文丘里管装置流动特性的数值模拟Word格式文档下载.docx
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中图分类号:
TV131
Abstract:
TheflowcharacteristicsoftheVenturitubedevicebyusingtheFluentsoftwarefornumericalsimulation,toexploretheregularitiesindifferentvelocity,throatlengthandthroatdiameterunderdifferentparameterdistributionrespectively.Theresultsshow,underdifferentinletvelocityconditions,aftertheliquidflowpassageinthetubetospeedupthetube,thespeedofthecenterofgravityoffirstmovestotherightandthenleft,andtheliquidflowstateis,distributionofeddycurrentbeforethefirstlaminarflow,throatpressureisgraduallyreduced;
Withtheincreaseofthroatlength,throatpressuredecreasesfirstandthenincreases,itsvelocitycenterisafterthefirstmovestotherightandleft,liquidflowstateispresented,laminardistributionofturbulentflow,andwhenthethroatlengthis20mm,cavitationeffectcanoccur;
Withtheincreaseofpipediameter,throatpressureisgraduallyincreased,itsvelocitycenterisaflaringsectionofthroattubewallgraduallymovingtowardbothsides,theliquidflowdistributiongraduallyfromlaminarflowtovortextransformation.
Keywords:
Venturitube;
design;
flowcharacteristic;
numericalsimulation
文丘里管亦称通用文丘里管、低压损文丘里管,由于其特殊的的渐缩管、喉管、渐扩管结构,使得液流高速通过时能产生空化效应,而被广泛应用。
空化效应是液体特有的现象,主要是指当液体内局部压力降低时,液体内部或固液交界面上蒸气或气体的空穴(空泡)的形成、发展和溃灭的过程[1]。
此时,由于空气泡的溃灭会在其周围引发热点,从而产生瞬时高温和高压,并能形成强烈的冲击波和速度高达100m/s以上的微射流[2]。
这种极端的物理、化学环境能引起多种物理与化学效应,作用于物件或周围物质,达到清洗、切割、破碎物件、破乳以及处理有机物等效果[3]。
文丘里管作为水力空化的主要装置之一[4],目前已在石油,乳化油等废水破乳方面得到广泛应用[5],其主要机理是空化设备形状变化导致液体速度变化,进而引起压力变化所致[6]。
本文首先利用Gambit软件对文丘里管装置进行了设计,并基于计算流体力学软件Fluent6.3对文丘里管装置的流场特性进行了数值模拟分析,探究其液体流动特性,以期能够为其在文丘里管装置设计、选材以及乳化废水破乳领域的应用方面给出改进建议,空化效应利用最大化。
1.文丘里管装置
为了能够清楚地观测文丘里管对乳化油废水进行破乳的情况,设计出容易产生空化且尺寸合适便于观察的文丘里管装置是关键。
本文设计的文丘里管装置如图1所示,主要分为渐缩段、喉部和渐扩段。
图1文丘里管装置图
Figure1Venturitubedevicediagram
列出伯努利方程[7]:
式中:
p1,p2—分别为断面1和断面2中心处的压强;
Q—为流过文丘里管空化装置的流量;
—为渐扩段边界线与水平线之间的夹角;
