CFA算例验证(2)— 层流管路压降

根据流体力学原理,由于流体的粘性,流体在管路中流动时,会与管壁发生摩擦而导致压力损失,越靠近管壁的流速越慢,直至减少到零,管路中心的流体具有最大速度,当流动发展为层流时,这种速度会呈现一个抛物线的分布如下图所示,同时压力会随着管路的长度出现一个线性的降低。

这种层流也被称为泊肃叶流(Poiseuille flow),其压力降可由以下公式求得

其中μ为流体的粘度(viscosity),L是管路的长度,Q是体积流量,R为管路的半径。如果已知流体的平均速度V,则Q = VA = VπR^2。带入上面公式可以改写为下面的形式:

ΔP=8μLV/R^2

现已知一圆管半径为1.25mm,长度为100mm, 流体的平均速度为2m/s,流体的粘度为1×10-5 Pa-s,试求该流体在管路中流动时的压力降。

带入上面公式可以求得

ΔP = 8*1×10-5 *0.1*2/0.00125^2= 10.24Pa

下面开始CFA的验证模拟。在Creo中建立以下模型,直径为2.5mm,长度100mm。

在菜单中选择CAD模型作为流体域。

在材料中新建材料,将粘度设为1×10^-5。

在“物理模型“中,因为预设该流动为层流,只选择”flow”模块。

入口边界条件为速度入口,速度为2m/s, 方法为垂直于边界。

同样设置出口边界条件为速度出口,大小也为2m/s,这是因为根据流量不变原理,如果管径大小没有发生变化,管子里面各点的流速是一样的(V1A1 = V2A2)。

因为模型相对简单,在Flow中将收敛精度调高到1×10^5。

主视图自动更新模型如下:

网格采用绝对值Absolute,最大网格尺寸设为0.1mm。

在左边菜单栏中选择流体域,打开网格开关,检视生成的网格。

在后处理中新建一个入口和出口的压力xyPlot。

点击运行按钮运行模拟。

收敛曲线:

入口端压力:21.637Pa

出口端压力:9.8Pa

总管路压力降为: 21.637-9.8 = 11.84Pa

结果理论计算实际模拟%差别
压力降(Pa)10.2411.8415

总体的速度云图:

入口处的速度云图:

完全发展的层流速度云图,可以看到中间的速度最大为4m/s,靠近管壁的速度为0。

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