热能与动力工程专业(论文

热能与动力工程专业(论文内容摘要：

设计 (论文 ) 14 湍流状态下的 ： 最大压力值 PaPM AX  ， 最小压力值 PaPM IN  ， 压力差 PaPPP M INM A X 6 4 7。   39。 39。 P PP 单管 内的流动损失基本上都是沿程损失。 但 由于存在入口段的影响， 导致了层流和湍流状态下， FLUENT 计算得到的值与理论计算得到的值存在部分差距 ， 但是 他们的偏差都在 5%以内，所以说明在该旋转方法，比较正确且完美的接近了理论的值。 、 二级 Y型管路的几何要素优化 在本章节中，本人首先通过拉格朗日乘子法和水头的经验公式，分析了在总管腔体积和总占地面积一定条件下的层流和湍流光滑区的最佳参数值。 但是拉格朗日推导出的参数值是否 是 真实管路内的 最佳参数呢。 Y 型树状管路的模型如下： 单根管道压强 /Pa 层流 湍流光滑区 经验公式结果 7538 FLUNET 结果 江苏科技大学本科毕业设计 (论文 ) 15 θ θ A l 0 l 1 B C O 管腔体积约束条件： )2(4 121020 ldldV   （ 210） 占地面积约束条件：  s in2)c o s( 110 lllA  （ 211） 在总管腔体积和占地面积一定的约束条件下， 应用拉格朗日乘子法。 、 层流流动状况 二级 Y 型树状管路的总消耗功率是： )2(1282 4114002110 dldlmWWW s um     = )2( 411400 dldlc  （ 212） 式中： 2128 mc  拉格朗日函数： AVWXddllL sum 101010 ),(    分别对 , 1010 ddll 分别求导得到以下的方程组： 江苏科技大学本科毕业设计 (论文 ) 16 0000010111011010000111011010000AVWXdAdVdWdXdAdVdWdXlAlVlWlXlAlVlWlX 代入上面的式中可得： 02c o sc o s020240)c o ss i n4s i n2(220s i n2410110511000500101210411120040lllddcllddclllddclddc 可以推出 : 3110 dd 61600 28 dcdc   代入上式中可得： 0)2s i ns i n(220s i n221014141114040lldcdcld cdc 移相相比得： 401101 )(22s ins in s in ddll l    整理下可得： 江苏科技大学本科毕业设计 (论文 ) 17 osc os22c os c os 312    当   时，上式成立，即  时。 、 湍流光滑区 二级 Y 型管路总的消耗功为： )2())2/(2(100110010dldlcdlmdlmWWWs u m   式中：   mc  用拉格朗日乘数法同理可得： 02 271101  dd 952c osc os22c os c os 2752    当   时，上式成立，即  时。 、 Y型树状管路的 FLUENT 模拟优化 由于拉格朗日乘子法没办法考虑到管内的 局部损失，所以在上述的理论最优参数附近建立了不同的参数模型，对拉格朗日最优参数进行验证。 、 层流状态下的 Y型管内流动 建立模型： 在总的管腔比和总的占地面积 一定的条件下管径比假设为定值： 管腔总体积一定： 90V 3mm ，总占地面积一定： S 2mm ， 3110 2DD 江苏科技大学本科毕业设计 (论文 ) 18 在 不同的分岔角 下计算出管长 ； （ 1） 35 176。 时，由 （ 211）和（ 212）计算可以得： mmLmmL ,44 10  ， 10 LL。 （ 2）  176。 时，计算可得： mmLmmL , 10  ， 10 LL。 （ 3） 40 176。 时，计算得： mmLmmL , 10  ， 10 LL。 （ 4） 45 176。 时，计算得： mmLmmL , 10  ， 10 LL。 利用 GAMBIT 建立三维模型： 在建立 Y 型三维模型过程中， 由于对 FLUENT 软件了解的不够，曾用 UG建立了 Y 型的几何模型，导成 .igs 文件，导入 GAMBIT。 但是发现 UG导入的模型，出现了很多的点、线，需要修改的地方很多，工作量很大，不利于快速的建立模型。 随后又通过空间取点，连线，成面，再由面成体。 但是此方法建模也非常复杂，取点的量很大，也不利于快速建模，且网格划分也存在着不对称。 通过一系列的摸索，探讨出了重新定义坐标系，建立三维模型的方法，如下： （ 1） 建立 Y 型的中心线轴， （ 2） 在中心线轴的 分岔的末 端建立新的坐标系，以新的坐标轴 创建出两分支管1D ，使其相交，取 交集。 江苏科技大学本科毕业设计 (论文 ) 19 （ 3） 在分支处建立又一新的坐标系，见一个立方体，并用立方体分割两支管的结合体，并删除多余部分。 