穩壓罐排水過程數值模擬(ANSYS CFX)

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說明:軟件版本為ANSYS CFX 2019R3;

本文展示了穩壓罐內排水的瞬態過程,分別給定出口流速為3m/s和0.3m/s,對罐體內的排水過程進行數值模擬。本文計算模型如下圖所示,各關鍵坐標見圖中所示,網格由ICEM劃分結構化網格,轉換為非結構網格后沿Z向拉伸,生成三維網格。邊界條件:出口——流速(3m/s和0.3m/s),初始流場給定罐體內水與空氣各一半(500 mm),水中壓力按照靜水壓力給定。

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出口給定3m/s時計算結果如下:

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穩壓罐排水過程數值模擬(ANSYS CFX)的圖4

出口給定0.3m/s時計算結果如下:穩壓罐排水過程數值模擬(ANSYS CFX)的圖5穩壓罐排水過程數值模擬(ANSYS CFX)的圖6

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穩壓罐排水過程數值模擬(ANSYS CFX)的圖8

通過液面變化能發現一個不同點是,隨著水面降低,0.3m/s的出口流速在穩壓罐右側并未出現明顯凹陷(靠近右側的),而3m/s的出口流速在穩壓罐右側液面高度明顯低于左側。

如何解釋這一現象,筆者找到這樣一個參數,就是弗勞德數(符號為Fr,是水的慣性力與重力之比,是用來確定水流動態如急流、緩流的一個量綱為一的數)。當Fr=1時,即水的慣性力等于重力,水流為臨界流;當Fr>1時,水流為急流,代表流速大、水流湍急的流動狀態。

通過對計算結果的穩壓罐水面高度高于100mm時,0.3m/s的出口流速下弗勞德數是小于1的,而3m/s的出口流速下弗勞德數是大于1的,因此按照這樣的判斷方式可以能夠一定程度上解釋兩種液面變化的不同之處。

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