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文丘里管中空化流场的数值模拟
第23卷第10期
计算机与应用化李
V01.23.No.102006年10月28日
ComputersandAppliedChemi8tr_y
0ctober.2006
文丘里管中空化流场的数值模拟
王智勇,张晓冬,杨会中
(大连理工大学化工学院,辽宁,大连,116012)
摘要:
基于FLUENT软件,采用标准☆嚼模型和空化泡动力学模型,对三种不同几何形状的文丘里管内空化流场进行数值模拟,计算了文丘里管内空化区的空化数、压力分布和汽含率分布,研究了操作条件、文丘里管的结构形式对空化效果的影响。
结果表明,理论计算的空化区汽含率分布与实验拍摄的空化云雾区图像有较好的吻合性;水力空化装置的操作条件,以及文丘里管的结构形式对空化效果有着明显的影响。
关键词:
水力空化;文丘里管;流场;数值模拟;汽含率分布中圈分类号:
TV
13l
文献标识码:
A
文章编号:
100l_4160(2006)10-939.942
NumericalsimulationofcavitationnOw6eldintheventuri
WangZhiyong,Zhang×iaOdongandYangHuizhong
(SchooIofChemicaIEngineer.ng,Da¨anUniversityofTechnoIogy,DaIian,116012,Liaoning,China)Abstract:
Ba8ed仰thecomputationalnuid
dyn砌icssohare
FLUENT,the
c盯itationnowfield8inventuritube8withdi虢rent
geo-
metrical
fo珊were
simul砒edadoptingtllestandard矗・Fepsilonmodelandcavitationbubbledynamics.Thecavitationnumber,thedi8-
tributionofp托ssu陀andtlledistributionofvaporbubblefhctionofthecavitationare鹊intheventuri8we陀computed.Theinnuenceof
opemtingconditionsandthestnlctureofventuritubes
were
researched.The阳sultsshowedthatthepredicteddistributionofvaporbub・
bIefr8ctionissimilartothe
pictureofcavitation
areas
obtainedf如mexperimen协,tIIeoperatingconditionsandthe
8tnlcture
ofventuri
tubeshave
8n
importanteffecton
hydrodynamiccavitation.
Keywords:
hydrodynamiccavit砒ions,venturitube,flowfield,numericalsimulation,distributionof
vapor
bubblefhction
WangZY,ZhangXDandYangHZ.
Numericalsimulationofeavitationnowfieldintheventuri.Comput占rsand
‘~
AppliedChemistry,2006,23(10):
939・942.1
引言
变因素等优势在越来越多的领域得到推广和应用。
空化是由于液体中的局部低压(低于相应温度
本文使用CFD软件,针对几种不同几何形状的文丘下该液体的饱和蒸汽压)使液体气化而引发的微气里管对其空化流场进行模拟,研究不同操作条件下泡(或称气核)爆发性生长现象…。
根据空化产生的空化数和蒸汽汽含率分布,为水力空化装置的优的方法一般可以分为4种类型:
声空化、光空化、粒化设计提供依据。
子空化和水力空化。
其中,水力空化现象发生在很2
空化数
多场合,例如在有管径急剧变化的管道和水力机械空化数是描述空化初生和空化状态的一个重要
中。
水力空化所形成的异乎寻常的高温、高压、强冲参数,其定义为:
击波、高速微射流等极端条件,可以强化许多化工工艺过程,在化工、石油、生物化工、医药、食品、环保等c。
:
学(1)
行业有广阔的应用前景心’3J。
水力空化装置主要有知俨
文丘里管和孔板两种,水力空化对过程的强化效果式中,p和y分别为液体中某一选定点的绝对压强取决于空化流场的强度,本文的研究对象是文丘里和流速,p。
为某一温度下的液体饱和蒸汽压,p为液
管中的水力空化。
