳定,若将流动调整器应用于汽车散热器中,很可能能够获得比最优化结果更优的流场稳定性。
参考文献
[1]Stamford MS.VEHICLE RADIATORS[J].Sheet Met Ind,1976,53:118-119.
[2]李夔宁,郭军峰,李进,等.汽车散热器性能试验台研制[J].武汉理工大学学报,2012(07):124-128.
[3]袁聿震,吴国荣,李世伟,等.车用散热器结构强度静力学分析[J].内燃机与动力装置,2011(06):24-27.
[4]郭便.重汽铝散热器散热管开裂失效原因分析[J].机械与电子,2015(12):72-75.
[5]郭鹤,孙继飞,丁响雷,等.汽车散热器铝合金管开裂原因[J].轻合金加工技术,2016(01):33-36.
[6]袁兆成,朱晴,王吉,等.汽车管带式散热器仿真设计方法的研究[J].内燃机工程,2011(02):85-88.
[7]Liu Shui-Chang,Li Li-Fu,Zhang Yong.Vehicle radiators performance calculation and improvement based on the coupling of multi-scale models simulations[J].nal.2014(8):636-642.
[8]潘云飞,罗德章,刘桂雄.换入换出不同向型换向装置换向流量误差分析[J].中国测试,2015(06):18-21.
[9]杨培凯,庄智勇,陈伟博.旋流燃烧器空气流场特性CFD数值模拟[J].机电工程技术,2015(01):23-28,94.
[10]Chen G,Liu G,Zhu B,et al.3D Isosceles Triangular Ultrasonic Path of Transit-Time Ultrasonic Flowmeter:Theoretical Design&CFD Simulations[J].Sensors Journal IEEE,2015(15):4733-4742.
CFD数值计算 篇6
温室作为经济、节能的园艺设施在我国发展速度较快。设施园艺方面的专家和学者对温室环境的研究,从现场测试发展到理论分析、测试与模拟相结合的阶段。其中,数值模拟方法具有成本低、可拓宽试验研究范围及减少试验工作量的优点,还可用来优选温室结构形式及材料、指导温室环境控制,因此数值模拟在国内外温室环境研究中越来越受到重视。
国内外学者将外部的气候条件作为边界条件模拟,分析了不同类型和不同形式温室内的环境特性。1989年,Okushima等[1]应用计算流体力学在自然通风条件下研究了不同结构温室内气流、温度、湿度和气体浓度等因子的分布情况。1997年,Harral等[2]应用PHOENICS(英国CHAM公司开发的商业CFD软件),针对机械通风条件下无牲畜的养殖温室进行了数值模拟和试验的对比。2002年,Boulard等[3]基于CFD研究了温室内外空气对流对温室内环境的影响。2003年,Campen等[4]利用三维计算流体力学( CFD )对西班牙帕拉尔温室在不同通风形式下的风速进行了数值模拟。2004年,Kurpaska等[5]应用传热理论建立了在温室底部铺设热水管加温温室的数学模型。2004年,Fatnassi等[6]针对温室及内部植物之间的气流和能量的平衡建立了线性模型。2004年,Francisco等[7]应用CFD研究了阿尔梅里亚型温室在自然通风条件下的通风效果,并利用烟雾示踪技术显像出气流云图。2006年,Ould Khaoual等[8]应用CFD理论对4跨2 600m2的玻璃温室进行了二维的数值模拟。1999年,张天柱等[9]用简化的CFD模型对高密度迭层笼养蛋鸡舍气流场进行了数值模拟,给出了相应的鸡舍内气流场的分布。童灵和陈芝久[10]用蒙特卡罗方法分析了太阳辐射能量在空调房内各固体表面的再分配,以其定量分布作为附加热源,结合空气的湍流流动和热浮升力等条件,进行了三维气流场与温度场的数值计算。
