渦腔倒角結(jié)構(gòu)對渦流二極管性能影響的數(shù)值模擬

曹 寅 吳燕華 林 超 何兆忠 陳 堃

1（中國科學院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）

2（中國科學院大學 北京 100049）

渦腔倒角結(jié)構(gòu)對渦流二極管性能影響的數(shù)值模擬

曹 寅1,2吳燕華1林 超1,2何兆忠1陳 堃1

1（中國科學院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）

2（中國科學院大學 北京 100049）

為了探討渦流二極管渦腔倒角對其流動性能的影響規(guī)律，利用計算流體力學方法(Computational Fluid Dynamics, CFD)對4種具有不同高度渦腔倒角的渦流二極管進行了正反向流動的數(shù)值模擬，正向流動采用標準k-ε湍流模型，反向流動采用RNG (Renormalization Group) k-ε湍流模型。結(jié)果表明，相較于標準結(jié)構(gòu)，其余三種高度的渦腔倒角在較高雷諾數(shù)下都可以降低正向流動阻力，但同時也會降低反向流動阻力。其中，高度為3/4渦腔高度的倒角結(jié)構(gòu)，可以最大程度地降低正向流動阻力，同時對反向流動阻力的影響最小，對渦流二極管性能的提高效果最為顯著。數(shù)值模擬所得結(jié)論可為渦流二極管的優(yōu)化設(shè)計提供參考依據(jù)。

渦流二極管，渦腔，倒角，阻力系數(shù)

渦流二極管是一種控制流體單向流動的元件，其作用類似于逆止閥。由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、無轉(zhuǎn)動部件、不需外部控制和動力、可靠性高等諸多優(yōu)點，在醫(yī)學、核工業(yè)、石油化工等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。

由于渦流二極管正向流動阻力小、反向流動阻力大的特性，在氟鹽冷卻高溫反應(yīng)堆上，可以作為非能動余熱排出系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，起到重要的作用。在正常工況下，冷卻劑反向流經(jīng)渦流二極管，流量低，堆芯額外的熱損失小；事故工況下由于自然循環(huán)的作用，冷卻劑正向流經(jīng)渦流二極管，流量大，可以提供充足的冷卻能力。

典型的渦流二極管主要由切向管、軸向管和渦流腔室組成。渦流二極管的基本作用原理是：當流體從軸向管流入，經(jīng)過渦腔從切向管流出時，將其定義為正向流動，正向流動具有較小的流動阻力；當流體由切向管流入，經(jīng)過渦腔從軸向管流出時，將其定義為反向流動，由于切向速度引起的旋流作用，反向流動阻力較大。近年來，國內(nèi)外諸多學者對渦流二極管的結(jié)構(gòu)，包括切向管錐角、渦腔直徑、腔徑比、渦腔形狀等方面的優(yōu)化做了許多工作[1?5]。但在渦腔倒角結(jié)構(gòu)對渦流二極管性能的影響規(guī)律和作用機理方面，還缺少深入和系統(tǒng)化的研究。本文用數(shù)值模擬的方法對渦流二極管的渦腔倒角結(jié)構(gòu)進行了研究，分析了渦腔倒角對渦流二極管性能的影響規(guī)律，并結(jié)合部分實驗結(jié)果對模擬方法進行了驗證，提出了渦腔倒角的最優(yōu)高度，對這方面的研究進行了初步的探討。

1 渦流二極管的數(shù)值計算

1.1 計算網(wǎng)格劃分與設(shè)定方法

本文采用渦腔直徑為150 mm、渦腔高度為25mm的渦流二極管作為標準結(jié)構(gòu)，使用Solidworks進行建模，使用ICEM CFD 14.0進行前處理，對其進行分區(qū)網(wǎng)格劃分，其中切向管和腔室連接區(qū)域為四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，其余部分為六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量約為90萬，網(wǎng)格質(zhì)量在0.5以上。網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 渦流二極管網(wǎng)格劃分Fig.1 Meshing of vortex diode.

在渦流二極管中，正向流動較為簡單，沒有強旋流的產(chǎn)生，為各向同性的湍流運動，因此采用標準k-ε湍流模型。反向流動為復(fù)雜的渦旋流動，具有較強的各向異性，屬于不穩(wěn)定的復(fù)雜剪切流。在湍流模型中處理旋流問題主要使用雷諾應(yīng)力模型(Reynolds Stress Model, RSM)和RNG (Renormalization Group) k-ε模型。RSM模型直接對各個雷諾應(yīng)力項進行?；琑NG k-ε模型對標準k-ε模型進行了有旋修正，二者都適合于旋流問題[3,6]。但考慮到RNG k-ε模型具有更好的收斂特性，本文選擇RNG k-ε湍流模型。

