環(huán)形窄縫中三葉型節(jié)流件阻力特性試驗(yàn)與數(shù)值研究

武有光 徐建華 張子鵬 章雨 水璇璇 杜樞

【摘 要】本文對(duì)環(huán)形窄縫中三葉型節(jié)流元件的阻力特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，獲得環(huán)縫中不同開口角度θ的三葉型節(jié)流件的阻力系數(shù)。同時(shí)，利用ICEM對(duì)帶有不同開口角度θ的三葉型節(jié)流件環(huán)形窄縫進(jìn)行三維立體建模并進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。選用重整化k-ε湍流模型，利用Fluent軟件進(jìn)行三維流場(chǎng)模擬。結(jié)果表明：試驗(yàn)得到三葉型節(jié)流件的阻力系數(shù)隨著開口角度增大而減小，且近似于指數(shù)函數(shù)變化;試驗(yàn)得到的不同開口角度θ的三葉型節(jié)流件阻力系數(shù)與數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好，相對(duì)誤差在8%以內(nèi)。

【關(guān)鍵詞】三葉型節(jié)流件;局部阻力系數(shù);試驗(yàn)研究;數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)： TL334 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）08-0004-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.08.002

【Abstract】An experimental study was performed to investigate the resistance characteristics of the trilobal throttling element in narrow annular channel， and the resistance coefficients of trilobal throttling elements with different opening angles are obtained. At the same time， ICEM is used to build three-dimensional model of narrow annular channel of trilobal throttling elements with different opening angles θ and to divide structured meshes. The RNG k-ε turbulence model was used to simulate the three-dimensional flow field with Fluent software. The results show that the resistance coefficient of the trilobal throttling elements decreases with the increase of the opening angle， which is similar to the exponential function. Compared with the numerical simulation results， the resistance coefficient of the trilobal throttling elements with different opening angles θ is less than 8%.

【Key words】Narrow annular channel; Trilobal throttling element; Local resistance coefficient; Experimental research; Numerical simulation

0 前言

環(huán)形窄縫通道具有傳熱面積大，結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于核能、電子元件、制冷和緊湊型換熱器領(lǐng)域[1]。例如，環(huán)形窄縫通道作為傳熱管被應(yīng)用在套管直流蒸汽發(fā)生器內(nèi)[2]。然而，在一定條件下，在環(huán)形窄縫中氣液兩相的流動(dòng)不穩(wěn)定性會(huì)致機(jī)械振動(dòng)和熱應(yīng)力交替，產(chǎn)生局部傳熱惡化，甚至發(fā)生爆管事故[3]。有研究表明，安裝在環(huán)形窄縫通道入口處的節(jié)流元件有助于改善氣液兩相流不穩(wěn)定性[4]。因?yàn)樵诃h(huán)形窄縫中流體從過冷到沸騰再到過熱的過程中，入口節(jié)流閥將增加單相壓降并降低總壓降比例中的沸騰壓降，減少沸騰區(qū)的壓力波動(dòng)對(duì)總壓降的影響。節(jié)流件是一種在流道中起限定流量或增加阻力作用的部件[5]。

對(duì)于圓管中一些不同形狀節(jié)流件的阻力特性研究已經(jīng)很充分，而且存在標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件的局部阻力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式[6-8]。但是對(duì)于環(huán)形窄縫中節(jié)流件的阻力特性研究還很少，無法從現(xiàn)有的阻力手冊(cè)中得到其阻力系數(shù)值。另外，為了盡可能提高環(huán)形窄縫通道內(nèi)兩相流的穩(wěn)定性和流體的均勻分布，設(shè)計(jì)了三葉節(jié)流元件。通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬確定三葉節(jié)流元件的局部阻力系數(shù)將為三葉形節(jié)流元件在窄環(huán)形通道中的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持，以防止流動(dòng)不穩(wěn)定。

因此，本文將對(duì)環(huán)形窄縫中不同開口角度θ的三葉型節(jié)流件的阻力特性進(jìn)行試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。利用試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)出環(huán)縫中不同開口角度θ下三葉型節(jié)流件阻力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，并通過數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)裝置和方法

環(huán)形窄縫中三葉型節(jié)流件阻力特性試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示。

