基于Fluent 的流場(chǎng)分析在穩(wěn)壓罐設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

樊亞明，翁國(guó)華，岳 堅(jiān)，范志宏

(1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093;2.上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院，上海 200233)

隨著我國(guó)計(jì)量科學(xué)的發(fā)展，人們對(duì)流量計(jì)量［1］的精度提出了更高的要求。除了現(xiàn)場(chǎng)的計(jì)量條件和流量?jī)x表自身的性能因素之外，計(jì)量精度較大程度上取決于流量標(biāo)準(zhǔn)裝置［2］，而裝置的流量穩(wěn)定性是其中一個(gè)重要的性能指標(biāo)。國(guó)內(nèi)外高水平的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置普遍采用水塔溢流法穩(wěn)壓，然而由于水塔建造成本高，占地面積大和壓力水頭有限等因素，變頻加穩(wěn)壓罐的方法被越來(lái)越多的人所認(rèn)可。在穩(wěn)壓罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可通過理論分析的方法來(lái)確定各個(gè)參數(shù)并建立模型，但穩(wěn)壓罐的穩(wěn)壓性能只有通過大量的物理試驗(yàn)來(lái)測(cè)定。

隨著計(jì)算流體力學(xué)(CFD)［3］的發(fā)展，其與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相結(jié)合的趨勢(shì)已成必然，CFD 技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到完全可分析三維粘性湍流及漩渦運(yùn)動(dòng)等復(fù)雜問題的程度，過去一些主要借助于基本理論分析和物理模型試驗(yàn)的問題，均可借助CFD 手段在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。文中介紹了穩(wěn)壓罐的結(jié)構(gòu)、流體分析軟件Fluent 的特點(diǎn)和穩(wěn)壓罐設(shè)計(jì)流程，提出了流場(chǎng)分析在穩(wěn)壓罐設(shè)計(jì)中應(yīng)用的方法。通過實(shí)例建立穩(wěn)壓罐的模型，然后使用Fluent 對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并監(jiān)測(cè)出口的流量穩(wěn)定度從而說明穩(wěn)壓罐的穩(wěn)壓性能。

1 穩(wěn)壓罐結(jié)構(gòu)、Fluent 軟件特點(diǎn)和設(shè)計(jì)

1.1 穩(wěn)壓罐的結(jié)構(gòu)

穩(wěn)壓罐是利用罐內(nèi)的隔板和氣室空間的空氣壓縮性來(lái)減小流量波動(dòng)的一種裝置［4］。如圖1 所示，其內(nèi)部有一個(gè)豎隔板和3 個(gè)橫隔板，豎隔板把穩(wěn)壓罐分為進(jìn)水腔和出水腔，橫隔板上有許多圓孔。罐前的水泵將水流通過脈動(dòng)的形式打入罐內(nèi)進(jìn)水腔，水進(jìn)入穩(wěn)壓罐之后受豎隔板的緩沖阻隔上下流動(dòng)，再經(jīng)過橫隔板與壓縮空氣的作用，紊流強(qiáng)度進(jìn)一步減小，進(jìn)入出水腔后以溢流的方式流入直管道。橫隔板上的圓孔還可以消除水流中的氣泡，減小氣泡對(duì)流量的影響。

圖1 穩(wěn)壓罐剖面圖

1.2 Fluent 軟件的特點(diǎn)

Fluent 是目前國(guó)際上比較流行的商用CFD 軟件包，其基于CFD 軟件群的思想，從用戶的需求角度出發(fā)，針對(duì)各種復(fù)雜的流動(dòng)和物理現(xiàn)象，采用不同的數(shù)值方法和離散格式，在特定的領(lǐng)域內(nèi)使計(jì)算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達(dá)到最佳組合，從而可高效地解決各領(lǐng)域復(fù)雜流動(dòng)的計(jì)算問題［5］。Fluent 軟件包括用于生成網(wǎng)格的前處理器，用于計(jì)算的求解器和用于數(shù)據(jù)處理、可視化的后處理器。

1.3 穩(wěn)壓罐設(shè)計(jì)流程

在傳統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì)過程中，通常需要制造出穩(wěn)壓罐的物理模型，通過大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)分析其出口的穩(wěn)壓性能是否符合設(shè)計(jì)要求。若不符合要求則需更改理論計(jì)算中的參數(shù)，修改模型并重新試驗(yàn)，如此往復(fù)直到其符合設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)流程如圖2 所示。這種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法成本昂貴，耗費(fèi)時(shí)間和人力，并且對(duì)于復(fù)雜問題無(wú)法作分析解。鑒于此，提出了理論計(jì)算與計(jì)算流體力學(xué)相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)流程如圖3 所示。

圖2 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

圖3 與CFD 相結(jié)合的設(shè)計(jì)框圖

2 穩(wěn)壓罐模型

2.1 穩(wěn)壓罐的計(jì)算域模型

現(xiàn)有小型水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置穩(wěn)壓罐設(shè)計(jì)要求如下:進(jìn)出水管直徑d=20 mm，最大流量qmax=4.8 m3/h，罐內(nèi)最大壓力pmax=0.5 Mpa，其壓力波動(dòng)δp?0.1%，流出隔板的速度v?0.16 m/s，有效流通面積為10s進(jìn)水管，水位高度h ＞10d，出口流量穩(wěn)定度0.1%～0.2%。