本文利用ANSYS中的CFD技术,对昆明理工大学Venlo型温室在热风加温条件下进行了全尺度数值模拟,并将模拟结果与试验结果进行比较,以了解温室单点热风加温的分布特点,同时寻找一种分析温室温度场的数值方法,为温室的加温设计和优化提供了技术参考。
1 数学建模
1.1 基本方程
温室热风采暖是以热风风机为热源对温室内的空气进行加热。该过程中,空气的流动除热风风机吹出热风与温室内的空气产生强迫对流外,还有高温气体在浮升力作用下产生的自然对流。在进行封闭腔内自然对流换热的数值计算时,由于温室一般尺度很大,热风供热同时存在热压与风压,并且在温室边界的限制下将不可避免地引起湍流,根据CFD方法研究温室自然通风的文献分析[1,2,3,4,5,6,7,8],加热条件下温室内气流可看成湍流流动。由于标准K-ε优越的收敛性能和合理的精确度,可以对此进行较好的模拟计算。
单位质量流体湍流动能传输方程为
undefined
耗散率传输方程为
undefined
undefined
式中 μt—旋涡粘性系数;
ρ—流体密度;
Gk—由平均速度梯度引起的湍流动能k的产生项;
Gb—由浮力引起的湍流动能k的产生项;
ui—流速向量;
β—空气热膨胀系数;
μ—动力粘度;
Prt—湍流Prandtl常数;
i,j—张量的指标形式;
T—当地温度;
gi—重力加速度在第i方向分量;
Cμ,σk,σε,C1ε,C2ε—均为常数。
以上具体参数值详见文献[2,11]。
1.2 太阳辐射
温室与外部环境之间的热辐射比大多数建筑要强烈,热辐射是温室夜间热量损失的主要机理之一。当辐射换热量与导热、对流换热量相比较大时,应该考虑在其计算中包含有辐射传热过程。试验温室物理模型如图1所示。
当阳光照射到温室的屋顶时,一部分被PC板反射或折射,一部分被PC板吸收,其余的则进入温室。进入温室的太阳辐射,一部分被空气介质吸收,其余的被四周固体表面和地面吸收。对于具有吸收、发射和散射性质的介质,在位置r、沿方向s的辐射传播方程(RTE)为[12]
undefined
式中 r—位置向量;
s—方向向量;
s′—散射方向向量;
σs—散射系数;
a—吸收系数;
n—折射系数;
σ—斯蒂芬-玻耳兹曼常数;
T—当地温度;
I—辐射强度,依赖于位置(r)与方向(s);
Φ—相位函数;
Ω′—空间立体角。
以上具体参数值详见文献[11]。
2 ANSYS模拟
对于在求解域内建立的偏微分方程,由于所处理问题自身的复杂性,造成很难获得方程的真解,可用数值方法来定解。本文应用ANSYS软件来进行温室加温环境的模拟仿真。软件运行平台为Windows XP,CPU为酷睿ⅡE7500,内存DDRⅡ1G,硬盘为120G,独立显卡ATX。
2.1 网格划分
对传热问题进行数值计算时,其中很重要的一步就是生成网格,即要对空间上连续的计算区域进行剖分,划分成为许多个子区域,并确定每个区域中的节点。流动与传热问题数值计算结果最终的精度及计算过程的效率,主要取决于所生成的网格和所采用的算法。为了与试验测试结果进行对比。ANSYS模拟的温室结构与进行试验测试的Venlo型温室完全相同,在Venlo型温室的热风加温过程中,把室内看成一封闭空腔,热空气从热风机的出风口喷出。整个计算域采用ANSYS中的FLUID141单元,对通过燃油热风机的中间纵剖面进行网格划分,生成13 301个节点、12 917个网格,如图2所示。
2.2 边界条件与初始条件
网格划分完成后,开始设置计算域的边界类型,将整个计算域定义为流体域类型。由于温室内气温相对室外气温高,假设近壁处的气流流动符合单层壁面函数法的对数分布规律,温室热量的散失以设置壁面热传导系数方法实现,并给定燃油热风机出口处气流速度和气温。温室壁面材料、室内空气的物理属性、测量的环境等初始参数和边界条件如表1所示。地面为C20混凝土,设为绝热的壁面。温室内设有苗床,离地高750mm,材质为镀锌钢管,苗床面铺设有经3纬4规格的热镀锌床网,此次模拟暂不考虑苗床对室内温度的影响。开始时,温室内的空气特性采用室外气象站采集的环境参数,由于试验期间室外温度较稳定,故设为固定值。
