整流器內(nèi)部流場的數(shù)值模擬研究*

王菊芬

(空軍油料研究所，北京 100076)

0 引言

通常，流量計的標定都是在充分發(fā)展流態(tài)下進行的。然而測量環(huán)境中各種管線配件產(chǎn)生的流體干擾，如漩渦流、扁平流和非對稱流，嚴重影響流量計的測量精度。由于安裝空間受限，往往難以提供足夠長的直管段以形成充分發(fā)展流，而加裝整流器是一個有效的解決辦法。

整流器由于造價便宜，安裝方便，整流效果顯著，在流量測量中得到了廣泛的應(yīng)用。各國學者也進行了較為系統(tǒng)的理論和實驗研究[1-9]。隨著計算流體動力學的發(fā)展，數(shù)值計算方法逐漸應(yīng)用于整流器的研究中[10-13]，以代替部分實驗，節(jié)省研究成本。目前，國內(nèi)關(guān)于此問題的研究相對較少。

筆者對整流器的數(shù)值模擬進行了研究。利用數(shù)值計算手段分別研究了Laws整流器和NEL整流器的內(nèi)部流場，流體干擾源為不在同一平面內(nèi)的雙彎頭；并利用文獻[3]中的實驗結(jié)果對數(shù)值計算結(jié)果的有效性進行驗證。

1 數(shù)值計算模型

整流器內(nèi)部流場的基本控制方程組為連續(xù)性方程：

(1)

和N-S運動方程：

(2)

由于雷諾應(yīng)力的引入，基本控制方程組需結(jié)合紊流模型方程構(gòu)成封閉方程組。整流器的數(shù)值模擬中，紊流模型選用標準k-ε雙方程模型的有效性已得到證實[13]。文中，模型方程中相關(guān)系數(shù)取值分別為：Cμ=0.09，C1=1.44，C2=1.92，σk=1.0，σε=1.3。

考慮到固體壁面區(qū)域，雷諾數(shù)較低，紊流發(fā)展不充分，特別是粘性底層，流動幾乎是層流，紊流切應(yīng)力也就不起作用，故在近壁點采用壁面函數(shù)法來改善近壁區(qū)域的計算結(jié)果。

為了提高計算精度，空間方向上采用二階迎風格式離散所有的控制方程，同時選用SIMPLE算法作為壓力-速度耦合算法；時間方向上采用二階時間步進格式來進行時間離散。

至于計算區(qū)域的邊界條件，確定如下：進口為圓管紊流充分發(fā)展流速分布，凡與流體相接觸的所有固體界面上采用無滑移固體壁面條件，出口給定靜壓。

2 計算結(jié)果與分析

圖1 Laws整流器下游軸向流速分布

主要對Laws整流器和NEL 整流器的數(shù)值模擬進行了研究，它們的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，表中參數(shù)D為管道的直徑。計算中涉及到的所有參數(shù)值同文獻[3]中的實驗，即流體干擾由不在同一平面內(nèi)的雙彎頭所產(chǎn)生，整流器布置在離第二個彎頭4D距離處，計算介質(zhì)為水，圓管直徑D為102.6mm，流量為40L/s。雙彎頭后直管段的長度為50D。需要解釋的是，文獻[3]的實驗系統(tǒng)中，雙彎頭前為77D長的直管段，而且離雙彎頭27D處布置了MHI整流器，以保證進入雙彎頭前的流體為充分發(fā)展流。故在數(shù)值模擬中，雙彎頭前設(shè)置了5D長的直管段，同時考慮到文獻[3]中提供的5%速度容許差上限的最大值約為1.24倍管截面平均流速，下限的最大值約為1.13倍管截面平均流速，故進口流速設(shè)為符合1/8.5律分布的充分發(fā)展流。

圖2 NEL整流器下游軸向流速分布

劃分網(wǎng)格時，整流器及其前、后1D管段內(nèi)采用四面體網(wǎng)格劃分，計算區(qū)域的其他部分則采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。以Laws整流器為例，整個計算區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格總數(shù)為195萬。

圖1為Laws整流器下游不同管段處軸向流速的計算值和實驗值的比較，分別取了水平面和垂直面兩個面進行比較，其中左邊為計算值，右邊為實驗值。圖中橫坐標y/D表示的是所取面上某一點到軸心的距離與管道直徑的比值，縱坐標u/U表示的是所取截面上某一點的流速與管截面平均流速的比值。從圖1可以看到，計算結(jié)果所反映的整流器下游軸向流速的發(fā)展規(guī)律和實驗結(jié)果所反映的比較相吻合，而且垂直面上計算值和實驗值相當吻合，但是水平面上計算結(jié)果得到的軸向流速剖面要略比實驗結(jié)果得到的軸向流速剖面“扁平”，靠近管壁處，計算值大于實驗值，靠近管線中心，計算值小于實驗值。

圖2為NEL整流器的計算值和實驗值的比較。從圖中可以看到，計算值和實驗值相差并不大，但是計算值并沒有刻畫出實驗值所顯示的非對稱分布。和前面對Laws 計算結(jié)果一樣，計算得到的軸向流速剖面要比實驗結(jié)果顯示的軸向流速剖面“扁平”。估計造成上述計算誤差的主要原因是網(wǎng)格劃分得不夠細。從該圖中同時可以看到，和實驗結(jié)果一樣，計算結(jié)果顯示在整流器下游6D后，軸向流速分布滿足5%速度容許誤差。

表1被研究整流器的相關(guān)參數(shù)值

3 結(jié)論

本文利用數(shù)值計算方法對文獻[3]中有關(guān)Laws整流器和NEL整流器的實驗進行了計算，所得到的計算結(jié)果和該文獻提供的實驗結(jié)果基本上相吻合。這說明了數(shù)值計算方法可應(yīng)用于整流器的優(yōu)化設(shè)計，以節(jié)省研究成本，加快研究進程。

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