該試驗(yàn)系統(tǒng)主要由一回路：加熱器，穩(wěn)壓器，循環(huán)泵1，試驗(yàn)本體等組成。二、三回路：換熱器、冷卻盤管、冷卻塔、循環(huán)泵2等組成（如圖1所示）。此外還有由熱電偶、壓力表、流量計(jì)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)等組成的測(cè)量系統(tǒng)。在試驗(yàn)系統(tǒng)回路中，首先通過一回路循環(huán)泵把冷卻水送至一回路加熱器內(nèi)，經(jīng)加熱器加熱的水自上而下通過試驗(yàn)本體。在試驗(yàn)過程中可以通過一回路的加熱器給一回路冷卻劑升溫，二、三回路的熱交換器給一回路冷卻劑降溫。在同一三葉型節(jié)流件下分別在試驗(yàn)本體入口溫度為30、80、150、200℃四個(gè)不同工況下進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。當(dāng)試驗(yàn)本體入口溫度達(dá)到所需溫度參數(shù)時(shí)，關(guān)閉加熱器以及去往熱交換器的閥門。當(dāng)一回路參數(shù)基本維持穩(wěn)定時(shí)，調(diào)節(jié)一回路閥門，記錄一回路不同流量下，節(jié)流件前后的差壓。更換不同開口角度的三葉型節(jié)流件，重復(fù)上述過程。

試驗(yàn)本體結(jié)構(gòu)主要由內(nèi)套管，外套管以及環(huán)縫——三葉型節(jié)流件（簡(jiǎn)稱：三葉型節(jié)流件）組成（如圖2所示）。其中環(huán)縫外管內(nèi)徑為12mm，內(nèi)管外徑為10mm。流體在內(nèi)套管和外套管所圍成的環(huán)形窄縫中自上而下流動(dòng)。由于環(huán)縫中有三葉型節(jié)流件存在，使得三葉型節(jié)流件前后產(chǎn)生壓差。

在環(huán)縫中，均勻布置三個(gè)一定扇形角的環(huán)形堵件，命名為環(huán)縫——三葉形節(jié)流件（如圖3所示）。為使節(jié)流件具有節(jié)流和使流體盡量均勻分布的雙重作用，專門設(shè)計(jì)了環(huán)縫——三葉型節(jié)流件。其中規(guī)定在環(huán)縫中兩個(gè)環(huán)形堵件所夾較小環(huán)形的扇形角為開口角度θ，則環(huán)縫中總開口角度為3*θ。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

在已知環(huán)縫中流量、節(jié)流件前后壓、流體狀態(tài)、管道幾何尺寸以及三葉型節(jié)流件開口角度時(shí)，就可以得到不同開口角度的三葉型節(jié)流件的局部阻力系數(shù)。

湍流流動(dòng)阻力是由于流體與壁面之間的摩擦以及由于流體顆粒之間的能量交換而造成的附加損失。在計(jì)算湍流摩擦系數(shù)的關(guān)系中，最典型的是尼庫拉則-卡門方程。

圖4為試驗(yàn)得到試驗(yàn)本體部分不同開口角度下三葉型節(jié)流件總阻力系數(shù)隨著雷諾數(shù)的變化曲線。當(dāng)Re<6000時(shí)，總阻力系數(shù)隨著雷諾數(shù)的增加而快速減小。當(dāng)Re>6000時(shí)，總阻力系數(shù)隨著雷諾數(shù)的增加基本保持不變，流動(dòng)到達(dá)自?；瘏^(qū)。在相同開口角度下的試驗(yàn)得到的阻力特性與通式（4）一致。此外隨著三葉型節(jié)流件開口角度的減小，流動(dòng)阻力變大。試驗(yàn)的流量范圍和最大雷諾數(shù)均隨著三葉形節(jié)流元件包角的減小而不斷減小。

當(dāng)未安裝三葉形節(jié)流元件時(shí)，試驗(yàn)得到的總阻力系數(shù)為2.9，即窄環(huán)形窄縫通道的摩擦阻力系數(shù)。在自模擬區(qū)，通道總阻力系數(shù)與摩擦阻力系數(shù)之差為三葉形節(jié)流元件的局部阻力系數(shù)。

