涡腔倒角结构对涡流二极管性能影响的数值模拟

曹 寅 吴燕华 林 超 何兆忠 陈 堃

1（中国科学院上海应用物理研究所 嘉定园区 上海 201800）

2（中国科学院大学 北京 100049）

涡腔倒角结构对涡流二极管性能影响的数值模拟

曹 寅1,2吴燕华1林 超1,2何兆忠1陈 堃1

1（中国科学院上海应用物理研究所 嘉定园区 上海 201800）

2（中国科学院大学 北京 100049）

为了探讨涡流二极管涡腔倒角对其流动性能的影响规律，利用计算流体力学方法(Computational Fluid Dynamics, CFD)对4种具有不同高度涡腔倒角的涡流二极管进行了正反向流动的数值模拟，正向流动采用标准k-ε湍流模型，反向流动采用RNG (Renormalization Group) k-ε湍流模型。结果表明，相较于标准结构，其余三种高度的涡腔倒角在较高雷诺数下都可以降低正向流动阻力，但同时也会降低反向流动阻力。其中，高度为3/4涡腔高度的倒角结构，可以最大程度地降低正向流动阻力，同时对反向流动阻力的影响最小，对涡流二极管性能的提高效果最为显著。数值模拟所得结论可为涡流二极管的优化设计提供参考依据。

涡流二极管，涡腔，倒角，阻力系数

涡流二极管是一种控制流体单向流动的元件，其作用类似于逆止阀。由于其具有结构简单、无转动部件、不需外部控制和动力、可靠性高等诸多优点，在医学、核工业、石油化工等行业有着广泛的应用。

由于涡流二极管正向流动阻力小、反向流动阻力大的特性，在氟盐冷却高温反应堆上，可以作为非能动余热排出系统的关键设备之一，起到重要的作用。在正常工况下，冷却剂反向流经涡流二极管，流量低，堆芯额外的热损失小；事故工况下由于自然循环的作用，冷却剂正向流经涡流二极管，流量大，可以提供充足的冷却能力。

典型的涡流二极管主要由切向管、轴向管和涡流腔室组成。涡流二极管的基本作用原理是：当流体从轴向管流入，经过涡腔从切向管流出时，将其定义为正向流动，正向流动具有较小的流动阻力；当流体由切向管流入，经过涡腔从轴向管流出时，将其定义为反向流动，由于切向速度引起的旋流作用，反向流动阻力较大。近年来，国内外诸多学者对涡流二极管的结构，包括切向管锥角、涡腔直径、腔径比、涡腔形状等方面的优化做了许多工作[1−5]。但在涡腔倒角结构对涡流二极管性能的影响规律和作用机理方面，还缺少深入和系统化的研究。本文用数值模拟的方法对涡流二极管的涡腔倒角结构进行了研究，分析了涡腔倒角对涡流二极管性能的影响规律，并结合部分实验结果对模拟方法进行了验证，提出了涡腔倒角的最优高度，对这方面的研究进行了初步的探讨。

1 涡流二极管的数值计算

1.1 计算网格划分与设定方法

本文采用涡腔直径为150 mm、涡腔高度为25mm的涡流二极管作为标准结构，使用Solidworks进行建模，使用ICEM CFD 14.0进行前处理，对其进行分区网格划分，其中切向管和腔室连接区域为四面体非结构网格，其余部分为六面体结构网格，网格数量约为90万，网格质量在0.5以上。网格划分如图1所示。

图1 涡流二极管网格划分Fig.1 Meshing of vortex diode.

在涡流二极管中，正向流动较为简单，没有强旋流的产生，为各向同性的湍流运动，因此采用标准k-ε湍流模型。反向流动为复杂的涡旋流动，具有较强的各向异性，属于不稳定的复杂剪切流。在湍流模型中处理旋流问题主要使用雷诺应力模型(Reynolds Stress Model, RSM)和RNG (Renormalization Group) k-ε模型。RSM模型直接对各个雷诺应力项进行模化，RNG k-ε模型对标准k-ε模型进行了有旋修正，二者都适合于旋流问题[3,6]。但考虑到RNG k-ε模型具有更好的收敛特性，本文选择RNG k-ε湍流模型。

求解方程在FLUENT14.0上进行，根据涡流二极管的实际性能和内流特征，假定流动状况是介质为水的定常流动，采用速度进口，恒定压力出口，给定水力直径和湍动强度I为湍动条件。另外，从涡腔流出的液体具有较大的旋转分量，仅采用压力出口容易出现回流现象，使计算过程难以收敛，为避免回流且保持出口压力恒定，在出口处设置一个和流速成正比的额外的阻力系数，以消除回流的影响[7]。压力和速度的耦合采用SIMPLE算法，压力项的离散采用standard格式，其余动量、湍动能和耗散率的离散采用二阶上风离散格式。

