稳压罐排水过程的数值模拟实践（基于ANSYS CFX）

说明：软件版本为ANSYS CFX 2019R3；

本文展示了稳压罐内排水的瞬态过程，分别给定出口流速为3m/s和0.3m/s，对罐体内的排水过程进行数值模拟。本文计算模型如下图所示，各关键坐标见图中所示，网格由ICEM划分结构化网格，转换为非结构网格后沿Z向拉伸，生成三维网格。边界条件：出口——流速（3m/s和0.3m/s），初始流场给定罐体内水与空气各一半（500 mm），水中压力按照静水压力给定。

出口给定3m/s时计算结果如下：

出口给定0.3m/s时计算结果如下：

通过液面变化能发现一个不同点是，随着水面降低，0.3m/s的出口流速在稳压罐右侧并未出现明显凹陷（靠近右侧的），而3m/s的出口流速在稳压罐右侧液面高度明显低于左侧。

如何解释这一现象，笔者找到这样一个参数，就是弗劳德数（符号为Fr，是水的惯性力与重力之比，是用来确定水流动态如急流、缓流的一个量纲为一的数）。当Fr=1时，即水的惯性力等于重力，水流为临界流；当Fr>1时，水流为急流，代表流速大、水流湍急的流动状态。

通过对计算结果的稳压罐水面高度高于100mm时，0.3m/s的出口流速下弗劳德数是小于1的，而3m/s的出口流速下弗劳德数是大于1的，因此按照这样的判断方式可以能够一定程度上解释两种液面变化的不同之处。

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