文丘里管與彎管水力特性的數(shù)值模擬

王嘉瑞 陳 爽 楊紅發(fā) 鐘思潔 蒲笑非 劉佳藝

(1、核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計重點實驗室，四川 成都610213 2、中國核動力研究設(shè)計院，四川 成都610213)

1 背景

文丘里管是工程應(yīng)用中的常見管件，具有結(jié)構(gòu)簡單、運行穩(wěn)定、安裝便捷等優(yōu)點，常應(yīng)用于不同介質(zhì)的流速測量和壓降調(diào)節(jié)。工程上一般可選擇節(jié)流孔、孔板、文丘里管等形式的阻力件平衡系統(tǒng)阻力，匹配泵的揚程。目前已發(fā)表的文獻中，主要研究文丘里管內(nèi)部結(jié)構(gòu)與阻力系數(shù)的關(guān)系，缺少整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究。

本文利用CFX 軟件，針對彎管前后設(shè)置文丘里管開展了數(shù)值模擬研究，分析內(nèi)部流場及水力特性的主要特點，比較文丘里管在彎管前后時節(jié)流性能的變化，為工程應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計提供經(jīng)驗。

2 文丘里管結(jié)構(gòu)

文丘里管按流通截面主要分成三部分，入口收縮區(qū)、喉部和漸擴區(qū)。當上游管道足夠長時，入口流量平穩(wěn)流向均勻，進入收縮區(qū)后受斜面影響向內(nèi)匯聚，損失部分能量后通過喉部到達漸擴區(qū)。從阻力件的設(shè)計考慮，調(diào)整收縮區(qū)的斜面角度可控制流體的能量損失。增設(shè)的阻力件要盡可能減少對下游的影響，因此設(shè)置漸擴區(qū)使流體盡可能平緩進入下游（圖1）。

圖1 文丘里管結(jié)構(gòu)示意圖

3 計算模型與邊界條件

數(shù)值模擬計算的核心區(qū)域為文丘里管段，建模時采用相同的管道和結(jié)構(gòu)參數(shù)，按照直段和彎管與文丘里管的組合構(gòu)建三維模型。模型1 中包括文丘里管及前后直管延長段，用于分析文丘里管在流場均勻時流場分布和評估無干擾狀態(tài)下文丘里管的節(jié)流效果。模型2 與模型3 用于研究文丘里管與彎管的相互影響，模型2 將文丘里管設(shè)置在彎管前，模型3 將文丘里管設(shè)置在彎管后。進出口的直管延長段都預(yù)留五倍直徑長度的管道，使流場進行充分發(fā)展便于觀測流場。在CFX 前處理時選用常溫下的水作為介質(zhì)，進口設(shè)置為質(zhì)量流量入口，出口設(shè)置為零壓力邊界，不考慮重力影響。本文選擇的邊界條件對應(yīng)管內(nèi)平均流速約1.6m/s，參考管道的流速設(shè)計標準，屬于低流速工況。

流體的流動模型由對應(yīng)雷諾數(shù)直接選取，其計算公式如下：

Re =ρvdη

其中：v 為流速，d 為水力直徑。

為了使結(jié)果具有包絡(luò)性，參考截面選擇管道截面，水力直徑為200mm。由此計算的雷諾數(shù)約106，遠大于104，屬于高雷諾數(shù)湍流區(qū)，故計算模型采用k-ε 模型。

為了保證計算的的準確性，迭代過程設(shè)置殘差精度為10-5，且在文丘里管下游的管道取3 個監(jiān)測點，當監(jiān)測點能觀測到有周期性波動時可認為計算達到收斂。

4 數(shù)值結(jié)果與分析

4.1 無關(guān)性分析

在計算前進行網(wǎng)格無關(guān)性分析。網(wǎng)格無關(guān)性采用模型1 進行計算，如下圖所示。網(wǎng)格劃分選用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，在文丘里管的變徑連接處適當加密，同時在壁面處設(shè)置邊界層網(wǎng)格。實際網(wǎng)格劃分如圖2 所示。通過調(diào)整全局網(wǎng)格系數(shù)獲得不同數(shù)量的網(wǎng)格。在相同計算條件下，分析進出口壓降隨網(wǎng)格數(shù)量變化趨勢(圖3)。

圖2 文丘里管局部網(wǎng)格

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性分析

結(jié)果表明模型1 網(wǎng)格數(shù)量變化時，進出口壓力變化幅度平穩(wěn)，最大偏差小于2%。因此文丘里管的的進出口壓降基本不隨網(wǎng)格數(shù)量變化而變化。

4.2 計算結(jié)果

本文針對于采用相同文丘里管的典型結(jié)構(gòu)進行了三維仿真，根據(jù)壓力云圖和流線圖分析文丘里管前后為直管或彎管的流動特性。總體而言，在流線不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的前提下流線基本對稱，符合計算收斂的特點。