3 模拟结果与试验分析
3.1 试验测试及方法
试验温室为昆明理工大学白龙校区内的Venlo型3屋脊PC板温室,位于东经102°45′、北纬25°03′。温室长32m,走向为北偏东,宽19.2m,总面积为614.4m2(共分2跨,每跨独立分隔。试验时只采用其中的50%),四面墙体和顶部均采用拜耳公司生产的8mm厚(外防紫外线内防结露)聚碳酸酯板(PC板)覆盖,加热系统采用意大利209.34kJ倍利悬挂式燃油热风机(无送风管)。
昆明地理位置属北纬亚热带,境内大多数地区夏无酷暑,冬无严寒,具有典型的温带气候特点。据建国以来的气象资料统计,昆明年均气温为14.5℃,最热月(7月)平均气温为19.7℃,最冷月(1月)平均气温为7.5℃,年温差12～13℃[13]。屋面材料为聚碳酸酯板,保温效果较好,故采用燃油热风(加温)机进行间歇式加温即可满足室内对温度的要求。该热风机配有温控系统,要求连续加温时间最好不要超过30min。
测试日期为2007年12月20日,时间15:20-16:00,此期间温室天窗、侧窗和遮阳网全部关闭,湿帘风机和喷淋等停用。此时,室外气象为阴,气温10～12℃。室内共布置9个温度监测点(如图3所示),与燃油热风机位于同一中间纵剖面内。另外,为消除温室内存在的空间温差,加温前先开启内循环风机使室内各点温度尽量均衡。燃油热风机15:30开始加温,每隔10min记录一次各监测点温度值。
3.2 温度场分析
3.2.1 CFD模拟温度场分析
当热风机出风口风速为1.77m/s、风温为60℃时,应用ANSYS CFD对Venlo型温室内温度场的模拟结果如图4所示。
由图4可知:出口处风速最大且温度为最大值。随着气体的扩散与热传导加剧,离出风口位置越远温度越低,风速越小,形成一条蚕状的风带,在风带的上下两侧有风速和温度变化为0的区域。由于速度场区域间气流速度差别很大,故很难使温度场达到均匀分布。热气流喷离出风口后呈辐射状上升趋势,沿屋顶下表面向远方扩散,由于屋顶的反射作用,气流运动至温室中部开始下沉,并继续向远方扩散。在地面附近, 出现一条与主风向相反的回流交换带, 同时由于热浮力对温室内气体的影响,气流又有向上抬升的趋势,并保持继续扩散的状态,加温机上下两侧存在热气流达不到的区域。
3.2.2 试验温室内实际温度场的分布
室内观测点温度实测值如表2所示,室内温度实测值的曲面图如图5所示。从纵垂面来看:对于距热风机出风口最近的Ⅰ区观测点(Ⅰ-1,Ⅰ-2,Ⅰ-3)而言,温度提升较慢,且不均匀,观测点Ⅰ-1温升只有5℃,而观测点Ⅰ-3温升达到11.5℃;而对于距热风机出风口较远的Ⅱ和Ⅲ区观测点(Ⅱ-1,Ⅱ-2,Ⅱ-3,Ⅲ-1,Ⅲ-2和Ⅲ-3)温升较均匀,都在10℃左右。其中,观测点Ⅱ-2和Ⅱ-3最大,也只有11.1℃。从水平面来看:距苗床20cm高的1号水平面处(Ⅰ-1,Ⅱ-1,Ⅲ-1)温升不均匀,Ⅰ-1点为5℃,而点Ⅱ-1和Ⅲ-1为9.5℃;距苗床50cm高的2号水平面处(Ⅰ-2,Ⅱ-2,Ⅲ-2)温升较1号水平面均匀,Ⅰ-2点为8℃,而点Ⅱ-2和Ⅲ-2为10℃左右;距苗床150cm的3号平面处(Ⅰ-3,Ⅱ-3,Ⅲ-3)温升最均匀,3个观测点的温升均为10℃左右。
℃
从室内温度实测值的曲面图分布上看,试验测试点温度分布情况与数值模拟所得温室内数值分析云图在总体上是一致的。
由此可见,在热风机单点加温时(无送风管),其下侧温升不均匀程度较大,热风经过温室中部后,温升就比较均匀。可见,在热风强制加热的情况下,由于速度场区域内气流速度的差别较大,导致温度场分布在瞬时很难均匀。故在实际使用时,沿送风方向架设贯穿整个温室的送风管道,并在管道上均匀开设出风口,以达到均匀送风的目的,从而使室内的温度场分布均匀。
