基于Fluent的均流孔板阻力特性數(shù)值模擬研究

龔中良， 郭華雄， 陶宇超， 陳昌和

(中南林業(yè)科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 湖南長沙 410004)

引言

由于孔板結(jié)構(gòu)簡單，制作成本較低，并且能很好地滿足工作要求，因此在各方面應(yīng)用逐漸廣泛，在工業(yè)及環(huán)保領(lǐng)域如工業(yè)輸送管道[1-2]、水污染處理[3]、節(jié)流空化[4-6]等方面均有應(yīng)用，因此國內(nèi)外學(xué)者在孔板的特性方面有一定研究。韓偉等[7]應(yīng)用SINOCERA-YE6263系統(tǒng)對孔板水力空化裝置下游壓力的時均和頻譜進(jìn)行了試驗研究，探討了不同孔形狀、數(shù)量、大小等參數(shù)對孔板下游壓力的影響，發(fā)現(xiàn)孔口形狀對孔板下游時均壓力的影響不大。MALAVASI S等[8]基于化工管道中的防氣蝕孔板，對開孔率為0.20～0.72，相對厚度為0.20～1.44，孔數(shù)為3～52的孔板進(jìn)行了壓損特性研究，總結(jié)出了相關(guān)參數(shù)的影響規(guī)律。GUO B Y等[9]以空氣為介質(zhì)，主要對孔板單個孔周圍的流動狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究發(fā)現(xiàn)壓力損失主要由下游局部回流的渦流所造成。高暢等[10]對單孔孔板及多孔孔板的流場細(xì)節(jié)進(jìn)行了數(shù)值模擬對比分析，發(fā)現(xiàn)多孔孔板相對單孔孔板具有較小的混合損失。馬有福等[11]以管道內(nèi)的節(jié)流孔板為基礎(chǔ)，通過數(shù)值模擬方法研究了孔數(shù)與孔厚對孔板的壓損系數(shù)的影響機(jī)理，提出了應(yīng)在壓損系數(shù)關(guān)聯(lián)式模型中考慮孔數(shù)與孔厚的影響。王慧鋒等[12]利用CFX對β=0.2～0.4的孔板進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，指出孔板幾何特征對孔板阻力特性的影響服從開孔率>孔數(shù)>開孔直徑的規(guī)律。

綜上所訴，在關(guān)于孔板阻力特性現(xiàn)有的研究中，主要偏向孔板的節(jié)流與空化特性以及單孔的流動特性的研究，開孔率和孔數(shù)范圍較小，考慮的因素相對來說不夠全面。并且由于環(huán)境保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)化以及人們對環(huán)境空間質(zhì)量的嚴(yán)格化，空氣凈化設(shè)備在污染氣體凈化方面起著越來越重要的作用，在影響空氣凈化設(shè)備性能及凈化效果的因素中，設(shè)備內(nèi)部的氣流均布性起著極為重要的作用[13-14]。目前各種空氣凈化設(shè)備內(nèi)部氣流的均布一般采用導(dǎo)流板或多孔氣流均流板進(jìn)行優(yōu)化[15-16]，均流孔板作為送風(fēng)系統(tǒng)的一部分，對氣流均勻性有著重要的影響。本研究以空氣凈化設(shè)備中開孔均勻分布的氣流均布孔板為基礎(chǔ)，綜合考慮了由低開孔率到高開孔率孔板的相對厚度、孔數(shù)以及孔距等因素對流動特性的影響，利用計算流體動力學(xué)分析軟件Fluent對不同流動條件下的不同結(jié)構(gòu)均流孔板進(jìn)行了仿真分析，以便為環(huán)保領(lǐng)域凈化設(shè)備送風(fēng)系統(tǒng)的均流板設(shè)計和選擇提供重要的理論依據(jù)。

1 數(shù)值計算模型

1.1 孔板流體流動原理

本研究數(shù)值模擬所用的介質(zhì)為空氣，氣流通過多孔板會形成多股射流從而達(dá)到氣流分散的目的，之后射流再次匯集均勻送出?？装宓淖枇εc每個小孔的流動特性有關(guān)，因此需要對單孔模型進(jìn)行理論分析，當(dāng)孔板厚度較小時，流動情況可以簡化為圖1所示的情況[17]。

氣流穿過小孔時由突擴(kuò)和突縮兩個過程，主流截面先縮小后增大，截面以及流動速度的變化，造成局部阻力損失。圖中1-1斷面為上游某一截面，2-2斷面為射流最小截面，3-3斷面為下游某一截面。

圖1 氣流流過單孔薄板模型

忽略氣體在孔內(nèi)的沿程阻力，由實際流體的伯努利方程[18]可以得到：

(1)