根據(jù)試驗(yàn)分析［6］可知，當(dāng)豎隔板與穩(wěn)壓罐進(jìn)水端面之間的距離為1/3 罐直徑時(shí)，出水管的流量最穩(wěn)定，穩(wěn)壓罐封頭采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，通過流體力學(xué)理論［7－9］計(jì)算，可得到穩(wěn)壓罐的各個(gè)重要參數(shù)。由于模型比較復(fù)雜和Gambit 建模的缺陷，所以使用Solidworks 建立其計(jì)算域模型，如圖4 所示。

圖4 穩(wěn)壓罐計(jì)算域模型

其中，穩(wěn)壓罐直徑D=215 mm，高度h=430 mm，豎隔板高度h1=288 mm，3 個(gè)橫隔板在豎隔板頂端與進(jìn)水管中心線之間平均分布，橫隔板上圓孔直徑從上往下分別5 mm，8 mm 和10 mm，圓孔按順排方式布置，其間距分別為8 mm，13 mm，16 mm，氣室空間容積為0.021 23 m3。

2.2 穩(wěn)壓罐的數(shù)學(xué)模型

穩(wěn)壓罐內(nèi)上部是壓縮空氣，下部是水，氣液分界面為自由界面，這種自由層流動(dòng)的形式適合采用VOF 模型［10］。所以，選擇VOF 模型進(jìn)行流場(chǎng)的數(shù)值模擬。

穩(wěn)壓罐入口最大流速為4.25 m/s，根據(jù)雷諾數(shù)方程

式中，υ 是水的運(yùn)動(dòng)粘度為1.737×10－6m2/s，U 是進(jìn)水管最大流速，L 是進(jìn)水管直徑。

由于式(1)中雷諾數(shù)48 935 ＞2 000，因此選擇湍流模型。在工程中常用的湍流模型是k－ε 雙方程模型，通過比較發(fā)現(xiàn)，模RNGk－ε 型的數(shù)值模擬結(jié)果更接近，而標(biāo)準(zhǔn)k－ε 模型的偏差較大且更難收斂。所以，選擇RNGk－ε 模型作為流場(chǎng)仿真的湍流模型。

3 Fluent 流場(chǎng)分析

3.1 劃分網(wǎng)格

建立好穩(wěn)壓罐的計(jì)算域模型之后，導(dǎo)入Gambit 中劃分網(wǎng)格。如圖5 所示，流動(dòng)方向與網(wǎng)格線方向一致，為了提高數(shù)值模擬結(jié)果的穩(wěn)定性和加快迭代收斂，將穩(wěn)壓罐網(wǎng)格進(jìn)行區(qū)域劃分，在封頭和橫隔板部分使用非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，在其他部分采用結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，并對(duì)橫隔板圓孔部分進(jìn)行加密。

圖5 穩(wěn)壓罐網(wǎng)格劃分

3.2 邊界條件

3.3 其他設(shè)置

為提高解的穩(wěn)定性，將可壓縮的空氣設(shè)置為主相，將不可壓縮的水設(shè)置為次相，參考?jí)簭?qiáng)位置設(shè)置在空氣一側(cè)。同時(shí)考慮水流受到重力的影響，在y 軸方向設(shè)置重力為－9.81 m2/s。在求解器設(shè)置中，壓力速度耦合采用PISO 方案。在運(yùn)算環(huán)境設(shè)置中，打開Implicit Body Force，部分平衡壓力梯度和動(dòng)量方程中的體積力，提高解的收斂性。在監(jiān)測(cè)設(shè)置中，將監(jiān)測(cè)面設(shè)在穩(wěn)壓罐出口50 mm 與水流方向垂直的面上。在初始化設(shè)置中，使用patch 命令將氣液分界面標(biāo)示出來(lái)［12］，如圖6 所示。

圖6 初始時(shí)刻穩(wěn)壓罐內(nèi)空氣和水的體積分?jǐn)?shù)

3.4 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)迭代計(jì)算，得到穩(wěn)壓罐內(nèi)速度云圖如圖7 所示。

圖7 穩(wěn)壓罐速度云圖

如圖7 所示，進(jìn)口的水流速度較快，水流經(jīng)進(jìn)水管進(jìn)入穩(wěn)壓罐后撞擊到豎隔板上，流速迅速下降，其中一部分水流向下流動(dòng)，并在穩(wěn)壓罐的左下方形成漩渦，大部分水流向上流動(dòng)，經(jīng)3 層橫隔板后，水流速度降到最低，整個(gè)穩(wěn)壓罐內(nèi)看不出明顯的流動(dòng)。在出口位置，水流速度增大，可認(rèn)為水流是從罐內(nèi)溢流出來(lái)的。

對(duì)于流量穩(wěn)定度可用量化指標(biāo)［13－14］進(jìn)行描述

將監(jiān)測(cè)面得到的數(shù)據(jù)代入式(2)，其結(jié)果如表1所示。

表1 數(shù)值模擬結(jié)果

從表1 中的Ipi值可知，穩(wěn)壓罐出口的流量穩(wěn)定度符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

在水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置穩(wěn)壓罐的設(shè)計(jì)過程中，先通過傳統(tǒng)理論計(jì)算得到穩(wěn)壓罐的結(jié)構(gòu)，再結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent 進(jìn)行流場(chǎng)分析，對(duì)比數(shù)值模擬的結(jié)果來(lái)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓罐是否符合要求。通過以上實(shí)例可看到，此方法縮短了設(shè)計(jì)周期，節(jié)省了研發(fā)資金，是一種行之有效的設(shè)計(jì)方法。

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