4 结论
对3屋脊Venlo型PC板温室的热风加温过程应用ANSYS 对其中间纵剖面进行二维数值模拟,且与实际的测试数据进行比较,得出如下结论:
1) ANSYS所得的模拟结果与试验测试点温度分布情况吻合较好,基本反映了热风加温机出口风速为1.77m/s、风温为60℃时,温室内温度场的分布情况。
2) 在热风加温条件下,由于速度场区域内气流速度差别较大,导致温度场分布在瞬时很不均匀,故加温后最好开启环流风机进行均衡。
3) 单点热风加温效果不是很好,所以要在热风机出风口连接送风管道,并在管道两侧均匀开设出风口,以达到室内温度场的均匀分布。
CFD数值计算 篇7
1 理论基础
1.1 孔板流量计
图1中的(a)、(b)分别为标准孔板，两通道非标准孔板及管道的简图。由于这两类孔板都是因为流体通过孔板时因流通面积的突然收缩而加速，导致孔板前后产生压力差，故它们都可以通过测定孔板前后的压差来计算管道中的流量[7]，它们唯一的区别就是最小流通截面不一样。在已知有关参数的条件下，根据流动流体的连续性原理和伯努利方程可以推导出差压与流量之间的关系。其基本公式为
式中Qv———体积流量/m3·s-1;
C———流出系数;
β———直径比;
d———工作条件下节流孔直径/m;
Δp———差压/Pa;
ρ———流体密度/kg·m-3。
1.2 计算流体动力学
计算流体动力学(Computional Fluid Dynamics)，简称为CFD，主要是通过计算机数值计算和图像显示，对含有流体流动和对流传热等相关物理现象的系统来进行分析[8]。CFD最大的优点是它不受物理模型和实验模型的限制，能够给出全部流场范围内的详细信息，并能够模拟出实验所不能达到的条件等优点[9]。故CFD技术广泛应用于模拟流体的流动，并为其理论分析和实验研究提供新的思路。
2 数值模拟
2.1 建模，网格划分
利用孔板轴对称性的特性，在圆柱坐标系下建立它们1/2的实体模型，取压方式采用D-D/2取压，截面积比是指开孔截面积与管道截面积之比(见表1、表2)。根据标准孔板流量计的安装要求，孔板前直管段长度为10D，后直管段长度为5D。本文所用的流体介质为常温的液态水。
为了获取孔板前后详细的流场变化情况，首先在壁面附近划分边界层网格，并对靠近孔板的网格进行局部加密，离孔板越远，网格越稀。
2.2 边界条件及模型的求解
该模型的边界条件包括速度入口、压力出口，轴对称边界以及无滑移的壁面边界。本文选用Standard k-ε湍流模型，并在近壁面区域采用标准壁面函数(Standard Wall Function)进行处理。在求解离散方程组的压力速度耦合时选择了SIMPLE算法，动量和湍流动能分别采用的是二阶迎风与一阶迎风的差分格式。该模型的控制方程为
式中k———湍动能;
ε———湍动耗散率;
μt———湍动粘度
Gk———由层流速度梯度而产生的湍流动能;
3 结果分析
3.1 流出系数C
流出系数C定义为通过孔板的实际流量值与理论流量值的比值，它与管道内雷诺数的大小、截面积比，取压方式以及管道情况等众多因素有关[10]。在选用孔板流量计时，应保证它的测量范围落在流出系数C为常数的范围内，这样才能确保流量测量的准确性。因此流出系数C是评价孔板流量计性能至关重要的参数[11]。在GBT 2624-2006中流出系数C用Reader-Harris/Gallagher(1998)公式[12]进行计算
式中β———直径比;
ReD———根据D计算出的雷诺数。
对于D与D/2取压，L1=1,L'2=0.47。数值模拟结果与公式(6)计算的结果进行比较，经计算得两种孔板的最大相对误差分别为5.38%,2.39%，这说明了数值模拟的准确性。
