整流柵對(duì)管內(nèi)流體流態(tài)影響的模擬研究

劉子龍，章煜君，金雙雙，陳秀華

（1.中國(guó)聯(lián)合工程有限公司，浙江 杭州 310052；2.沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110869）

0 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程日益加快，興修大型水利工程越來(lái)越重要，這對(duì)給排水工程提出了更高的技術(shù)要求。泵站是給水排水工程中必要的組成部分，在給排水系統(tǒng)中起到樞紐作用。但是大型泵站前池流態(tài)紊亂，會(huì)引起泵氣蝕、水利振動(dòng)等危害，導(dǎo)致泵站運(yùn)行工況惡化[1]，而整流技術(shù)對(duì)泵站機(jī)組安全、穩(wěn)定、高效地運(yùn)行起到關(guān)鍵作用，因此研究整流技術(shù)是大時(shí)代背景下的必然趨勢(shì)。常用的整流技術(shù)有導(dǎo)流墩整流技術(shù)、壓水板整流技術(shù)、坎底整流技術(shù)及導(dǎo)流柵整流技術(shù)。傅宗甫，顧美娟等通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出導(dǎo)流墩墻頂應(yīng)高于水面，且適合平原閘站合建樞紐的導(dǎo)流墩長(zhǎng)度在30m～40m之間[2]。李百齊，張有敬等通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采用壓水板/導(dǎo)流墩組合導(dǎo)流技術(shù)可以提高導(dǎo)流效果，優(yōu)化泵站前池的流態(tài)和流場(chǎng)[3]。羅燦、成立等通過(guò)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了增設(shè)坎底整流措施后泵站正向進(jìn)水前池的流態(tài)情況。結(jié)果表明坎高約為0.3H，底坎設(shè)在距進(jìn)水池(7-10)D處時(shí)，前池流態(tài)能夠明顯得到改善[4]。田景環(huán)學(xué)者等通過(guò)試驗(yàn)研究得出在彎道管段設(shè)置導(dǎo)流柵可以大大改善轉(zhuǎn)彎前后的流態(tài)，且對(duì)消除彎道渦流及調(diào)整均化流速分布有顯著作用[5]。然而目前，針對(duì)整流柵對(duì)流體流態(tài)的影響大多通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，且對(duì)整流柵結(jié)構(gòu)形式的研究還較少，因此本文提出了兩種結(jié)構(gòu)形式的整流柵，并通過(guò)CFD仿真模擬，深入研究不同結(jié)構(gòu)形式的整流柵對(duì)流體流態(tài)的影響。

1 模型前處理

1.1 物理模型的建立

圖1 單層導(dǎo)流結(jié)構(gòu)

圖2 雙層交錯(cuò)型導(dǎo)流結(jié)構(gòu)

整流柵外部為圓管狀，內(nèi)部焊接十字葉片作為導(dǎo)流結(jié)構(gòu)。本文研究?jī)煞N結(jié)構(gòu)形式的整流柵，一種為單層導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，一種為雙層交錯(cuò)型導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)尺寸如圖1、圖2所示。

模擬過(guò)程如圖3所示，流體從A口流入系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)閥門與彎管后從B口流出。圖中紅框分別為直管、單層導(dǎo)流結(jié)構(gòu)整流柵和雙層交錯(cuò)型導(dǎo)流結(jié)構(gòu)整流柵，通過(guò)模擬三種工況得出整流柵對(duì)流體流態(tài)的影響。

圖3 模擬方案

1.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分在ANSYS工作平臺(tái)的MESH中完成，采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相結(jié)合的方法，對(duì)于面積變化處采用局部網(wǎng)格加密。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

圖4 流道模型網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)共63 739個(gè)，網(wǎng)格總數(shù)共255 314個(gè)，經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)得出該網(wǎng)格劃分結(jié)果符合計(jì)算要求。

2 FLUENT模擬計(jì)算

2.1 數(shù)學(xué)模型的建立

流體通過(guò)整流柵的流動(dòng)過(guò)程滿足質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、及能量守恒三大守恒定律[6]。本文模擬視工質(zhì)為不可壓縮流體，流動(dòng)過(guò)程為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，則質(zhì)量守恒方程可以表示為：

動(dòng)量守恒方程即N-S方程可表示為：

上式中：p為作用在流體上的正壓力；τ為作用在流體微元表面上的黏滯力；Fx、Fy、Fz為微元體自身力。

能量守恒方程可以表示為：

式中：cp為比熱容，T為溫度，K為流體的傳熱系數(shù)，sT為粘性耗散項(xiàng)，表示流體的內(nèi)部熱源及由于粘滯力作用流體機(jī)械能轉(zhuǎn)換為的熱量。

