文丘里管水力空化现象的CFD模拟

文丘里管水力空化现象的CFD模拟王常斌;王敏;于远洋;王磊;魏巍【摘要】针对文丘里管的水力空化现象，采用FLUENT软件进行数值模拟，通过模 拟不同入口压力下文丘里管的空化现象，分析出湍动能和汽含率的分布情况,再模拟 不同喉部直径和不同扩散段长度对于水力空化现象的影响.结果证明:出口压力一定 时增大入口压力可增强空化效果，且下游恢复压力越小；喉部直径越小，空化效应越 强烈；并且增加扩散段长度可以强化空化现象.以上研究对于工程实际均具有重要 的意义和作用.【期刊名称】管道技术与设备 【年(卷)，期】2013(000)001 【总页数】3页(P10-12) 【关键词】水力空化;文丘里管;数值模拟 【作者】王常斌;王敏;于远洋;王磊;魏巍【作者单位】东北石油大学，黑龙江大庆163318;东北石油大学，黑龙江大庆 163318;大庆市红岗区人民政府办公室，黑龙江大庆163511;东北石油大学，黑龙江 大庆163318;东北石油大学，黑龙江大庆163318 【正文语种】中文【中图分类】TE80引言 文丘里管广泛用于石油、化工、冶金、电力等行业的大管径流体控制与计量。为了 工程实际中更加准确地使用文丘里管和精确地测算流量，对于文丘里管测算的影响 因素的研究是十分必要的。但是，文丘里管在使用时空化现象十分明显，这对于它 的测量结果有很大影响，所以对文丘里管空化现象影响因素进行研究。空化即由于 液体中的局部低压使液体汽化，从而弓I起的空泡产生、长大和溃灭的整个过程。目 前，国内夕卜许多学者都对水利空化现象进行了大量的理论分析、实验研究和数值计 算。例如，针对气泡在文丘里管中运动的动力学研究，对单个和两个气泡在文丘里 管中运动和溃灭行为进行了理论描述1。杨会中也对水利空化强化效应进行了实 验研究2。王智勇等计算了文丘里管内空化区的空化数，并研究了文丘里管的结 构形式对空化效果影响3。文中对文丘里管的不同入口压力、不同喉部直径和不 同扩散段长度进行模拟，得出了相应结论。这对于文丘里管的研究具有十分重要的 作用。1模型建立及边界条件1.1物理模型的建立及参数选取模拟时采用的物理模型尺寸如下:管路直径为12 cm，进口渐缩段长度为15 cm , 出口渐扩段长度25 cm，喉部直径为2 cm，喉部长度为10 cm，入口及出口锥角 均为18°。模拟实验的物理模型如图1所示。图1文丘里管的物理模型1.2数学模型的建立文丘里管里的水流流动可视为不可压缩的稳定流动，符合质量和动量守恒定律，因 此其基本控制方程由连续性方程和Navier-Stokes方程等构成，连续性方程为式中:u、v、w分别为速度矢量(U)在x、y、z方向的分量，m/s.Navier-Stokes 方程为式中:P为水的密度，kg/m;p为水的动力黏度系数，Pas;t为时间，s;U为速度矢 量，m/s;p为流体微元体上的压力，Pa;Fx、Fy、Fz分别为单位体积上质量力在x、 y、z方向的分量，N.若质量力只有重力，且z轴竖直向上，则Fx=0 , Fy=0 , Fz=- pg.1.3边界条件的建立边界条件的建立在FLUENT模拟过程中尤为重要。设置模拟的边界条件如表1所 示。表1模拟的边界条件进口压力/MPa进口温度/K出口压力/MPa出口温度/K 0.5300 0.1 3002数值模拟利用FLUENT软件模拟空化现象采用分离求解器，显式线性化格式，物理模型选 取多相流模型中的混合模型(mixture)，在低压区引入空化模型(cavitation)，湍流 模型用标准k-8模型。压力速度耦合方式选用SIMPLE方法，压力插值格式采用线 性插值格式，对流项的离散格式选用一阶迎风格式。图2为文丘里管内压力的分 布。图2中，数字单位为Pa.图2文丘里管的压力分布从图2中可以明显得出，压力最低区域发生在喉部偏下游且近壁面部位，随着渐 扩段的加长，压力迅速回升。2.1不同入口压力下湍动能k和汽含率av分布形式分别进行入口压力为0.5 MPa、0.8 MPa和1.0 MPa下的文丘里管模拟，得到如 图3所示的不同入口压力下文丘里管内部的压力等值线图。图3不同入口压力下的压力等值线图由图3可见，不同入口压力下的文丘里管内部压力的分布趋势是相同的，入口压 力越大，下游恢复压力越小。