蝶阀双弯管道流场的数值模拟.docx

蝶阀双弯管道流场的数值模拟《动力工程学报》2014年第六期1湍流模型选择基于相关文献［4－5］选择阀门角度为45°时的最大进口雷诺数工况进行湍流模型的比较和选择此时进口空气质量流量为0．381kg／s相应Re为2．39×105．采用商用计算流体力学软件AnsysCFX14．0实现流场稳态计算．基于几何模型结构的对称性并结合相关比较分析及参考文献［6］实际计算区域仅取原始模型的一半以避免计算网格数量过多带来的诸多不利．采用稳态时均和对称算法可解决具有一定非稳态效应的流动问题同时满足实际工程应用中对时均量的要求．采用ICEMCFD14．0实施混合网格划分其划分策略见图3并使近壁面网格满足y＋＜2．选取RNGk－ε（scalablewallfunction壁面函数）、standardk－ε（automaticnear－walltreat－ment壁面函数）及SST（automaticnear－walltreat－ment壁面函数）3种湍流模型［7－811］进行比较选优．流动控制方程组由可压缩流动雷诺方程、理想气体状态方程和各湍流模型方程组成［12］．空气介质按理想气体处理参考压力为97856Pa并考虑黏性耗散效应．离散方程采用有界高精度对流格式求解并通过Rhie和Chow算法计算空气质量流量以保证压力和速度耦合．在299K和5％湍流度下给定进口总压为590．01Pa给定出口空气质量流量为qm＝0．190kg／s且速度和温度分布满足局部单向化假设；阀板面用丙烯黑色颜料作涂黑处理故设置为无滑移绝热边界条件；因实验管道材料（即有机玻璃）导热系数较小故管道壁面设置为无滑移绝热边界条件；对称面（图1中平行纸面方向所取的中截面）设置为对称边界条件．分别在阀板迎、背流面及两弯管内侧附近各选定一个速度监控点残差标准设为10－5且网格无关性验证指标选择为阀板扭矩值是否随网格数增加而变化．此处扭矩表示流体对指定二维区域（这里指阀板面）作用力相对特定轴（这里指穿过阀板中心且垂直纸面的轴线）产生的力矩；对壁面边界条件而言作用力为气体压力和黏性切应力之和在所选面上的积分［11］；具体计算过程通过软件中相关函数实现．通过比较各湍流模型的扭矩计算结果在同等数量的网格下SST湍流模型更能获得与实验测量结果相符的扭矩值此时网格总数量为809万．出于篇幅考虑具体比较过程省略．2结果与分析2.1进口雷诺数的影响基于实验测量获得的阀门角度为45°下不同进口空气质量流量及其扭矩值本节通过数值模拟的方法研究进口雷诺数变化对流场的影响并将计算所得扭矩值与实验测量扭矩值进行对比验证．网格划分、边界条件等与第2节类似结果见表1．2.2阀门角度的影响基于阀门角度为45°时的最大进口雷诺数将其应用于其他阀门角度（0°、15°和30°）工况并通过数值模拟方法研究阀门角度变化对流场的影响．网格划分等与第2节相似。由表1可知数值计算获得的扭矩值与实验测量值基本相符从而在一定程度上验证了本文计算的准确性且扭矩值随进口雷诺数增大而增大．图4给出了阀门角度为45°时不同进口雷诺数下中截面阀板周围速度矢量图．由图4可知随进口雷诺数的增大中截面阀板周围速度矢量图基本一致阀门角度对流场的影响是定量而非定性的；通过其他参数分析也可得到相同结论限于篇幅不再阐述．经实际测量可得随着进口雷诺数的增大迎流面前驻点p位置几乎不变但背流面一、二次分离区（L1和L2）不断减小．前驻点x轴的坐标为－0．21d（以垂直来流方向为x轴规定x轴与阀板和管道中心线交点为坐标原点图4中向右为正、向左为负）且一次分离区再附点坐标从－0．11d变为－0．16d．定义阀板背流面因来流攻角造成的前端分离现象为一次分离区（L1）而阀板背流面与管道间通流截面扩张引起逆压梯度而造成的流动分离为二次分离区（L2）．2.2.1中截面及各剖面速度矢量图为研究阀板周围复杂的三维流动首先研究中截面及相关剖面的速度矢量图．所选4个剖面（沿来流方向依次命名为Slice－1到Slice－4）位置如图5所示对应图5中A－A、B－B、C－C和D－D视图．不同阀门角度下各剖面的速度矢量图见图6．当阀门角度为0°时均匀来流经过阀板与管道间时由于通流截面扩张缓慢逆压梯度较小因而没有发生明显的流动分离．从Slice－1可知该剖面中心线上速度矢量呈现“上部向下中部向上和下部向下”的趋势；其上、下部均向下是管道内外侧压力作用下流体质点向心运动的表现而中部向上则是阀板右侧通流截面扩张段对流动向管道外侧引导的表现；中心线向上运动的流体质点两旁是流团向中心的运动这是阀板与管道间通流截面扩张段对流体质点向中央的引导和通过阀板后通流截面增加引起流体质点横向流动的表现亦是阀板对流动阻挡作用的必然