整流栅对管内流体流态影响的模拟研究

2021-03-12刘子龙章煜君金双双陈秀华

南方农机 2021年5期

刘子龙，章煜君，金双双，陈秀华

（1.中国联合工程有限公司，浙江杭州 310052；2.沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁沈阳 110869）

0 引言

随着我国城市化进程日益加快，兴修大型水利工程越来越重要，这对给排水工程提出了更高的技术要求。泵站是给水排水工程中必要的组成部分，在给排水系统中起到枢纽作用。但是大型泵站前池流态紊乱，会引起泵气蚀、水利振动等危害，导致泵站运行工况恶化[1]，而整流技术对泵站机组安全、稳定、高效地运行起到关键作用，因此研究整流技术是大时代背景下的必然趋势。常用的整流技术有导流墩整流技术、压水板整流技术、坎底整流技术及导流栅整流技术。傅宗甫，顾美娟等通过实验得出导流墩墙顶应高于水面，且适合平原闸站合建枢纽的导流墩长度在30m～40m之间[2]。李百齐，张有敬等通过试验发现采用压水板/导流墩组合导流技术可以提高导流效果，优化泵站前池的流态和流场[3]。罗灿、成立等通过实验与数值模拟相结合的方法研究了增设坎底整流措施后泵站正向进水前池的流态情况。结果表明坎高约为0.3H，底坎设在距进水池(7-10)D处时，前池流态能够明显得到改善[4]。田景环学者等通过试验研究得出在弯道管段设置导流栅可以大大改善转弯前后的流态，且对消除弯道涡流及调整均化流速分布有显著作用[5]。然而目前，针对整流栅对流体流态的影响大多通过实验研究，且对整流栅结构形式的研究还较少，因此本文提出了两种结构形式的整流栅，并通过CFD仿真模拟，深入研究不同结构形式的整流栅对流体流态的影响。

1 模型前处理

1.1 物理模型的建立

图1 单层导流结构

图2 双层交错型导流结构

整流栅外部为圆管状，内部焊接十字叶片作为导流结构。本文研究两种结构形式的整流栅，一种为单层导流结构，一种为双层交错型导流结构，具体结构尺寸如图1、图2所示。

模拟过程如图3所示，流体从A口流入系统，经过阀门与弯管后从B口流出。图中红框分别为直管、单层导流结构整流栅和双层交错型导流结构整流栅，通过模拟三种工况得出整流栅对流体流态的影响。

图3 模拟方案

1.2 网格划分

网格划分在ANSYS工作平台的MESH中完成，采用六面体结构网格和四面体非结构网格相结合的方法，对于面积变化处采用局部网格加密。网格划分结果如图4所示。

图4 流道模型网格划分

网格节点数共63 739个，网格总数共255 314个，经网格无关性检验得出该网格划分结果符合计算要求。

2 FLUENT模拟计算

2.1 数学模型的建立

流体通过整流栅的流动过程满足质量守恒、动量守恒、及能量守恒三大守恒定律[6]。本文模拟视工质为不可压缩流体，流动过程为稳态流动，则质量守恒方程可以表示为：

动量守恒方程即N-S方程可表示为：

上式中：p为作用在流体上的正压力；τ为作用在流体微元表面上的黏滞力；Fx、Fy、Fz为微元体自身力。

能量守恒方程可以表示为：

式中：cp为比热容，T为温度，K为流体的传热系数，sT为粘性耗散项，表示流体的内部热源及由于粘滞力作用流体机械能转换为的热量。

为快速求解N-S方程，本文通过k-ε两方程模型来简化动量守恒方程[7]。

湍动能k方程：

湍动耗散率方程：

2.2 边界条件及初始值的设置

根据实际工况要求、工质选择水，进口边界条件定义为速度及压力进口，模拟总液相流量为30 000m3/h，压力为17.3MPa，出口边界条件设置为压力出口，压力为15.23MPa；流动过程属于内流问题，由于整流栅上游流动无扰动，因此湍流强度因子可取较低值取0.1，而整流栅对下游流动有明显扰动，因此出口湍流强度因子设置为0.5；求解方法选择SIMPLE算法，离散方法选择二阶迎风算法，这样可避免一阶迎风只保留泰勒级数第一项而导致计算结果不够精确。模型其余部分设置为无渗透无滑移壁面边界条件。

完成上述设置后，进行流场初始化，设置计算步长，开始求解。

3 结果及分析

3.1 整流栅对流体流态的影响

通过对不同工况进行模拟，得出系统流场分布结果，如图5、图6所示。

图5 无整流栅的系统流场分布

图6 单整流栅流场分布

由图5、图6可知，当弯管出口不加装导流栅时，流体通过弯管后的流态十分紊乱，横向环流状态十分明显；而弯管出口加装单层导流栅后，流体通过弯管的流态分布趋于均匀，横向环流的旋切角大幅减小，流体基本沿管程方向直线流动，流态得到改善。这是因为是当流体穿过整流栅时，会产生绕流效应，能够有效阻断流体因扩散效应而出现的横向旋流，从而起到整流作用[8]。