此时的两圆柱断面乘椭圆形。 （ 4） 在 0 级支管的首端建立另一坐标系，建立 0D 管径的圆柱 ,断面为圆形。 （ 5） 将椭圆和圆形等分成 4 份，连接成面，再 由面连接成体。 （ 6） 合并所有的 ，使其形成一个整体。 （ 7） 划分网格。 （ 8） 定义边界条件。 （ 9） 导 出“ .msh”文件。 运用 FLUENT 软件进行计算 （ 1） 导入“ .msh”文件。 （ 2） 检查网格。 （ 3） 建立求解模型，这里定义为层流。 （ 4） 设置流体的物理属性， 取 FLUENT 自带的流体 —— 水。 （ 5） 设置边界条件，流体速度设为。 （ 6） 定义 Axisymmetric 求解器。 （ 7） 求解，迭代，直至收敛为止。 （ 8） 显示流体内的流动状况。 FLUENT 的计算结果 江苏科技大学本科毕业设计 (论文 ) 20 图 网格划分 图 压力分布 江苏科技大学本科毕业设计 (论文 ) 21 图 中心线压力分布 图 管道内的速度分布 由 FLUENT 计算得到的结果： （ 1） 35 176。 时，进口压强 PaPi  ， 出口压强 PaPo  , PaPo 。 江苏科技大学本科毕业设计 (论文 ) 22 （ 2）  176。 时，进口压强 PaPi  ， 出口压强 PaPo  ， PaPo 。 （ 3） 40 176。 时，进口压强 PaPi  ， 出口压强 PaPo  ， PaPo 。 （ 4） 45 176。 时，进口压强 PaPi  ， 出口压强 PaPo  ， PaPo 。 由上面可以看出进出口的压力有点偏差，不相等。 这是由于在建模的过程中，计算中心 轴终点的坐标不够什么精确。 所以与实际中的完全对称相等有点区别，但是影响不大。 出口压力值可近似的认为是： 2 )( 21 PPPo  （ 213） 所以各管路的压力降为： oi PPP （ 214） 则各种分叉角下的压力差为： 35176。 时， paP 7 2 8 9 2 2 8  ； 176。 时， paP 7 9 1 7 4 7 7 8  ； 40176。 时， paP 5 5 5 6 6 1 1  ； 45176。 时， paP 7 7 5 3 7 2 0 。 江苏科技大学本科毕业设计 (论文 ) 23 经比较发现，层流状态下的压力差随角度变化很小。 可见在总管腔体积和总占地面积一定的条件下，层流状态时， 约 在 35176。 附近出现较小的压力差值 ，与拉格朗日计算得结果有出入 ，这是因为分岔角存附近有局部损失。 、 寻求最优的分叉角 在拉格朗日乘子法中，它进行对管路最佳特征比分析的时候，采用的是微分的方法，只考虑沿程损失的影响，而没有考虑到管路内的局部损失的影响。 下面将在FLUENT 软件应用下，模拟真实的层流管内流动寻找真实的最佳分叉角和管径比。 寻求最优的管路特征比，就是为了得到最小的泵功消耗，使管路的量能消耗最低，起到节能的功效。 这里的泵功消耗最低即：进出口压力降 P 最低。 分岔角越大，局部损失就越大 ，增加了泵功消耗。 同时由于管径相差太大，也会导致局部损失的增大，也增加了泵功消耗，不利于节能。 综上，可知最佳的管径比 10 DD 应该小于拉格朗日乘子法下算出的比值；而分岔角  也应该比拉格朗日乘子法下的略小些。 下面将进行验证该观点。 一 、层流 假设 mmL  ， mmL  ， mmD 20 。 模型  0L /mm 1L /mm 10 LL /mm 0D /mm 1D /mm 10 DD P /Pa 35176。 44 2 176。 2 40176。 2 45176。 2 江苏科技大学本科毕业设计 (论文 ) 24 （ 1）分岔角为 176。 时， 1D 分别为 、 、。 三种情况下的压力分布图为： mmD  图 mmD  图 mmD  江苏科技大学本科毕业设计 (论文 ) 25 图 mmD  时， FLUENT 的计算结果： 压力降 ： PaP 7 9 1 7 4 7 8  mmD  时， FLUENT 的计算结果： 压力降： PaP 0 2 8 8 1 0 5 。 mmD  时， FLUENT 的计算结果： 压力降： PaP 5 0 2 4 5 0 1 。 由此可以得出： 在当管长比一定，分岔角也一定， FLUENT 模拟出的最佳的 管径比 10 DD 和 理论推导出来的值 相比 略小些。 这是由于 在管内流动在分岔角和管径变化的时候都会产模型  0L /mm 1L /mm 10 LL /mm 0D /mm 1D /mm 10 DD P /Pa 176。 2 176。 2 176。 2 江苏科技大学本科毕业设计 (论文 ) 26 生局部损失。 在分岔角一定的条件下，影响管内局部损失大小的 只剩下了管径的变化。 比较发现在 1D 在略大于拉格朗日推导出来的值时，压力差出现最小值，即泵功消耗最小。 （ 2） 当 mmD  时，分岔角分别为： 35176。 、 36176。 、 176。 37176。 、 176。 时。