随着计算流体力学(CFD)的发体密度。
展,数值模拟技术以其高效、低成本、能适应多种可
空化数主要有以下几个特点‘引:
空化数与管中
收稿日期:
2006-01旬8;修回日期:
2006Ⅲ4・lO基金资助:
国家自然科学基金(10472024)
作者简介:
王智勇(1980一),男,在读硕士研究生;导师:
张晓冬(联系人)
计算机与应用化学
的流体速度是独立的,与管的结构有一定关系;空化数随JB(卢=d/D,d是限流区域的直径,D是管径)线性增加;随着空化数的减小,空化越发剧烈。
空化数有以下几个方面的意义"1:
(1)判断空化初生和衡量空化强度。
当流场内的最低压力达到空泡不稳定的临界压力时,空化现象就会首先在该处发生,这里的空化数称为临界空化数或初生空化数C;;(2)可以描述设备对空化破坏的抵抗能力。
各种水利机构都有相应的c;值,Ci值越低,说明空化所需的压力将越大,该设备抵抗空化破坏的能力越强;(3)衡量不同流场空化现象的相似性。
在Re数、Fr数、we数等相似准数相等的情况下,当两种流动状态的空化数相等时,可以认为其空化现象也相似。
3
3.1
其中,下标移,g和Z分别代表蒸汽、气体和液体状态。
蒸汽质量分数工由蒸汽输运方程、质量守恒方程和动量守恒方程联合求解出来。
蒸汽输运方程
为:
掣+v(p既):
v(,吡)+R。
一R。
(5)
其中,y是速度矢量,,是有效变换系数,尺。
代表气泡的产生和膨胀的相变率,R。
代表气泡的压缩和破裂的相变率。
R。
和R。
从描述气泡在液体中运动特性的Rayleigh—Plesset方程推导得出¨1:
当p。
。
。
>p时,
耻c。
》护。
√笺≯”工吲(6)
当p。
<|P时,
数学模型与计算策略
湍流模型
本文采用标准的后一s模型,湍流粘度肛。
=pq
R。
_cc与E擘‘
u
(7)
~of,z
其中,C。
,c。
分别为相变率系数,根据大量实验c。
=0.02,C。
=0.01。
K。
为当地特征速度(约等于当地的湍流强度),盯为饱和液体的表面张力系数,p。
。
。
为液体的饱和蒸汽压,p为当地操作压强。
3.3计算策略
使用基于有限体积法的计算流体力学软件
(2)
生。
对不可压缩流体,|j}和占的方程分别定义为㈨:
掣+掣=毒【(弘+鲁)鸶】
a£
a菇i
a石f
L\…。
fr,,a戈i】
+G女一p8
FLuENT进行模拟计算。
由于轴对称性,只需要选取文丘里管轴向截面的一半作为研究对象。
计算采用的网格为非结构化网格,相对于结构化网格,非结构化网格计算过程比较复杂,但局部加密比较容易,适应性较强,易于显示流场的细微结构。
4
挚乒+堕簧盟=毒【(p+参)鸶】
at
a髫;
a并i
L、’w。
,r,a戈iJ
“华-c2。
p等(3)
其中
数值模拟结果与分析
Gt讯{2【(警)‘+(考)‘+(警)‘】
4.1模拟结果与实验结果分析
实验所使用的文丘里管结构尺寸如图1所示,本文对该结构尺寸文丘里管中的空化流场进行模拟,考察不同入口压力条件下空化流场中空化数、汽含率的变化情况。
在入口压力为0.3一O.7MPa、出口压力为0.1MPa条件下,计算结果如图2所示。
结果表明,随着人口压力的升高,喉管下游同一点处的空化数减小,该空化区的汽含率则随之增大,空化效果增强。
将相同条件下模拟计算所得的空化区汽含率分布与实验拍摄的空化云雾区图像进行比较,由图3可知,两者吻合很好。
这表明,采用标准的矗一8模型对文丘里管中的空化流场进行模拟,计算结果是可靠的。
+(等+塞)2+(詈+箬)‘+(赛+等)‘)
以上使用的5个常数分别为:
C。
。
=1.44,C:
。
=1.92,q=0.09,盯^=1.0,盯。
=1.3。
3.2空化模型
在当前的空化模型中,假设初始流场中含有不可冷凝小气核,这些小气核在液体中处于溶解或混合状态。
在来流中给定了不可冷凝气体的质量分数,所以整个流动区域的不可冷凝气体的含量都是常数,但其密度随着当地压强的变化而变化。
这样,就引入了混合密度函数p,它和蒸汽质量分数工的关系如下:
土:
量+蔓+!
二五二厶
4.2
(4)
文丘里管的模拟优化
空化强度不仅取决于操作条件,而且还与文丘
王智勇等:
文丘里管中空化流场的数值模拟
泡的溃灭耗散能量以及阻力损失造成的。
比较三种文丘里管的压力变化梯度可知,(a)、(c)管的压力变化较缓,(b)管的压力变化急剧,喉部的降压幅度较大,低压区范围较大,更有利于空化的发生。
Fi昏1
The
stmctureofVenture
图l文丘里管结构尺寸
蚕
羔
E
C
重
当
.宴苗=
宝
未
喜
Fi昏2
’I.he
relation8hip
betweeninlet
pIeB8ure蚰d
cavitationnumber&vaporbubblefiaction.