2.数学模型的建立
2.1模型建立及边界条件
(1)Fluent软件
Fluent是用于模拟具有复杂外形的流体流动以及热传导问题专用的CFD软件,具有较强的适应及较广的的应用面[8],利用它可以求解一些几何形状和边界条件都很复杂的流动问题,还可以通过设置不同的控制参数来进行各种的数值计算。
(2)物理模型
用Fluent6.3自带的前处理软件Gambit建立临界流文丘里装置内部的三维立体的物理模型。
其中入口段直径D1=50mm,L1=40mm,喉管处直径D2=10mm,L2=40mm,出口段直径D3=50mm,L3=163mm。
(3)网格划分
用Gambit对该流场进行网格划分,其划分的质量对计算的精度和稳定性有很大的影响。
对三维结构网格(单元是三边形),其优点是能生成复杂外形的网格,但在同等网格数量的情况下,它比结构网格所需的内存更大、计算周期更长。
(单元是四边形)优点是能准确的处理边界条件,计算精度高,缺点是对复杂外形的网格生成较难,甚至难以实现[9]。
对此,本文在面网格划分时选取了Hex/Cooper混合型网格,使模型更准确。
(4)边界条件
对该文丘里管装置在入口速度和出口速度分别为V1和V2的流场特性作了数值模拟。
2.2基本控制方程
(1)基本控制方程
文丘里管里的水流流动可视为不可压缩的稳定流动,符合质量和动量守恒定律,因此其基本控制方程由连续性方程和Navier-Stokes方程等构成[10]。
连续性方程为:
式中:
u、v、w分别为速度矢量(U)在x、y、z方向的分量,m/s。
Navier-Stokes方程为:
式中:
ρ—为水的密度,kg/m3;
μ—为水的动力黏度系数,Pa/s;
t—为时间,s;
U—为速度矢量,m/s;
p—为流体微元体上的压力,Pa;
Fx、Fy、Fz—分别为单位体积上质量力在x、y、z方向的分量。
(2)Fluent模拟湍流方程
本文Fluent数值模拟采用多相流模型中的混合模型,采用标准k-
模型[11],其控制方程如下:
动量方程:
K方程:
方程:
—按体积1加权平均的密度;
—分子粘性系数;
P—修正压力;
、
—紊流普朗特数;
—1粘性系数,
;
—由平均速度梯度引起的紊动能;
其中G为:
3.数值模拟
利用Fluent软件分别对该文丘里管装置,在入口速度、喉管长度、喉管直径三个方面进行数值模拟分析。
其收敛条件为0.02,迭代步时设为300。
3.1渐缩管入口速度对文丘里管流动特性的影响
该文丘里管各参数的设定如下表所示。
表格1文丘里管各参数设定
Table1Venturitubeparameterssetting
入口速度m/s
D1(mm)
D2(mm)
D3
(mm)
L1
L2
L3
0.3
50
10
40
120
0.5
1
1.5
(1)速度云图分布
经过Fluent分析后所得速度云图如下图所示,从左到右分别为入口速度由小增大顺序的云图排列。
图2不同入口速度下的速度云图分布
Figure2Thespeedofclouddistributionunderthedifferententrancevelocity
由上面的云图分布可以发现,当入口液流速度较低时,其经过文丘里管喉口的速度,普遍为渐缩段低于渐扩段,随着速度的增大,速度重心开始向左移动,即渐缩段大于渐扩段速度。
分析认为,当入口速度较低,液流有足够的时间快速通过渐缩管进行加速,从而经过喉口在喉口处未及扩散,故而此时速度最大[12];
当入口速度较大时,其进入渐缩段后,由于流动截面的突然减小,但单位时间内流过的流量不变,以致速度过大,同时又因为速度惯性力的作用,未及时通过喉管,集中在喉管前,从而速度最大。
(2)速度等值线
对其速度等值线进行分析,得到如下图所示分布。
图3不同入口速度条件下的速度等值线分布
Figure3Undertheconditionofdifferententrancevelocityvelocitycontours
由以上速度等值线可以发现,当液流经过喉口后,其在渐扩段的速度分布为由管壁向中心线扩散,速度逐渐降低。
分析认为,液流在经过渐缩管加速后,在喉口后沿管壁迅速扩散[13],从而导致管壁边沿处速度大而中心线处速度小。
(3)流线分布
对其速度流线图进行分析,得到如下图所示。
图4不同入口速度条件下的速度流线图分布