試驗(yàn)達(dá)到圖5的曲線關(guān)系表明，三葉形節(jié)流元件的局部阻力系數(shù)隨包角的增大而減小，近似為冪函數(shù)。

2 數(shù)值模擬研究

2.1 網(wǎng)格劃分

根據(jù)試驗(yàn)段本體的結(jié)構(gòu)，利用ICEM建立三維實(shí)體模型并進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分（如圖6所示）。其中網(wǎng)格數(shù)量約為150萬～200萬，網(wǎng)格質(zhì)量都在0.9以上。

網(wǎng)格獨(dú)立驗(yàn)證對(duì)于獲得更準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果具有重要意義，本文選擇30°開口角度來驗(yàn)證網(wǎng)格獨(dú)立性。在開口角度為30°情況下，分別把試驗(yàn)段本體的網(wǎng)格數(shù)量劃分為200萬、500萬、800萬，計(jì)算得到總阻力系數(shù)分別為29.27、29.10、29.42（如表2所示）。計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量從200萬的基礎(chǔ)上增加時(shí)，計(jì)算結(jié)果基本保持不變。為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，同時(shí)保證計(jì)算精度，本研究選取了200萬的網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

2.2 物理模型

采用的物理模型為重整化k-ε（即RNG k-ε）湍流模型。該模型適用于快速應(yīng)變、中等旋渦、局部轉(zhuǎn)捩的復(fù)雜剪切流動(dòng)（如邊界層分離、渦的后臺(tái)階分離）[10]。由于幾何體結(jié)構(gòu)中節(jié)流件的存在，使得流道中產(chǎn)生旋渦等復(fù)雜的湍流流動(dòng)，因此在此數(shù)值模擬中選擇該模型。進(jìn)、出口的邊界條件分別設(shè)置為速度入口、壓力出口。Fluent數(shù)值模擬時(shí)采用3ddp求解器，選擇重整化k-ε湍流模型，離散方程組的壓力速度耦合選擇SIMPLE算法，動(dòng)量、湍流動(dòng)能、湍流耗散率均采用一階迎風(fēng)差分格式。

2.3 仿真結(jié)果分析

圖7為數(shù)值模擬得到的試驗(yàn)本體部分不同開口角度下三葉型節(jié)流件總阻力系數(shù)隨著雷諾數(shù)的變化曲線。當(dāng)Re<7000時(shí)，總阻力系數(shù)隨著雷諾數(shù)的增加而快速減小。當(dāng)Re>7000時(shí)，總阻力系數(shù)隨著雷諾數(shù)的增加基本保持不變，流動(dòng)到達(dá)自模化區(qū)。在相同開口角度下的試驗(yàn)得到的阻力特性與通式（4）一致。

模擬得到的圖8曲線關(guān)系表明，三葉形節(jié)流元件的局部阻力系數(shù)隨包角的增大而減小，也是近似冪函數(shù)。

3 試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果比較

試驗(yàn)和數(shù)值模擬中流體轉(zhuǎn)化到自?；瘏^(qū)的雷諾數(shù)不同，分別為6000、7000。試驗(yàn)和數(shù)值模擬中總阻力系數(shù)相對(duì)誤差在8%以內(nèi)。

由圖9可以看出，三葉型節(jié)流元件的局部阻力系數(shù)與開口角度之間的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的基本吻合。試驗(yàn)證明數(shù)值模擬結(jié)果是正確的，這也充分說明了RNG k-ε湍流模型適用于環(huán)形窄縫通道三葉形節(jié)流元件的數(shù)值模擬。三葉型節(jié)流元件的局部阻力系數(shù)隨開口角度的增大而減小，近似為冪函數(shù)。通過擬合三葉型節(jié)流元件的局部阻力系數(shù)與開口角度之間的實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的關(guān)系為：

4 結(jié)論

通過對(duì)環(huán)縫中不同開口角度的三葉型節(jié)流件的阻力特性進(jìn)行試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，得出以下基本結(jié)論。

（1）三葉型節(jié)流元件的局部阻力系數(shù)隨開口角度的增大而減小，近似為冪函數(shù)。

（2）三葉型節(jié)流元件的局部阻力系數(shù)與開口角度的關(guān)系為：ξ=41277θ-2.18

（3）對(duì)于相同的三葉型節(jié)流件，總阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的增加而減小。當(dāng)流體到達(dá)自模化區(qū)時(shí)，總阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的增加而保持不變。

（4）數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，說明RNG k-ε湍流模型適用于窄環(huán)形通道內(nèi)三葉形節(jié)流元件的數(shù)值模擬。

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