求解方程在FLUENT14.0上進行，根據(jù)渦流二極管的實際性能和內(nèi)流特征，假定流動狀況是介質(zhì)為水的定常流動，采用速度進口，恒定壓力出口，給定水力直徑和湍動強度I為湍動條件。另外，從渦腔流出的液體具有較大的旋轉(zhuǎn)分量，僅采用壓力出口容易出現(xiàn)回流現(xiàn)象，使計算過程難以收斂，為避免回流且保持出口壓力恒定，在出口處設(shè)置一個和流速成正比的額外的阻力系數(shù)，以消除回流的影響[7]。壓力和速度的耦合采用SIMPLE算法，壓力項的離散采用standard格式，其余動量、湍動能和耗散率的離散采用二階上風離散格式。

1.2 計算模型簡介

現(xiàn)有的標準結(jié)構(gòu)的渦流二極管，渦腔底部是一個平面。在正向流動的情況下，流體從軸向管垂直流入，撞向渦腔下壁，這樣會導(dǎo)致水流動能的損失，從而增大正向阻力。所以在渦腔下壁中央處設(shè)置圓錐狀的倒角結(jié)構(gòu)，可以起到一定的緩沖作用。但是這種圓錐狀倒角結(jié)構(gòu)占據(jù)了部分渦腔體積，會使渦腔中央處的流道變窄，可能會對正反向流動產(chǎn)生額外的影響。因此，為了避免上述情況，在腔室與軸向管連接處也增加與渦腔底部角度相同的倒角。

如上所述的渦腔倒角結(jié)構(gòu)對渦流二極管性能的優(yōu)化僅是基于物理推斷，需要對其流場特性進行更為具體的研究。此外，不同的渦腔倒角尺寸對渦流二極管性能的優(yōu)化也存在差異?；谶@一情況，本文選取底部錐角高度分別為0 mm（標準型）、6.25mm（1/4渦腔高度）、12.5 mm（1/2渦腔高度）、18.75 mm（3/4渦腔高度）的4個模型進行了模擬計算，4個模型的其余尺寸均相同，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 渦腔倒角結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of chamfered vortex chamber.

2 數(shù)值計算結(jié)果與分析

2.1 正向流動計算結(jié)果與分析

流體在渦流二極管內(nèi)正向流動時，水流比較順暢，沒有強旋流的產(chǎn)生，因此流動阻力較小，阻力系數(shù)可用表征流場壓力降與其動壓頭之間相對關(guān)系的歐拉數(shù)表示：

式中，ΔPf是正向流動時進出口的壓力差；ρ為流體的密度；v為流體進入渦腔處的速度。計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 正向阻力系數(shù)對比Fig.3 Comparison of the forward flow resistance.

由圖3，在低雷諾數(shù)Re下，具有渦腔倒角結(jié)構(gòu)的渦流二極管正向阻力系數(shù)反而增大，隨著雷諾數(shù)的逐漸增大，渦腔倒角結(jié)構(gòu)才逐漸發(fā)揮作用，降低正向流動的阻力。這是因為低雷諾數(shù)下流體動能較小，未能劇烈沖擊渦腔下壁，所以渦腔下壁的倒角結(jié)構(gòu)不僅不能達到預(yù)想的效果，反而使流道不平，增大了流阻。因此增加渦腔倒角結(jié)構(gòu)對于用在較高雷諾數(shù)工況下的渦流二極管是有一定意義的。

圖3顯示，渦流二極管正向流動阻力會隨著渦腔倒角高度的增大而減小，高度為12.5 mm和18.75mm倒角的渦流二極管正向流動阻力較為接近，較標準結(jié)構(gòu)明顯更低。

選取標準結(jié)構(gòu)和倒角高度為18.75 mm的渦流二極管的截面流線和壓力云圖如圖4、圖5所示。

圖4 流線圖對比(a) 標準結(jié)構(gòu)，(b) 倒角結(jié)構(gòu)Fig.4 Comparison of pathlines. (a) Standard structure, (b) Chamfered structure

圖5 壓力云圖對比(a) 標準結(jié)構(gòu)，(b) 倒角結(jié)構(gòu)Fig.5 Comparison of pressure contours. (a) Standard structure, (b) Chamfered structure

從圖4、圖5可以明顯看出，渦腔倒角結(jié)構(gòu)對從軸向管垂直而下的流體起到了緩沖和分流的作用，不僅減小了動能損失和壓降，同時避免了流體對渦腔下壁的劇烈沖擊，提高了渦流二極管的穩(wěn)定性和可靠性。

2.2 反向流動計算結(jié)果與分析

流體在渦流二極管內(nèi)作反向流動時，由于切向速度引起的強旋流，使得流體難以進入軸向管，流動阻力較大，阻力系數(shù)同樣用歐拉數(shù)表示：

式中，ΔPr是反向流動時進出口的壓力差。計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 反向阻力系數(shù)對比Fig.6 Comparison of the reverse flow resistance.