1.2 计算模型简介

现有的标准结构的涡流二极管，涡腔底部是一个平面。在正向流动的情况下，流体从轴向管垂直流入，撞向涡腔下壁，这样会导致水流动能的损失，从而增大正向阻力。所以在涡腔下壁中央处设置圆锥状的倒角结构，可以起到一定的缓冲作用。但是这种圆锥状倒角结构占据了部分涡腔体积，会使涡腔中央处的流道变窄，可能会对正反向流动产生额外的影响。因此，为了避免上述情况，在腔室与轴向管连接处也增加与涡腔底部角度相同的倒角。

如上所述的涡腔倒角结构对涡流二极管性能的优化仅是基于物理推断，需要对其流场特性进行更为具体的研究。此外，不同的涡腔倒角尺寸对涡流二极管性能的优化也存在差异。基于这一情况，本文选取底部锥角高度分别为0 mm（标准型）、6.25mm（1/4涡腔高度）、12.5 mm（1/2涡腔高度）、18.75 mm（3/4涡腔高度）的4个模型进行了模拟计算，4个模型的其余尺寸均相同，结构示意图如图2所示。

图2 涡腔倒角结构示意图Fig.2 Structure of chamfered vortex chamber.

2 数值计算结果与分析

2.1 正向流动计算结果与分析

流体在涡流二极管内正向流动时，水流比较顺畅，没有强旋流的产生，因此流动阻力较小，阻力系数可用表征流场压力降与其动压头之间相对关系的欧拉数表示：

式中，ΔPf是正向流动时进出口的压力差；ρ为流体的密度；v为流体进入涡腔处的速度。计算结果如图3所示。

图3 正向阻力系数对比Fig.3 Comparison of the forward flow resistance.

由图3，在低雷诺数Re下，具有涡腔倒角结构的涡流二极管正向阻力系数反而增大，随着雷诺数的逐渐增大，涡腔倒角结构才逐渐发挥作用，降低正向流动的阻力。这是因为低雷诺数下流体动能较小，未能剧烈冲击涡腔下壁，所以涡腔下壁的倒角结构不仅不能达到预想的效果，反而使流道不平，增大了流阻。因此增加涡腔倒角结构对于用在较高雷诺数工况下的涡流二极管是有一定意义的。

图3显示，涡流二极管正向流动阻力会随着涡腔倒角高度的增大而减小，高度为12.5 mm和18.75mm倒角的涡流二极管正向流动阻力较为接近，较标准结构明显更低。

选取标准结构和倒角高度为18.75 mm的涡流二极管的截面流线和压力云图如图4、图5所示。

图4 流线图对比(a) 标准结构，(b) 倒角结构Fig.4 Comparison of pathlines. (a) Standard structure, (b) Chamfered structure

图5 压力云图对比(a) 标准结构，(b) 倒角结构Fig.5 Comparison of pressure contours. (a) Standard structure, (b) Chamfered structure

从图4、图5可以明显看出，涡腔倒角结构对从轴向管垂直而下的流体起到了缓冲和分流的作用，不仅减小了动能损失和压降，同时避免了流体对涡腔下壁的剧烈冲击，提高了涡流二极管的稳定性和可靠性。

2.2 反向流动计算结果与分析

流体在涡流二极管内作反向流动时，由于切向速度引起的强旋流，使得流体难以进入轴向管，流动阻力较大，阻力系数同样用欧拉数表示：

式中，ΔPr是反向流动时进出口的压力差。计算结果如图6所示。

图6 反向阻力系数对比Fig.6 Comparison of the reverse flow resistance.

由图6可见，4种类型的涡流二极管中，标准结构涡流二极管的反向阻力系数最大，其余三种改进型都会使反向阻力系数有不同程度的减小，说明了增加涡腔倒角结构会不同程度地破坏反向流动中的涡旋流，使旋流强度降低，从而减小反向阻力。但从图6中可以看出，不同高度的涡腔倒角对反向流动阻力的影响不同，其中高度为18.75 mm的涡腔倒角对反向流动的影响最小，反向阻力系数与标准型最为接近。

2.3 涡腔倒角结构的最优设计

一般采用单向性来衡量涡流二极管的性能，根据文献[1]、[2]可知，单向性是一个随雷诺数而逐渐增大、最终趋于稳定的参数，单向性定义为：

根据上述模拟和计算得出的结果，4种涡流二极管的单向性对比如图7所示。

图7 单向性对比Fig.7 Comparison of the diodicity.

由图7可见，涡腔倒角高度为18.75 mm时，涡流二极管单向性最大；涡腔倒角高度为12.5 mm时，涡流二极管的性能相较于标准型涡流二极管也有一定提高；当涡腔倒角高度为6.25 mm时，倒角结构会使涡流二极管的单向性有较大幅度的下降。

结果分析可知，涡流二极管涡腔的圆锥形倒角高度设计存在一个最优值，其值在3/4涡腔高度左右，且增加不合适的涡腔倒角结构，不仅不能达到预期的效果，反而大幅度降低涡流二极管的单向性。

3 实验验证

为了验证数值模拟方法的正确性，本文进行了相应的实验。涡流二极管实验本体与数值模拟中的标准结构模型一致，实验采用了水工质。实验结果与模拟结果对比如图8所示。从图8可以看出，在实验的雷诺数范围内，正向和反向流动阻力的模拟结果与实验结果误差都在20%以内，证明了本文所用模拟方法的可靠性。

图8 模拟与实验结果对比Fig.8 Comparison of simulations and experiments.