Figure4Thespeedofstreamlinedistributionofdifferententrancevelocityconditions
由以上流线分布图可以发现,随着入口速度的增大,液流状态逐渐由紊态湍流趋于层流流动,特别是在液流通过喉口后,更是有一段层流柱,而在层流柱与管壁的这一段则呈涡流状态。
分析认为,当液流通过喉口后,其速度非常大,形成喷射柱[14],之后向两边扩散,在碰到管壁后返回呈涡旋状态前进。
3.2喉管长度对文丘里管流动特性的影响
通过改变文丘里管装置的喉管长度,然后用Fluent软件进行数值模拟,其参数设定如下表所示。
表格2不同喉管长度下各参数的设定
Table2Thesetofparametersindifferentthroatlengths
喉管长度
入口速度
(m/s)
喉管直径
D1
20
通过改变喉管长度后,经Fluent软件分析后所得速度云图,如下图所示。
图5不同喉管长度下的速度云图分布
Figure5Thespeedofclouddistributionunderdifferentthroatlength
由上图可以发现,各文丘里管内速度都呈现梯级分布的特点。
经过收缩段和喉口段流通截面收缩,液流剧烈加速,在喉口处速度达到最大值,但随着喉管长度的增大,其速度最大值先左移后右移。
分析认为,在喉管长度较短时,液流经手缩段后,能够迅速通过喉管,在喉管停留时间短,之后在渐扩段迅速喷射开,从而在右边喉管处速度最大[15]。
当喉管长度增大后,液流不能及时通过喉管,从而在左边收缩段喉口处,挤压快速收缩,从而此时速度最大。
(2)速度等值线分布
通过改变喉管长度后,经模拟分析后所得速度等值线分布图,如下图所示
图6不同喉管长度下的速度等值线分布
Figure6Differentthroatlengthsunderthevelocitycontours
由以上速度等值线分布图可以发现,在喉管长度较短时,渐扩段喉口处速度最大,且其速度由喉口向右呈梯级分布;
当喉管长度增大时,渐缩段喉口处速度最大,且其速度在渐扩段呈一个个漩涡状向四周梯级分布;
当其喉管长度继续增大后,其速度重心在渐扩段,由管壁向中心线处梯级分布。
(3)速度流线分布
通过改变喉管长度后,经模拟分析后所得速度流线分布图,如下图所示。
图7不同喉管长度下的速度流线图分布
Figure7Thespeedofstreamlinedistributionsunderthedifferentthroatlengths
由上图可以发现,在喉管长度较短时,液流通过喉管后在渐扩段靠近管壁的一边呈匀速层流状态,一边呈紊流状态;
随着喉管长度的增大,液流在渐扩段喉口处呈柱状层流分布,而在两边靠近管壁处,则呈涡流分布,其中在管壁靠近喉口处发生空化效应,出现部分真空状态;
当喉管长度继续增大时,液流在渐扩段喉口处呈涡流状分布,在渐扩段出口处呈层流分布。
3.3喉管直径对文丘里管流动特性的影响
为了进一步对文丘里管的结构构造进行探究,改变其喉管直径,分析其液流流动特性。
其所设参数如下表所示。
表格3不同喉管直径下各参数的设定
Table3Differentthroatdiameterofeachparameterset
喉管直径(mm)
入口速度(mm)
16
(1)速度云图
通过改变喉管直径,经Fluent软件分析后,所得速度云图,如下图所示。
图8不同喉管直径下的速度云图分布
Figure8Thespeedofclouddistributionunderdifferentpipediameter
由上图比较可以发现,随着喉管直径的增大,在喉管直径较小时,右边渐扩段喉口处出现速度重心,且向右呈梯级分布;
但随着喉管直径的增大,其在渐扩段速度梯度差在逐渐变小。
通过改变喉管直径,经Fluent软件分析后,所得速度等值线分布图,如下图所示。
图9不同喉管直径下的速度等值线分布
Figure9Differentpipediameter,thevelocitycontourdistribution
由上图可以发现,当喉管直径较小时,在渐扩段喉口处速度最大;
随着喉管直径的逐渐增大,其在渐扩段液流出现多个速度重心点;
当喉管直径继续增大时,渐扩段液流速度分布为,靠近管壁处速度最大,然后向中心线处,逐渐减小分布。
(3)速度流线图