式中，z2，z3分別為斷面2-2與3-3的位置高度；p2，p3分別為斷面2-2與3-3的壓強(qiáng)；α2，α3分別為斷面2-2與3-3的動能修正系數(shù)，由于孔水平放置，其中α2=α3=1；v2，v3分別為斷面2-2與3-3的平均速度；ζ0為孔口的局部阻力系數(shù)；ρ為流體密度；g為重力加速度。

忽略氣體的體積力，由動量方程可以得到：

(2)

式中，A2，A3分別為斷面2-2與斷面3-3的面積。

由連續(xù)性方程可以得到：

Ahvh=A3v3=A2v2

(3)

式中，Ah為孔的截面積；vh為流體在孔內(nèi)的平均速度。

由以上方程最終可以得出單個孔的局部阻力系數(shù)的表達(dá)式：

(4)

式中，ζ0為孔板單個孔的局部阻力系數(shù)；p1為斷面1-1的壓強(qiáng)；ε為孔的收縮系數(shù)，為射流最小截面面積與孔的截面面積的比值，即ε=A2/Ah，僅與流體的流動狀態(tài)與孔的形狀有關(guān)。

1.2 孔板模型及結(jié)構(gòu)參數(shù)

進(jìn)行流場均布的孔板一般為平板上均勻開孔，并且為圓孔。數(shù)值模擬試驗?zāi)Ｐ筒捎玫冉孛婢匦瘟鞯溃Ｐ统叽鐬?00 mm×400 mm×800 mm，其中均流孔板開孔均勻分布，孔徑為d，孔距為b，均流孔板在流道內(nèi)垂直壁面布置，幾何模型如圖2所示。

圖2 孔板阻力特性試驗幾何模型

通常用局部阻力系數(shù)ζ來描述均流孔板的阻力特性，均流孔板局部阻力系數(shù)ζ的影響因素主要有兩大方面：一是工況因素，主要包括管內(nèi)流速v；二是孔板結(jié)構(gòu)，主要包括開孔率β，孔板厚度t，相對厚度t/d，開孔孔數(shù)n。相關(guān)參數(shù)定義如下：

(1)管內(nèi)流速v為管內(nèi)平均流速;

(2)均流板開孔率β為均流板總開孔面積與板面積的比值，定義為：

(5)

式中，A0為均流板開孔總面積；A為均流板總面積。

(3) 均流板的相對厚度t/d為孔板厚度與打孔孔徑的比值;

(4) 開孔孔數(shù)n為流道截面上均流孔板的開孔個數(shù)。

1.3 計算域及網(wǎng)格劃分

依照均流孔板試驗?zāi)Ｐ筒捎肧olidworks軟件建立三維幾何模型，導(dǎo)入ICEM軟件采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格單元對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。經(jīng)過仿真試驗發(fā)現(xiàn)，入口端孔板前30 mm外流場較穩(wěn)定，板后80 mm外流場恢復(fù)穩(wěn)定，為了節(jié)省計算資源，對均流孔板區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分并進(jìn)行局部加密處理，孔板前加密區(qū)前后采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，各均流孔板試驗?zāi)Ｐ偷牧黧w計算域如圖3所示。

圖3 試驗?zāi)Ｐ途W(wǎng)格劃分示意圖

根據(jù)流道內(nèi)氣體的實際流動情況，做出如下假設(shè)：

(1) 流體不可壓縮，即dρ/dt=0；

(2) 流體與壁面無熱交換；

(3) 流體流動狀態(tài)為穩(wěn)態(tài)，即?/?t=0。

采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型，無滑移壁面條件[19]，管內(nèi)流體為常溫空氣，入口條件為速度進(jìn)口，流速為0.5～8 m/s；出口條件為壓力出口，出口表壓為0。均流孔板的局部阻力系數(shù)ζ由式(6)定義。

(6)

式中， Δp為穩(wěn)定狀態(tài)區(qū)域的孔板前后壓差；ρ為空氣密度；v為流道內(nèi)平均流速。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 不同工況對均流孔板阻力特性的影響

選取開孔率β為0.07～0.48范圍的孔板，板厚均為2 mm，孔徑均為8 mm，選擇了6個不同流速的工況，分別為0.5, 1, 2, 4, 6, 8 m/s。

圖4為不同開孔率的情況下壓降隨流動速度的變化情況?？梢钥闯?，均流孔板前后的壓降隨著流動速度的增大而增大，在較低流動速度的情況下，通過縱向?qū)Ρ瓤芍?，各開孔率的均流孔板壓降值均較為接近，隨著流動速度繼續(xù)增大，不同開孔率的孔板之間壓差值的差距逐漸增大。由局部阻力計算式(6)可知，阻力系數(shù)和腔內(nèi)流速是影響均流孔板壓降的主要因素，通過對阻力系數(shù)的計算，可進(jìn)一步研究流動速度對阻力系數(shù)的影響。在相同入口流速v=0.5 m/s條件下，選取了開孔率為β=0.34和β=0.10的2組速度場和壓力場作為對比，如圖5所示。由圖5可知，相同流速下，β=0.34的多孔板壓降為2.3×10-6MPa，得局部阻力系數(shù)為14.23；β=0.10的多孔板壓降為3.19×10-5MPa，得局部阻力系數(shù)為197.4?？沙醪酵茢啵_孔率β減小，多孔板的局部阻力系數(shù)是增大的。