4 结语

本文对现有涡流二极管进行了涡腔结构的优化研究，即在涡腔底部及涡腔和轴向管的连接处增加倒角结构。通过数值模拟，对4种不同高度倒角的涡流二极管进行了正向流动和反向流动的阻力特性研究。结果表明，增加涡腔倒角结构会使正、反向流动的阻力同时减小，当倒角高度约为3/4涡腔高度时，其正向流动阻力减小幅度最大，反向流动阻力减小幅度最小，故二者比值E最大，即涡流二极管涡腔倒角高度的设计存在一个最优值，其值约为涡腔高度的3/4。

1 Kulkarni A A, Ranade V V, Rajeev R, et al. CFD simulation of flow in vortex diodes[J]. AICHE Journal, 2008, 54(5): 1139−1152

2 Kulkarni A A, Ranade V V, Rajeev R, et al. Pressure drop across vortex diodes: experiments and design guidelines[J]. Chemical Engineering Science, 2009, 64(6): 1285−1292

3 焦磊, 陈纵楠, 吴淳杰, 等. 切向管结构对涡流二极管性能影响的数值模拟[J]. 工程热物理学报, 2011, 32(3): 415−418

JIAO Lei, CHEN Zongnan, WU Chunjie, et al. Numerical simulation of tangential port on vortex diode performance[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2011, 32(3): 415−418

4 尹俊连, 王循明, 焦磊, 等. 旋流腔结构对涡流二极管性能及流动影响的数值模拟[J]. 化工学报, 2009, 60(6): 1409−1413

YIN Junlian, WANG Xunming, JIAO Lei, et al. Numerical simulation of effect of swirling chamber structure on performance and flow in vortex diode[J]. CIESC Journal, 2009, 60(6): 1409−1413

5 邵森林, 李江云, 邱寒. 提高涡流二极管性能的数值仿真分析[J]. 工程热物理学报, 2011, 32(6): 953−956

SHAO Senlin, LI Jiangyun, QIU Han. Numerical simulation analysis for improving the performance of vortex diode[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2011, 32(6): 953−956

6 王乐勤, 孙青军, 焦磊. 大流量涡流二极管内流仿真及高阻特性研究[J]. 工程热物理学报, 2008, 29(12): 2046−2048

WANG Leqin, SUN Qingjun, JIAO Lei. A study on the simulation of the internal flow in vortex diode pump and the high resistance characteristics[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2008, 29(12): 2046−2048

7 焦磊, 陈纵楠, 刘世国, 等. 涡流二极管三维强旋湍流流动的数值模拟[J]. 工程热物理学报, 2011, 32(11): 1855−1858

JIAO Lei, CHEN Zongnan, LIU Shiguo, et al. Numerical simulation of three-dimensional strong rotational flow in vortex diode[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2011, 32(11): 1855−1858

CLC TL364

Numerical simulation of the performance of vortex diodes with chamfered vortex chambers

CAO Yin1,2WU Yanhua1LIN Chao1,2HE Zhaozhong1CHEN Kun1
1(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China)
2(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Background: Vortex diode is a kind of uniflow component, and a simple vortex diode contains a vortex chamber, a tangential nozzle and an axial nozzle. Purpose: The aim is to investigate the effect of chamfered vortex chamber structure on vortex diode performance. Methods: Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations were used on vortex diodes with four different chamfered structures. Standard k-ε model was selected for forward flow, while RNG (Renormalization Group) k-ε model was selected for reverse flow. Results: The results show that compared with standard structure, all the other three chamfered structures can reduce the positive flow resistances at relatively high Reynolds number, while the reverse flow resistances are also reduced. Among them, the chamfered structure of 3/4 vortex chamber height, can reduce the forward flow resistance to the greatest extent while keeping minimum impact on the reverse flow resistance. Conclusion: The chamfered structure of 3/4 vortex chamber height improves the overall performance of a vortex diode most significantly. The results of the simulation can provide some basis for optimizing the vortex diode performance.

Vortex diode, Vortex chamber, Chamfered, Resistance coefficient

TL364

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.010602

中国科学院战略性先导科技专项(No.XDA02050100)、上海市科研计划项目(No.14ZR1448400)资助

曹寅，男，1986年出生，2009年毕业于华东理工大学，现为硕士研究生，研究领域为反应堆热工流体力学

陈堃，E-mail: chenkun@sinap.ac.cn

2014-08-11，

2014-08-25