為快速求解N-S方程，本文通過(guò)k-ε兩方程模型來(lái)簡(jiǎn)化動(dòng)量守恒方程[7]。

湍動(dòng)能k方程：

湍動(dòng)耗散率方程：

2.2 邊界條件及初始值的設(shè)置

根據(jù)實(shí)際工況要求、工質(zhì)選擇水，進(jìn)口邊界條件定義為速度及壓力進(jìn)口，模擬總液相流量為30 000m3/h，壓力為17.3MPa，出口邊界條件設(shè)置為壓力出口，壓力為15.23MPa；流動(dòng)過(guò)程屬于內(nèi)流問(wèn)題，由于整流柵上游流動(dòng)無(wú)擾動(dòng)，因此湍流強(qiáng)度因子可取較低值取0.1，而整流柵對(duì)下游流動(dòng)有明顯擾動(dòng)，因此出口湍流強(qiáng)度因子設(shè)置為0.5；求解方法選擇SIMPLE算法，離散方法選擇二階迎風(fēng)算法，這樣可避免一階迎風(fēng)只保留泰勒級(jí)數(shù)第一項(xiàng)而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不夠精確。模型其余部分設(shè)置為無(wú)滲透無(wú)滑移壁面邊界條件。

完成上述設(shè)置后，進(jìn)行流場(chǎng)初始化，設(shè)置計(jì)算步長(zhǎng)，開始求解。

3 結(jié)果及分析

3.1 整流柵對(duì)流體流態(tài)的影響

通過(guò)對(duì)不同工況進(jìn)行模擬，得出系統(tǒng)流場(chǎng)分布結(jié)果，如圖5、圖6所示。

圖5 無(wú)整流柵的系統(tǒng)流場(chǎng)分布

圖6 單整流柵流場(chǎng)分布

由圖5、圖6可知，當(dāng)彎管出口不加裝導(dǎo)流柵時(shí)，流體通過(guò)彎管后的流態(tài)十分紊亂，橫向環(huán)流狀態(tài)十分明顯；而彎管出口加裝單層導(dǎo)流柵后，流體通過(guò)彎管的流態(tài)分布趨于均勻，橫向環(huán)流的旋切角大幅減小，流體基本沿管程方向直線流動(dòng)，流態(tài)得到改善。這是因?yàn)槭钱?dāng)流體穿過(guò)整流柵時(shí)，會(huì)產(chǎn)生繞流效應(yīng)，能夠有效阻斷流體因擴(kuò)散效應(yīng)而出現(xiàn)的橫向旋流，從而起到整流作用[8]。

3.2 整流柵結(jié)構(gòu)對(duì)流體流態(tài)的影響

根據(jù)上一小節(jié)的分析可知，整流柵能夠?qū)α黧w流態(tài)重新均勻分布，且可以有效減緩旋切流動(dòng)的程度，因此本小節(jié)進(jìn)行了雙層交錯(cuò)型導(dǎo)流柵對(duì)系統(tǒng)流態(tài)影響的模擬，結(jié)果如圖7、圖8、圖9、圖10所示。

圖7 單整流柵流場(chǎng)分布

圖8 單整流柵側(cè)視圖

由圖7、圖8、圖9、圖10可知，雙層導(dǎo)流柵與單層導(dǎo)流柵都能起到明顯的整流作用，但是進(jìn)一步對(duì)比兩種工況下的流線圖可以得出流體經(jīng)過(guò)雙層導(dǎo)流柵后，水流分布更加均勻，流態(tài)變得更加規(guī)律，且流動(dòng)方向與管程近乎平行；而流體經(jīng)過(guò)單層整流柵后，流態(tài)雖然得到一定程度的改善，但是仍存在較為明顯的橫向環(huán)流情況。

4 結(jié)論

通過(guò)CFD流場(chǎng)模擬，研究了彎頭出口管段加裝不同結(jié)構(gòu)的整流柵對(duì)流體流態(tài)的影響。通過(guò)分析模擬流線圖，可得出如下結(jié)論：

1）整流柵能夠通過(guò)柵體結(jié)構(gòu)，明顯改善流體流經(jīng)彎管后的橫向環(huán)流，使流線分布更加均勻，起到有效的整流效果。

2）盡管單層及雙層交錯(cuò)型整流柵均有明顯的整流效果，但是流體通過(guò)雙層交錯(cuò)型整流柵后，無(wú)橫向環(huán)流，流型也更規(guī)律，因此整流效果要比單層整流柵好。