收稿日期:2003-03-24;修改稿收到日期:2 00 3-10-27.
基金项目:上海市教育委员会自然科学一般项目基金
(04LB06);上海市教委电厂热能动力与环境工
程重点(培育)学科经费资助项目 .
作者简介:陈金娥 (1941-),女, 教 授 .
第22卷第1期
2005 年 2 月
计算力学学报
Chinese Journal of Computational M echanics
Vol
.22,
No
.1
February
2005
文章编号:1007-4708(2005)01-0115-06
剧变截面圆管内渗流的数值计算方法
陈金娥
(上海电力学院 动力工程系,上海 200090)
摘 要:对于剧变截面圆管的渗流问题写出不可压缩渗流的基本方程组,对直接求解原始变量(速度和压力)的
数值计算方法作出改进。先由非主流方向的运动方程计算压力,后由主流方向的运动方程计算主流方向的速度
分量,再由连续性方程计算非主流方向的速度分量。这样可以避免在一般的求解原始变量方法中由连续性方程
计算压力时出现的困难和麻烦。根据本方法和剧变截面圆管的特点,采用半交错不等距非正交贴体混合网格系。
本文详细写出差分方程和迭代计算公式,对剧变截面圆管内的渗流算例进行数值计算。本方法的优点是简单和
实用,在工程上具有较大的应用价值。
关键词:渗流;不可压缩流动;剧变截面圆管;数值计算
中图分类号:
O
357.3 文献标识码:
A
1 引 言
在许多工程实际应用中,广泛存在着流体通过
管道系统和各种容器或设备的流动问题。当流体在
带有容器或设备的管道系统中流动时,不仅涉及到
流体在等截面管道中的流动问题,也还会涉及到流
体在非等截面管段中的流动问题,甚至还会涉及到
截面积变化很剧烈的管段中的流动问题。例如,在
流体从进口管道流入容器和流体从容器流至出口
管道的情况,在进口管道与容器的连接处以及容器
与出口管道的连接处都存在着一个截面积变化很
剧烈的管段,本文称此为剧变截面管段。
在某些工程应用中,需要在容器或设备中放置
一个由许多微小颗粒的固体物质所构成的多孔介
质区域,当流体流过此多孔介质区域时,就能达到
工程上的某种要求。例如,在水的净化设备中,当水
通过由净化剂介质所构成的多孔介质区域时,就能
达到水的净化目的
[1 ]
。又如,在催化反应器中,当
待反应的混合流体通过由催化剂介质所构成的多
孔介质区域时,就能达到混合流体间发生催化反应
的目的
[2]
。因此,在工程应用中存在着许多关于流
体在多孔介质区域中的渗流问题。实践表明,研究
流体在多孔介质区域中的渗流现象、渗流特性和数
值计算方法在工程中具有很大的应用价值。流体在
等 截面管道内多孔介质中的渗流问题已有不少研
究成果,本文则打算进一步对剧变截面圆管内多孔
介质中的渗流问题进行分析与数值计算,从而掌握
剧变截面圆管内渗流的特性。
2 渗流基本方程组
根据工程应用的实际情况,一般可以作如下基
本假设:
(1) 流体在多孔介质中作不可压缩定常流动。
(2) 流体在剧变截面圆管内作轴对称定常流
动。
(3) 多孔介质看作为是均匀和各向同性的。
于是,可以写出不可压缩流体在均匀各向同性
的多孔介质中作轴对称定常流动时的渗流基本方
程组
[3 ,4]
如下:
连续性方程
·V =0 (1)
其中 V 为流体的流动速度。
运动方程
(V· )V = f
g
-
1
ρ
p +
μ
e
ρ
2
V - f
p
(2)
其中 f
g
为流体的重力,ρ为流体的密度,p 为流体
的压力,μ
e
为流体的有效粘度,f
p
为流体的渗透阻
力
[3 ]
。显然,在渗流的运动方程(2) 中比一般流体
力学的 N avier-Stokes 方程多了最后一项,即渗透
阻力项 f
p
。
关于流体的渗透阻力 f
p
,可以利用理论分析
和实验研究相结合的方法得到一些半理论半经验
的表示式。渗透阻力的具体表示式可以参见文献