在实际的应用中，孔板的临界雷诺数越小，它的测量范围就越宽。故可以改变这类两通道非标准孔板中心的流通截面和周边的环形流通截面的尺寸以及位置来确定最优形状的孔板，使得临界雷诺数尽可能的小，以增大流出系数的常数区范围。在图3中几种非标准孔板的流出系数都比相应的标准孔板大，并且某些尺寸的非标准孔板的流出系数较标准孔板能在较小的雷诺数下达到稳定，这说明它们有更宽的应用范围。而编号4#的孔板具有最小的临界雷诺数，使得它在低雷诺数下测量时也有较高的重复性。
3.2 速度流场与压力流场
通过Fluent模拟了几种不同孔板前后的流场变化，由模拟结果可知流束经过不同孔板后速度都明显增大，当距离孔板一段距离后速度恢复正常，压力相应降低。根据孔板流量计的工作原理可知这是由于管道流通截面积的突然缩小，迫使流体的部分压力能转换为动能。经计算可得，编号3#,5#,6#,7#孔板比相应的标准孔板的永久压降分别降低了8.71%,12.81%,10.99%,10.1%,4#孔板却升高了7.67%。
从图4可以看出两通道非标准孔板后的流场更为稳定，压力恢复更快，这可能是因为周边的环形流通截面起到了整流的作用，从而减少了孔板后涡流的形成和紊流的摩擦、振动。并且4#孔板压力恢复得最快，对直管段的要求最低，故能省去大量的管道费用。因此这类孔板既能在管道费用方面减少开支，并且还能降低能量耗费，是一类节能的非标准孔板。
图5中孔板的永久压降在雷诺数为103到106的区间范围内增加的非常缓慢，当雷诺数大于106后，孔板的永久压降急剧上升，这说明孔板流量计在一定雷诺数范围内工作时比较经济。经计算还可知孔板下游压力恢复点离孔板上游端面的距离Z在雷诺数较小时随着雷诺数的增加而不断变大，当雷诺数达到一定数值时，压力恢复点的距离便维持在一个稳定值。
标准孔板的流线图前直管段速度分布较均匀，之后所有流体集中到唯一的中心孔，从而导致在孔板下游靠近壁面附近的区域有一个被拉长的漩涡。两通道非标准孔板在前直管段的流线与标准孔板的一样，但当流束流经非标准孔板后被分成两股射流，不仅在近壁面有回流区而且在环形流通截面与中心孔道流通截面之间也有漩涡的存在，但总体来说两通道非标准孔板的漩涡少于标准孔板的。孔板的压力损失之所以很高主要是因为这些涡流的能量耗散所造成的[13]，故两通道非标准孔板的压力损失较标准孔板的小。而近壁面回流区与射流之间的回流区的大小主要取决于中心孔与周边环形截面的尺寸。
4 结论
在本文中，通过CFD模拟了一类两通道的非标准孔板与标准孔板的运动流场，并通过改变非标准孔板中心孔和周边环形流通截面的尺寸与位置，确定了这类孔板的较优结构参数。探究了孔板的流出系数与雷诺数的关系，由模拟结果可知两通道非标准孔板既能在管道费用方面减少开支，又能降低能量耗费，故这类孔板较标准孔板能节约较大的运行成本，并且某些性能在一定程度上优于标准孔板。在实际应用中我们可根据不同的需求选择不同的孔板。
参考文献
[1]侯祥松.电炉炼钢冶炼周期中烟气热力学特性的变化规律[J].冶金能源,2010,29(1):28-31.
[2]周何.电炉余热锅炉热力计算软件的开发[D].沈阳:东北大学,2011.
[3]杨彬,沈士兴,王方荣,等.电弧炉余热锅炉设计[J].工业锅炉,2011(3):20-23.
[4]曹先常.电炉烟气余热回收利用技术进展及其应用[C].无锡:第4届中国金属学会青年论文集,2008:418-423.
[5]杨振国,刘青,谢银幕.电炉流程中热管式余热回收[J].北京科技大学学报,2011,33(10):87-92.
[6]何立波.炼钢电炉余热发电技术[J].工业炉,2013,35(2):16-18.
[7]陈兴卫.低温热水发电用正压外壳型无刷励磁汽轮发电机的设计[J].大电机技术,2014(3):22-25.
[8]陶务纯.50 t炼钢电弧炉烟气余热回收系统的设计应用[J].工业加热,2012,41(3):56-59.
[9]刘改娟.100 t电炉烟气余热回收实践[J].冶金动力,2008,29(5):36-39.
[10]赵钦新,周屈兰,谭尊厚,等.余热锅炉研究与设计[M].北京:中国标准出版社,2010.