CosmosFloworks在管道流体分析中的应用

何 岳

（中国农业机械化科学研究院,北京 100083)

CosmosFloworks在管道流体分析中的应用

何 岳

（中国农业机械化科学研究院,北京 100083)

随着加工制造技术的升级，传统的流体管道系统设计方法已经不能很好的满足新的需求。CFD（计算机辅助流体动力学计算）作为一项崭新的技术，在流体管道系统设计领域正得到广泛的应用，通过对流体运动的规律进行数值计算，利用如欧拉方程、N-S方程等数学方程组来对整个系统进行计算模拟。本文拟通过利用CFD软件CosmosFloworks在管道流体分析中的简单案例，来讲解在流体管道系统设计过程中应用这一技术带来的的优势和特点。

管道；流体分析；流体动力学；CosmosFloworks、CFD

1 管道系统开发中面临的挑战

在流体管道系统设计中大量利用经验公式和制造的实物进行验证，那么会存在以下几个问题。

（1）整体系统内部的管路性能参数和整体质量水平都必须依靠试验才能确定；

（2）流体作用在过流部件上的压力载荷无法求出；

（3）一些被流体包围的部件的结构强度难以计算；

（4）整体结构的安全性与经济性难以取舍；

面对以上问题，传统方法已经限制了新型、大型管道系统的设计，近年来利用CFD技术解决上述问题的方法在国内外取得了广泛应用。

2 CFD概述

上世纪六十年代前，对流体运动规律进行研究的办法主要有两种：一是将产品放在实际工作环境中进行实验；另一种则是利用简化的数学模型进行解析。前者需要交大的成本投入，而后者对复杂的计算问题则无能无力。近年来，计算流体动力学作为一种流体分析研究的方法有较快的发展，该方法通过计算机计算流体流动学方程，研究流体运动的规律，简称CFD。

在市面常见的CFD软件中，CosmosFloworks是一款功能丰富、操作简单方便，交互界面较为人性化的CFD软件。下面以CosmosFloworks模拟计算简易变径管道为例，简单介绍CFD软件在管道流体分析中的应用。

3 用CosmosFloworks计算流体动力学问题的过程

3.1 建模

CFD计算定义为大型数值求解，为缩短计算时间，模型必须经过简化。由于管道内流体的流动较复杂，为了避免出口上产生涡流影响计算结果，应当适当延伸管道长度，以是、使CosmosFloworks能够自动查找封闭的空间并设定为计算区域。

3.2 运行设置向导

CosmosFloworks有关初始条件的设定操作非常简单。设置向导提示，过程依次为设定单位→设定介质→物理特征→分析条件→表面粗糙度→流体参数→初始边界条件→设定计算精度。

3.3 网格控制

CosmosFloworks的网格结构划分基于笛卡尔坐标系进行。控制划分网格精度有以下两种方法，一种是选定自动划分网格选项后由软件自行完成网格划分；另一种方法是选定自定义划分网格选项后，选中需要细化的对象对其局部的网格进行进一步的细分。

3.4 设定边界条件

3.5 计算

对配置名单击鼠标右键，点击“Run”开始计算，通过软件可对计算过程监视。

4 流体阻力系数的计算

4.1 基础理论

随着流速的增大，流阻系数ξ与雷诺数Re逐渐趋近于一条水平线，压力的损失△p与流速V平方成比例，有：Re＞Re2

式中，Re2为边界条件雷诺数，r0为流体半径，ε为表面粗糙度。

式中，Re为初始条件雷诺数，V为平均流速，d为管道内径，μ为流体粘度。

式中，ΔP为压差，流速为V，单位为m/s，△P λ为沿程压力损失。

4.2 边界条件

设变径后尺寸为原直径的100%（即不存在变径），流体阻力系数求解的边界条件是在管道出入口两侧定义一个压差，如图1所示；再根据计算结果判断流阻系数。

图1

4.3 计算结果

通过CosmosFloworks模拟导出的一组数值如表1：

阀前后压差(Pa) 100000 200000 300000 400000流量（m3/s） 8.08 11.42 13.99 16.15流速(m/s) 21.73 30.74 37.65 43.47雷诺数Re 14953525 21147423 25900237 29910439边界雷诺数Re2 19586954 19586954 19586954 19586954流阻系数 0.386 0.389 0.391 0.391

由表1可以得出，当前后压差等于2e5Pa时，流阻系数大致稳定为一个常数，取值为0.391。

5 流体流通系数计算

5.1 基础理论

5.2 边界条件

边界条件的设定与流量系数C值的设定相同，设前后差压为10MPa，设管道内壁的表面粗糙度为Ra6.3。

5.3 计算结果

经分析可得流量系数C与直径变化的关系如图2。

6 结论和展望

CosmosFloworks软件可以实现从生成网格到输出结果的一站式分析计算，可以同时设置多个配置分别运算，方便设计人员进行参数化设计，能够同时对多个相似方案进行参数对比，在计算系统管道内部的流体特性参数可以节省大量的时间和人力成本。此外该分析结果还能够被结构分析软件直接导入，利用自身的参数优化功能，辅助设计人员对管道系统进行结构与尺寸参数的优化。CosmosFloworks软件能够满足对于系统内部的管道流体的分析需求，是一种功能丰富、操作简单的CFD软件。

[1] SolidWorks公司.CosmosFloworks Fundamentals[M].2006.

[2]王福军.计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[3]叶修梓，陈超祥.SolidWorks 2005基础教程：零件与装配体[M].北京：电子工业出版社，2005.