FLUENT缓冲罐简单案例

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1 前言

在液压流体系统中，常常有个设备叫缓冲罐，在高压系统中也叫蓄能器，可以用来缓解管道设备中的脉动，如流量脉动、压力脉动。缓冲罐有两种，一种是空罐子，罐内有一部分是气体，靠气体的可压缩性来缓冲脉动；另一种是外加了一定压力的气体（通常是氮气）阻封，通常带有柔性部件。今天，我们针对第一种缓冲罐，基于FLUENT的VOF两相流模型做一个简单案例。

2 建模

建立一个长500m，内径10mm的二维平面管道，在中间位置设置了一个50mm×50mm的缓冲罐，通过内径10mm的管道连接到主管道中。

管道中的介质为常温水，流速为2m/s，缓冲罐的气体为空气。

3 设置

启动VOF模型，主相为水，次相为空气，暂不考虑表面应力。

采用标准k-e湍流模型。

将空气的密度模型设置为理想气体，其他属性默认。

设置入口为速度边界，速度2m/s，组分全部为水。

设置出口为压力边界，背压0Pa，回流组分全部为空气。

初始化整个流场，并将主管道的空气patch成0亦即管道内全部为水，轴向速度patch成2m/s赋予初始流速。

所有壁面的热边界为绝热。

设置一个监视器，监测缓冲罐中心的压力变化。

设置一个动画，显示气液两相的流动情况。

瞬态计算，时间步长设置为0.0001s。

4 结果

缓冲罐中心的压力随时间变化如下，最终平稳趋于654Pa。

平稳状态时，压力分布如下，缓冲罐的压力和连接处的压力基本一致。

平稳状态时，速度分布如下，主管道流速2m/s，缓冲罐和连接管的介质几乎静止。

平稳状态时，温度分布如下，可以看到由于缓冲罐内的空气被一定程度压缩，其温度发生了略微上升。

我们再看一下缓冲罐中心的压力和连接口的压力情况，分别为654Pa和691.3Pa。

气相和液相的流动过程如下，可以看到气液交界面处在一定的波动状态中。

连接口高出的压力为水位上升产生的压头，为37.3Pa，对应的水位高度应该为3.81mm（37.3÷998.2÷9.81=0.00381m），由于流动气液交界面的波动，难以准确从相分布图中获取连接管液面高度。可以采用简介的方法获得一个等效的液位高度，初始状态液位高度为0，此时计算域内的水体积为0.5×0.01=0.005m³，平稳状态下，计算域的水体积为0.0050376 m³，因此水体积增加了0.0000376 m³，折算到连接管的液位高度为3.76mm（0.0000376÷0.01=0.00376m），与理论计算偏差为1.32%。