模型1 為文丘里管及前后直管延長段，由圖4 所示，流體通過文丘里管后受慣性影響，并未立刻沿漸擴區(qū)壁面進行發(fā)散，而是朝其中一個方向發(fā)生偏移，經(jīng)過一段距離后逐漸平穩(wěn)。通過XY 平面上的切片圖對比，流體的偏轉(zhuǎn)方向是近似對稱的，并且平穩(wěn)速率較快。

圖4 模型1 壓力云圖

圖5 中文丘里管的喉部的壓力云圖分布較均勻，除喉部的倒角處壓力較低外，喉部的壁面壓力略低于中心處，沒有觀測到明顯低壓區(qū)，但在漸擴區(qū)中壓力明顯存在分界線。結(jié)合圖6流線圖判斷，流體通過文丘里管的喉部后受慣性影響向其中一個方向流出，在低壓區(qū)域形成了漩渦。

圖5 模型1 文丘里管喉部壓力云圖

圖6 模型1 文丘里管喉部壓力云圖

模型2 將文丘里管放置在90°彎管前，計算結(jié)果由圖7 所示。流體通過文丘里管后沿非對稱方向偏移，在漸擴區(qū)處形成與圖5 相似的低壓區(qū)。之后流體受向心力作用沿彎管外側(cè)流動，彎管的內(nèi)側(cè)形成第二個低壓區(qū)。

圖7 模型2 壓力云圖

結(jié)合圖8 的流線進行分析，文丘里管沿非對稱方向偏移后在出口可明顯觀測到流線帶有旋轉(zhuǎn)，文丘里管后的低壓區(qū)形成了明顯的漩渦。

圖8 模型2 流線圖

模型3 將文丘里管放置在90°彎管后，計算結(jié)果由圖9 所示。流體通過彎管后，受向心力作用沿彎管外壁面進入文丘里管，之后在漸擴區(qū)形成較大的低壓區(qū)。

圖9 模型3 壓力云圖

結(jié)合圖10 可以看出，出口處的流線基本對稱，流體通過彎管和文丘里管后本身不帶旋轉(zhuǎn)，漩渦形成的規(guī)模相較于模型1規(guī)模更大，需要更長的直段才能使流場平緩。

圖10 模型3 流線圖

上述計算采用相同的文丘里管和邊界條件，結(jié)果如表1 所示，模型1 和模型2 的文丘里管由于入口流量分布均勻，且文丘里管的壓力損失主要來自于入口的收縮區(qū)，故節(jié)流效果基本相同。而模型3 中流體受慣性作用，進入文丘里管時已經(jīng)帶有明顯偏轉(zhuǎn)，在收縮區(qū)損失較多能量，因此模型3 的節(jié)流效果最好。按照本文計算結(jié)果，損失壓降要高約40%。

表1 數(shù)值模擬計算結(jié)果

綜上分析可得，當文丘里管上游為直段時，流體能夠均勻進入文丘里管，節(jié)流效果基本是相同的，不受下游結(jié)構(gòu)影響，且通過文丘里管后流體一定會產(chǎn)生漩渦，需要較長直段進行平緩。文丘里管下游為彎管時，漩渦在文丘里管的漸擴區(qū)與彎管的內(nèi)側(cè)，出口流場還帶有一定的旋轉(zhuǎn)。同樣，當文丘里管下游為直段時，在漸擴區(qū)形成的漩渦具有對稱性，流場未觀測到明顯的旋轉(zhuǎn)。與上游圍直段相比，當文丘里管上游為彎管時，損失的壓降會更高，實際損失數(shù)值與流體的流速，彎管的角度等參數(shù)有關(guān)。

4.3 結(jié)論

通過對文丘里管的典型布置結(jié)構(gòu)進行研究分析，可獲得如下結(jié)論：

4.3.1 若采用文丘里管作為阻力件，無論上下游是否存在彎管，文丘里管的下游總會形成明顯漩渦，設(shè)計上應(yīng)保留一定直管段使流體充分發(fā)展，減少漩渦對下游設(shè)備的影響。

4.3.2 相同的文丘里管設(shè)置在彎管后比設(shè)置在彎管前具有更好的節(jié)流降壓性能，其壓力損失與入口流場是否均勻有關(guān)，與下游的管道為直段或者彎管無關(guān)，當入口流場偏移角度越大時，文丘里管的壓降就越高。

4.3.3 若文丘里管設(shè)在彎管前，雖然管道結(jié)構(gòu)對稱，但下游可觀測到流體產(chǎn)生明顯的旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的原因可能是非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格在計算中產(chǎn)生的擾動，也可能是文丘里管自身設(shè)計導(dǎo)致，需要進一步研究。