圖4 均流孔板壓降與流動速度的關(guān)系

圖5 流速v=0.5 m/s條件下不同開孔率的 速度場和壓力場分布

圖6為不同開孔率的均流孔板的阻力系數(shù)隨風(fēng)速的變化情況。當(dāng)開孔率β小于0.14時，阻力系數(shù)隨風(fēng)速的變化而改變的范圍相對較大，當(dāng)開孔率β大于0.19時，阻力系數(shù)隨風(fēng)速的變化差距拉小；說明在開孔率較大的情況下，風(fēng)速對均流孔板的局部阻力系數(shù)影響較弱。當(dāng)風(fēng)速小于2 m/s時，局部阻力系數(shù)隨著風(fēng)速的增大而減小，當(dāng)風(fēng)速逐漸增大，在風(fēng)速大于2 m/s 后，局部阻力系數(shù)隨著風(fēng)速的增加而逐漸趨于穩(wěn)定，當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增大，超過3 m/s時，局部阻力系數(shù)基本保持穩(wěn)定。由于孔板出流可看做單個孔射流的集合，因此在風(fēng)速較小的情況下，射流區(qū)域的動量較小，容易失穩(wěn)在周圍產(chǎn)生渦流，從而導(dǎo)致阻力系數(shù)較大，隨著風(fēng)速的進(jìn)一步提高，射流區(qū)域動量增大，穩(wěn)定性提升，旋渦相對減少，從而阻力系數(shù)減小直至達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 均流孔板局部阻力系數(shù)與流動速度的關(guān)系

2.2 相對厚度對均流孔板阻力特性的影響

1) 相同β,d下改變t對均流孔板阻力特性的影響

選取開孔率為β=0.34的孔板，保持孔徑d=8 mm 不變，分別取不同的孔板厚度(t=2， 3， 4， 5， 6 mm)，即t/d=0.25， 0.375， 0.5， 0.625， 0.75，開孔均勻排列布置。根據(jù)仿真試驗結(jié)果得出了5組相對厚度與阻力系數(shù)的關(guān)系曲線，如圖7所示。

圖7 相同d下不同相對厚度與阻力系數(shù)的關(guān)系曲線

由圖7橫向?qū)Ρ瓤芍?，在相同的?d下，總體來看阻力系數(shù)隨著t/d的增大有著細(xì)微減小的趨勢，相隨厚度的改變對均流孔板阻力系數(shù)的影響較??；同樣通過縱向?qū)Ρ瓤梢钥吹剑籺/d下的均流孔板在不同風(fēng)速下的阻力損失變化很小，因此可以判斷孔板厚度在2～6 mm的范圍內(nèi)對孔板的阻力系數(shù)影響不大，并且2 mm厚度的均流孔板的阻力系數(shù)隨著風(fēng)速的改變而改變的量最小，說明風(fēng)速改變對其結(jié)果影響微弱。由圖8不同厚度孔板的局部速度流型圖可知，隨著t/d的增大，射流核心區(qū)域的流速有較小的增大現(xiàn)象，根據(jù)伯努利效應(yīng)可知，流體的流速越大，壓強(qiáng)越小，因此阻力系數(shù)隨著t/d的增大呈現(xiàn)出細(xì)微減小的趨勢。總體來看，2～6 mm板厚范圍內(nèi)，在相同的流速和β下孔口射流區(qū)域流速基本不變，故孔板厚度對孔板阻力系數(shù)影響較小。

圖8 β=0.34孔板在不同厚度下的局部流動特性

2) 相同β，t下改變d對均流孔板阻力特性的影響

分析可知，2 mm厚度均流孔板對風(fēng)速的敏感度相對較小，因此選擇2 mm厚度均流板進(jìn)行了阻力特性分析。圖9顯示了在不同入口風(fēng)速，保持板厚t=2 mm不變，開孔率β均為0.34的條件下，分別取不同的開孔孔徑(d=4， 6， 8， 10， 12 mm)，即t/d=0.5， 0.33， 0.25， 0.2， 0.18，作相對厚度與阻力系數(shù)的關(guān)系曲線。

