一个不合理的管路设计实例分析
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本案例来自于一个工程改造实例，其中涉及到一些流体力学问题。如下图所示，该管路的基本功能是水蒸气和CH4分别从各自入口进入管道后混合。处于某个原因，需要改变水蒸气的入口方向，受限于现场空间，水蒸气需要从转弯处（90°弯头）连入。由于流动不稳定，水蒸气可能会存在较大的流量波动，这可能造成出口的CH4体积分数发生较大 波动（CH4上游总压已知且稳定），恰恰这又是现场不愿意看到的。首先，从管路内介质流向分析，改造后的管路对于稳定出口的CH4浓度是更为不利的，因为CH4和水蒸气在管路内面对面相遇，显然对于CH4的流动阻力更大。在很早以前，我们也做过一个相似的问题案例，感兴趣的读者可以点击文末阅读原文查看相关内容。今天，我们针对这个新的问题做一个模拟演示。 我们分别建立上述两个管路的模型，为减少计算量，采用二维平面模型，划分四边形网格。 这里关键的一个设置可参考之前的案例，我们认为水蒸气的上游压力远远高于CH4入口压力，故要将CH4入口设定为压力入口，并确定总压1000Pa； 将水蒸气入口设定为速度入口，采用profile来定义速度和时间的关系（如下），这段代码定义了某个时刻开始，在0.5s内，水蒸气速度从2m/s迅速上升到一个较大的值比如20m/或者40m/s，又在0.5s内恢复到2m/s，这个过程标准了水蒸气流量波动或者压力波动。这里我们需要先以初始速度2m/s跑1s（也可以更久），为的是获得初始的稳态速度场和浓度场。((velocity transient 5 1)(time 0 1 1.5 2 3)(u 2 2 40 2 2))
创建一个监视器，用来监测出口的CH4体积分数随时间的变化情况。 水蒸气的速度波动峰值为20m/s时，出口的CH4体积分数随时间的变化曲线如下图，可以看出，改造管路后，在速度波动峰值时的出口CH4体积分数比改造前降低了约5%左右。 水蒸气的速度波动峰值为40m/s时，出口的CH4体积分数随时间的变化曲线如下图，可以看出，改造管路后，在速度波动峰值前后时间内的出口CH4体积分数为0，也就是说在速度波动峰值小于40m/s的某个值开始，管路就可以短时间内完全堵塞CH4，在数值计算中表现为压力入口100%出现回流。 从上述结果可以看出，改造后的管路增加了CH4的流入阻力，出口CH4体积分数的减小程度对改造后的管路更为敏感。总体来说，这个管路改造是不合理的。