图2人口压力与空化数和汽含率的关系
里管的结构有关。
本文对图4所示的三种不同喉部结构的文丘里管的空化流场进行模拟,分别计算其空化数、压力分布和汽含率分布规律,并作以比较,由此得出有利于空化强化效应的文丘里管最优的结构形式。
4.2.1
Fi昏3
Thecomparisonofthesimula60nwiththe弓耳periment.
图3文丘里管空化区模拟与实验的比较
卜/1
(a)
l/—、IL/4\.¨/——、、、l
(b)
(c)
Fi昏4
Thetypes
of£hevencuri.
r、、—一一1卜./1
空化数比较
如前所述,空化数是描述空化初生和空化状态的重要参数,水力空化装置的结构尺寸对空化数有
Table1
图4文丘里管结构类型表l
Therelation8hip
管型与空化数的关系
between
很强的影响旧】。
对文丘里管而言,其喉部结构的变化能够引起空化数的变化,从而影响空化效果。
根据式(1),计算图4三种结构文丘里管喉部下游空化区的空化数,计算结果列于表1。
比较可知,在喉部直径相同情况下,喉部长度愈小其空化数就愈小;在喉部长度相同情况下,突变的收缩-扩张截面比流线型过渡的截面空化数要小,即b管的空化数最小,a管的其次,c管的空化数最大。
因此,可以预测b管的空化效果应最强烈。
4.2.2
ventIlri帅e
andcavit8tionnumber
venturi
a
type
cavitation
number
O.O1084510.0107437O.O108809
b
C
压力分布
MPa
在入口压力为O.5MPa、出口压力为0.1
条件下,分别对图4中(a)、(b)、(c)三种结构的文丘里管计算其空化流场的压力分布,结果如图5所示。
从图中可看出,在文丘里管的收缩段,压力沿流动方向逐渐降低,压力最低点的出现并不是在喉部,而是在喉部出口的缩颈处。
当压力小于液体饱和蒸汽压时即发生空化,并且在空化区内越靠近管壁处压力越低。
在文丘里管的扩张段压力逐渐升高,但最终的恢复压力小于初始压力,这主要是由于空化
f毽5
1'he
di8耐bution
of
pressu地in
tlIeventuris-
图5文丘里管中压力分布
4.2.3汽含率分布
空化发生时,由于液体的汽化以及含有的微小气化核心成长为气泡,致使液体中出现大量的空化
泡,形成液体.空化泡共存的气液两相流。
随着空化
942
计算机与应用化季
程度的加剧,空化泡的大小和数量都会增加,它在液体中占的比例增大。
因此,在研究空化效应时,液体中汽含率是一个重要参数。
在相同操作参数条件下,对图4所示的三种文丘里管模拟计算得出空化区汽含率分布,如图6所示。
可以看出,文丘里管(b)的空化区最大,相应的汽含率也最高,表明文丘里管(b)的空化效果最强
烈。
Fig.6
nediBtmmti蚰of
Vaporbubble
fhctionintllev蚰tIIri8.
图6文丘里管空化区汽含率分布
5
结论
本文使用基于有限体积法的计算流体力学软件
FLUENT,采用标准的.|}噌模型和空化泡动力学模型,计算文丘里管内的空化流场。
研究了操作条件、文丘里管的结构形式对空化效果的影响,通过对三种不同结构类型的文丘里管内空化区的空化数、压力分布和汽含率分布的分析,结论如下:
(1)对于一定结构尺寸的文丘里管,提高入口压力可使空化数减小,同时汽含率随之增大,空化强度增强。
(2)在管径一定情况下,减小文丘里管喉管长度,使喉部的收缩-扩张更加急剧,会引起空化数减小、压力变化急剧、汽含率增加,空化强度增强。
(3)在喉部长度相同情况下,突变的收缩一扩张截面比流线型过渡的截面的空化效果要好。
上述模拟计算所得结论是根据文丘里管内空化流场的空化数、压力分布和汽含率分布做出的。
实际上影响空化状态和程度的因素很多,除上述外,还有阻力损失、水体中微粒杂质、液体温度、黏度等因素。
而且,空化具有微观、瞬时、随机、多相的复杂特点。
因此,考虑综合影响因素准确描述空化流场还需进一步深入研究和探讨。
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文丘里管中空化流场的数值模拟
作者:
作者单位:
刊名:
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