由圖6可見，4種類型的渦流二極管中，標準結(jié)構(gòu)渦流二極管的反向阻力系數(shù)最大，其余三種改進型都會使反向阻力系數(shù)有不同程度的減小，說明了增加渦腔倒角結(jié)構(gòu)會不同程度地破壞反向流動中的渦旋流，使旋流強度降低，從而減小反向阻力。但從圖6中可以看出，不同高度的渦腔倒角對反向流動阻力的影響不同，其中高度為18.75 mm的渦腔倒角對反向流動的影響最小，反向阻力系數(shù)與標準型最為接近。

2.3 渦腔倒角結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計

一般采用單向性來衡量渦流二極管的性能，根據(jù)文獻[1]、[2]可知，單向性是一個隨雷諾數(shù)而逐漸增大、最終趨于穩(wěn)定的參數(shù)，單向性定義為：

根據(jù)上述模擬和計算得出的結(jié)果，4種渦流二極管的單向性對比如圖7所示。

圖7 單向性對比Fig.7 Comparison of the diodicity.

由圖7可見，渦腔倒角高度為18.75 mm時，渦流二極管單向性最大；渦腔倒角高度為12.5 mm時，渦流二極管的性能相較于標準型渦流二極管也有一定提高；當渦腔倒角高度為6.25 mm時，倒角結(jié)構(gòu)會使渦流二極管的單向性有較大幅度的下降。

結(jié)果分析可知，渦流二極管渦腔的圓錐形倒角高度設(shè)計存在一個最優(yōu)值，其值在3/4渦腔高度左右，且增加不合適的渦腔倒角結(jié)構(gòu)，不僅不能達到預(yù)期的效果，反而大幅度降低渦流二極管的單向性。

3 實驗驗證

為了驗證數(shù)值模擬方法的正確性，本文進行了相應(yīng)的實驗。渦流二極管實驗本體與數(shù)值模擬中的標準結(jié)構(gòu)模型一致，實驗采用了水工質(zhì)。實驗結(jié)果與模擬結(jié)果對比如圖8所示。從圖8可以看出，在實驗的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，正向和反向流動阻力的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果誤差都在20%以內(nèi)，證明了本文所用模擬方法的可靠性。

圖8 模擬與實驗結(jié)果對比Fig.8 Comparison of simulations and experiments.

4 結(jié)語

本文對現(xiàn)有渦流二極管進行了渦腔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究，即在渦腔底部及渦腔和軸向管的連接處增加倒角結(jié)構(gòu)。通過數(shù)值模擬，對4種不同高度倒角的渦流二極管進行了正向流動和反向流動的阻力特性研究。結(jié)果表明，增加渦腔倒角結(jié)構(gòu)會使正、反向流動的阻力同時減小，當?shù)菇歉叨燃s為3/4渦腔高度時，其正向流動阻力減小幅度最大，反向流動阻力減小幅度最小，故二者比值E最大，即渦流二極管渦腔倒角高度的設(shè)計存在一個最優(yōu)值，其值約為渦腔高度的3/4。

1 Kulkarni A A, Ranade V V, Rajeev R, et al. CFD simulation of flow in vortex diodes[J]. AICHE Journal, 2008, 54(5): 1139?1152

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CLC TL364

Numerical simulation of the performance of vortex diodes with chamfered vortex chambers

CAO Yin1,2WU Yanhua1LIN Chao1,2HE Zhaozhong1CHEN Kun1
1(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China)
2(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Background: Vortex diode is a kind of uniflow component, and a simple vortex diode contains a vortex chamber, a tangential nozzle and an axial nozzle. Purpose: The aim is to investigate the effect of chamfered vortex chamber structure on vortex diode performance. Methods: Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations were used on vortex diodes with four different chamfered structures. Standard k-ε model was selected for forward flow, while RNG (Renormalization Group) k-ε model was selected for reverse flow. Results: The results show that compared with standard structure, all the other three chamfered structures can reduce the positive flow resistances at relatively high Reynolds number, while the reverse flow resistances are also reduced. Among them, the chamfered structure of 3/4 vortex chamber height, can reduce the forward flow resistance to the greatest extent while keeping minimum impact on the reverse flow resistance. Conclusion: The chamfered structure of 3/4 vortex chamber height improves the overall performance of a vortex diode most significantly. The results of the simulation can provide some basis for optimizing the vortex diode performance.

Vortex diode, Vortex chamber, Chamfered, Resistance coefficient

TL364

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.010602

中國科學院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(No.XDA02050100)、上海市科研計劃項目(No.14ZR1448400)資助

曹寅，男，1986年出生，2009年畢業(yè)于華東理工大學，現(xiàn)為碩士研究生，研究領(lǐng)域為反應(yīng)堆熱工流體力學

陳堃，E-mail: chenkun@sinap.ac.cn

2014-08-11，

2014-08-25