但是文丘里管的收缩段使流体加速导致压力的急剧下 降，使喉部低于入口的静压值。而扩张段使流体减速，所以压力又快速上升，使流 体能尽快在离开出口时恢复到原来入口的条件，减少动能损失。由于压力小于蒸汽 压时形成空化，所以喉部的压力达到最低。在文丘里管的扩张段压力开始逐渐上升， 但最终的压力值小于初始压力，这主要是空化泡的溃灭耗散能量所导致的。并且从 图中可以明显表现出，入口压力越大，喉部附近压力越低，因此空化现象也就越明 显。在空化现象中，湍动能和汽含率是空化程度描述的2个重要参数，流场中有空化 现象发生时，流场会出现强烈扰动，湍动能急剧增加，湍动能的变化幅度体现了空 化强度的强弱。图4为不同入口压力下文丘里管中空化流场的湍动能分布图。图4不同入口压力下的湍动能分布如图4所示，湍动能产生的位置与空化现象产生的位置大致相同。并且，在突扩 段和突缩段附近湍动能快速增加，达到2个峰值，这是因为在这2个位置的湍动 比较厉害。在喉部附近，湍动能是在极短的时间有较大的变化，更加证明了空化就 发生在这一区域。而且，随着压力的增大，湍动的效果更加明显。因此，空化现象 也就越明显。汽含率即在汽相和液相中汽相所占的体积分数，其定义式如下：式中:vg为气体在两相中所占据的体积;vl为液体在两相中所占据的体积。空化现象产生实质就是气泡的产生、发展和溃灭过程，所以这一过程对于汽含率的 研究是必要的。图5为不同入口压力下文丘里管内汽含率的变化曲线。图5不同入口压力下汽含率的变化曲线从图5中可看出，随着压力增大，汽含率也不断上升，并且气泡延续的时间较长。 汽含率的峰值分别出现在文丘里管喉部的缩口段和扩口段附近。而且扩口段处远大 于缩口段的峰值，这说明此模型中扩口段的空化现象比较明显，因为空化初始生成 时应该出现在有压力下降和速度突增的地方。也就是说扩口段的压力和速度变化比 较明显。2.2不同喉部直径对空化强度的影响在其他参数不变的条件下，讨论文丘里管喉部直径变化对空化循环频率和平均空化 体积的影响，即改变喉部直径对模拟结果的影响。取喉部直径分别为4 mm、5 mm、6 mm、7 mm、8 mm，模拟结果如图6所示。图6喉部直径与空化率和空化体积的关系由图6可知，当喉部直径增大时，空化循环频率减小，平均空化体积增大。由于 空泡在喉部末端产生，然后随主流一起运动，因此随着喉部直径增大，产生的空泡 数量增多，使得平均空化体积增大，空化循环历时加长即循环频率减小。喉部直径 越小，空化数越低，核心区汽含率越高，即空化效应越强烈。2.3不同扩散段长度对空化强度的影响下面讨论文丘里管扩散段长度对模拟结果的影响。其他参数保持不变，取扩散段长 度分别为 60 mm、90 mm、120 mm、150 mm、180 mm、210 mm，模拟结 果见图7。图7扩散段长度与空化率和空化体积的关系由图7可知，空化循环频率随扩散段长度增加而减小，平均空化体积随扩散段长 度增加而增大。当扩散段长度增加时，文丘里管内压力梯度降低，空泡随主流一起 运动的范围增大，从而导致循环频率减小和平均空化体积增大。由于扩散段长度增 大，压力恢复较慢，空泡受压溃灭的程度小，空泡寿命相对较长，空泡得以生长、 蔓延，对下游区域的影响扩大，这说明增加扩散段长度可以强化空化现象。3结束语(1) 在FLUENT中，可以采用标准k-8模型和空泡动力学模型对喷口和文丘里管中 的水力空化进行数值模拟，这表明文中模型的合理性和算法的适用性；(2) 液体中压力场的作用是产生空化现象的必要条件，在其他条件保持不变的情况 下，入口压力越大，空化强度越高，湍动能变化越明显，汽含率值越高，且下游恢 复压力越小；其他参数保持不变时，喉部直径越小，空化数越低，核心区汽含率越高，空化 效应越强烈。并且增加扩散段长度可以强化空化现象。参考文献：1蔡悦斌，鲁传敬，何友声.瞬态空化泡的成长与溃灭.水动力学研究与进展，1995，10(6):653-660.2杨会中.水利空化强化效应实验研究:学位论文.大连:大连理工大学，2006.3王智勇，张晓冬，杨会中.文丘里管中空化流场的数值模拟.计算机与应用化学， 2006，23(10):939-942.