圖9 相同t下不同相對厚度與阻力系數(shù)的關(guān)系曲線

根據(jù)圖9橫向?qū)Ρ瓤芍?，局部阻力系?shù)隨著相對厚度的增大逐漸減小，不同入口風(fēng)速下同一相對厚度的均流板局部阻力系數(shù)差別不大，與研究趨于一致。并且在相對厚度較小的情況下減小較快，隨著相對厚度增加逐漸趨于平穩(wěn)。總體來說，在相同開孔率的條件下，各入口風(fēng)速下的多孔均流板的局部阻力系數(shù)相差不大，均流孔板相對厚度對其局部阻力系數(shù)影響較小。通過縱向?qū)Ρ瓤芍?，在相對厚度?.25的時候，風(fēng)速所產(chǎn)生的對阻力系數(shù)的影響最小，此時的孔板開孔直徑為8 mm。由圖10孔板局部流動特性圖可知，相同開孔率β、板厚t下，阻力系數(shù)會隨相對厚度改變而呈現(xiàn)一定規(guī)律的變化是因為在相同的β下，隨著孔徑d的增大，孔的密度趨于減小，孔距b拉大，從而使得板后渦流回流區(qū)域增大，周圍氣流在漩渦的影響下發(fā)生變形、摩擦和碰撞，從而產(chǎn)生阻力損失。

圖11為相同開孔率β=0.34、板厚t=2 mm 下不同開孔直徑d所對應(yīng)的湍動能的曲線圖，由圖可知，在孔徑較小的情況下，均流板開孔所產(chǎn)生的湍動能隨著孔徑的改變變化不大，以孔徑d=8 mm為節(jié)點，當(dāng)孔徑大于8 mm時，湍動能有著明顯增大，并且隨著孔徑增大湍動能增幅減小。

圖10 β=0.34孔板在不同孔徑下的局部流動特性

圖11 多孔均流板不同開孔直徑對湍動能的影響

2.3 開孔率對均流孔板阻力特性的影響

為研究開孔率大小對均流板阻力特性的影響，選取開孔孔徑d=8 mm，厚度t=2 mm，不同開孔間距的均流孔板，各均流孔板相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 氣流均流孔板參數(shù)

圖12a為開孔率由0.07變化到0.48時，不同入口風(fēng)速下開孔率對局部阻力系數(shù)的影響。不同開孔率在相同入口風(fēng)速條件下，阻力系數(shù)隨開孔率增大而減小，開孔率對阻力系數(shù)的影響極為顯著，并且不同入口風(fēng)速下阻力系數(shù)隨開孔率的變化趨勢趨于一致。圖12b為孔板阻力特性隨開孔率從0.2～0.48的變化情況，結(jié)合圖12a與圖12b可知，開孔率在比較小的情況下(β<0.19)，阻力系數(shù)隨開孔率變化迅速，當(dāng)開孔率變化到0.2時，阻力系數(shù)下降速度放緩，慢慢趨于穩(wěn)定。同樣通過縱向?qū)Ρ瓤梢耘袛啵陂_孔率較低的情況下(β<0.19)，入口風(fēng)速的改變對阻力系數(shù)的影響較大，而當(dāng)開孔率β≥0.19的情況下，阻力系數(shù)對入口風(fēng)速的改變不敏感。結(jié)合分析可知，同一工況下，隨著開孔板孔率β的減小，孔與孔之間的回流區(qū)增大，氣流分流再合流所產(chǎn)生的碰撞加劇，使得能量消耗增加，從而導(dǎo)致孔板阻力系數(shù)的增大。

圖12 多孔均流板開孔率與阻力系數(shù)的關(guān)系

3 結(jié)論

本研究以空氣凈化設(shè)備中的氣流均布孔板為研究對象，以空氣為流動介質(zhì)，通過對氣流均布孔板的數(shù)值模擬試驗研究，分析了風(fēng)速、孔板開孔率、孔板相對厚度以及其中的板厚、孔徑對均流孔板阻力特性的影響規(guī)律，得到了以下結(jié)論：

(1) 風(fēng)速對孔板阻力系數(shù)的影響最小，隨著風(fēng)速的增大，阻力系數(shù)先減小后趨于穩(wěn)定，且開孔率越大，阻力系數(shù)值越穩(wěn)定；

(2) 相對厚度對孔板阻力系數(shù)的影響較小，阻力系數(shù)隨著相對厚度的增大而逐漸減小，其中孔徑的改變所產(chǎn)生的影響比板厚的改變所產(chǎn)生的影響要大，并且以孔徑d=8 mm為節(jié)點對湍流強(qiáng)度有著重要影響；

(3) 開孔率對阻力系數(shù)的影響極為顯著，孔板的阻力系數(shù)隨著開孔率的減小而增大，兩者呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系，并且不同入口風(fēng)速下阻力系數(shù)隨開孔率β的變化趨勢趨于一致，以β=0.2為節(jié)點，隨著β繼續(xù)增大，阻力系數(shù)下降速度放緩，慢慢趨于穩(wěn)定。