通过改变喉管直径,经Fluent软件分析后,所得速度流线图,如下图所示。
图10不同喉管直径下的速度流线图分布
Figure10Thespeedofstreamlinedistributionsunderdifferentthroatdiameter
由上图比较可以发现,在喉口直径较小时,液流在渐扩段,呈喉口处速度最大且为涡流分布,在靠近渐扩段出口处呈层流分布;
随着喉口直径的增大,喉口右边的漩涡流直径变大;
随着喉口直径的继续增大,其漩涡流直径开始变小,向层流转化的趋势。
3.4对喉部压强的影响关系
(1)入口速度对喉部压强的影响关系
入口压强设为1个大气压,8在不改变文丘里管尺寸大小的情况下,喉部压强与入口速度关系曲线如下图所示所示。
图11喉部压强与入口速度的关系
Figure11Relationshipbetweenthroatpressureandinletvelocity
从上图可以看出,当入口速度较小时,喉部压强也较小,并随着速度的增加而缓慢下降,即喉管喉口处压力随入口速度的降低而降低,且随着入口速度的增大,喉部压强下降的越快。
分析认为,入口速度越大,其在渐缩段剧烈压缩,从而造成喉口处压力迅速增大。
(2)喉管长度对喉部压力的影响关系
入口速度设为1m/s,其他尺寸不变的情况下,文丘里管喉管长度与喉部压强的关系如下图所示。
图12喉部压强与喉管长度的关系
Figure12Therelationshipbetweenthethroatpressureandthroatlength
由上图观察可以发现,随着喉管长度的增长,喉部压强先下降后上升。
分析认为,当喉管长度由10mm-20mm时,液流不能快速通过喉管,也就在喉口处压强较小,当其长度由20-40mm时,喉管长度足够长,便于在渐扩段形成液柱,已经有一部分液流快速通过喉管,也就形成较大压强。
(3)喉管直径对喉部压力的影响关系
入口速度设为1m/s,其他尺寸不变的情况下,文丘里管喉管直径与喉部压强的关系如下图所示。
图13喉部压强与喉管直径的关系
Figure13Therelationshipofthroatandthroatdiameterpressure
由上图可以发现,随着喉管直径的增大,喉部压强逐渐增大,当喉管直径增大到一定时,喉部压强变为0pa。
分析认为,当喉管直径逐渐增大时,文丘里管的渐缩角与渐扩角逐渐减低,当液流到达喉部时,已经逐渐起不到加速与扩散的作用,从而也就不会再喉部形成负压。
4.结论
通过对以上对文丘里管不同入口速度、不同喉管长度及不同喉管直径的Fluent数值模拟发现:
其他条件不变,在只改变液流入口速度的条件下,随着入口速度的增大,文丘里管内部液流速度重心,先在渐扩段右移后左移,且在靠近管壁处速度最大;
当速度足够大时,其速度重心开始左移到渐缩段,且在喉口处速度最大;
而液流状态为,先层流后涡流再紊流分布。
在只改变喉管长度的情况下,随着喉管长度的增大,文丘里管装置内部液流速度重心,先右移后左移;
液流状态则呈现出,先紊流后层流分布,且当喉管长度为20mm时,发生空化效应。
在只改变喉管直径的情况下,文丘里管装置内部液流速度重心,由渐扩段喉口处逐渐向两边管壁移动,其液流分布状态逐渐由层流向涡流转化。
由以上分析结果,可以确定一定的喉管长度(L2=20mm时),发生空化效应,使其在石油、乳化油废水破乳中得以应用,便于废水处理。
由以上研究发现,文丘里装置内部的液流速度重心,普遍集中在喉口以及管壁边缘处,所以在设计文丘里管装置时,要对其喉口及管壁选用较厚耐压的材质,才能更好的应用于实际装置设备中。
以上研究可以发现,随着入口速度的逐渐增大,文丘里管喉部压强逐渐降低;
不改变其他条件,当喉管长度增大时,喉部压强则先降低后增大;
不改变其他条件,当喉管直径逐渐减低时,喉部压强则逐渐增大。
通过以上的这些比较分析,让我们在文丘里管装置的设计、选材上能够提供一定的科学依据,从而设计出优良耐用的文丘里管装置。
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作者简介:
潘国浩(1992-),江苏连云港人,硕士研究生。
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- 文丘里管 装置 流动 特性 数值 模拟