小孔徑多級孔板組件節流效應仿真

劉萬龍 梁國柱

(北京航空航天大學 宇航學院,北京 100191)

徐 銘 張化照

(北京宇航系統工程研究所,北京 100076)

小孔徑多級孔板組件節流效應仿真

劉萬龍 梁國柱

(北京航空航天大學 宇航學院,北京 100191)

徐 銘 張化照

(北京宇航系統工程研究所,北京 100076)

對小孔徑多級孔板組件(簡稱多級孔板)節流效應進行仿真研究,發現這類仿真對初場要求非常嚴格,初場不合理很容易產生偽平衡問題,通過迭代計算尋找合理初場的方法解決了該問題.同時對孔徑 0.1mm、孔徑比 0.025的多級孔板進行了數值仿真,仿真結果表明孔板數是影響多級孔板流量系數的主要因素.根據仿真數據給出多級孔板流量系數擬合公式,可以應用于工程設計計算.

孔板;流動仿真;節流;流量系數

小孔徑孔板廣泛應用于運載火箭管路系統中.由于孔板流量主要由孔板面積和壓差決定[1],某型火箭排氣冷卻裝置使用多個孔徑 d=0.1mm、孔徑比(節流孔與連接管內徑之比)β=0.025的孔板同軸串聯,逐級降低氣體總壓,提高節流效果.本文針對該結構的節流效應展開研究.

目前國內已有較多關于多級孔板水流消能的研究,文獻[2]提出了多級孔板防止氣蝕的設計方法,文獻[3-6]對不同孔板消能設計方案的消能效率、流速分布等方面進行了室內或原型的試驗研究,眾多研究都表明多級孔板有很高的消能效率,但這些研究的對象都為大孔徑、高孔徑比多級孔板的水流研究.國內還沒有針對小孔徑、低孔徑比多級孔板組件(簡稱多級孔板,下同)空氣流動的研究.

1998年 ISO推出了 Reader-Harris/Gallagher孔板流量系數公式[7],但其適用范圍為 50mm≤D(管路內徑)≤1000mm,d≥12.5mm,0.1≤β≤0.75.對于 D＜50mm,d＜12.5mm,β＜0.1的孔板流量系數,目前國際上尚無統一的數據[8].

這類小孔徑、低孔徑比多級孔板,試驗研究困難,而且花費很大,故本文采用 Fluent軟件對其進行仿真研究.在仿真過程中發現這類仿真對初場要求非常嚴格,初場不合理很容易產生偽平衡問題.本文通過尋找合理初始流場的方法解決了該問題,同時對孔徑 0.1mm、孔徑比 0.025的多級孔板進行了數值仿真.為提高工程設計效率,避免復雜的流場仿真,根據仿真數據本文將給出具有物理意義的擬合方程,為進一步的工程設計計算、試驗提供指導和數據支持.

1 計算模型和邊界條件

1.1 物理模型

圖1為 3級孔板物理模型示意圖(為顯示方便,孔板孔徑作放大處理).如圖所示多級孔板基準參數為:孔徑 0.1mm,管路內徑 4mm,孔板厚度2mm,孔板間連接管路長 8mm,入口段長 25mm,出口段長 34mm.其他多級孔板與圖 1僅孔板數量不同,其他結構參數一致.工質為空氣,背壓101325Pa,環境溫度 293K.

圖1 3級孔板物理模型示意圖(單位:mm)

1.2 網格劃分

采用軸對稱計算模型,由 Gambit軟件生成網格.由于本模型為多級孔板,孔徑比為 0.025,對網格進行了特別的處理:

1)對直徑變化劇烈區域通過調整比例系數進行局部加密;

2)對各個管路及孔板進行單獨網格分區,以便分區賦值.以 32級孔板為例,共劃分了 65個分區,生成 223960個矩形網格,孔板與連接管路局部網格如圖 2所示.

圖2 孔板與連接管路局部網格

1.3 邊界條件及計算方法

采用壓強入口及壓強出口邊界,入口表壓為21MPa,出口表壓為 0.控制方程組為雷諾平均 NS方程組,采用耦合隱式穩態求解器,湍流模型為2階標準 k-ε兩方程模型[9].對壁面方程采用增強壁面處理方式處理,并考慮壓強梯度的影響.對動量方程、湍流動能方程、湍流動能耗散率方程均采用二階迎風格式離散.

2 偽平衡問題的發現及解決

2.1 偽平衡問題及物理解釋

通過仿真發現:這類小孔徑、低孔徑比多級孔板模型計算中會出現偽平衡現象,即在各項殘差都很低,殘差和各孔板流量都很穩定時,各個孔板的流量相差很大,流場實際還沒有達到最終的穩定狀態.

以 5級孔板為例,用以下參數初始化流場:表壓 21MPa,溫度 293K,軸向速度 0.18m/s,徑向速度 0,湍流動能 7.6×10-5m2/s2,湍流動能耗散率3.9×10-4m2/s3.計算中當各項殘差都小于10-4,并基本保持不變時,得到各級孔板流量分別為 3.57×10-5,2.95×10-6,1.04×10-7,2.85×10-6,2.91×10-4kg/s,最大流量為最小流量的2798倍.對流場壓強取樣,發現此時除了出口段管路壓強降至與背壓一致,末級孔板內部表壓從21MPa向 0梯度下降外,其他管路及孔板內的壓強基本不變,維持在初始表壓 21MPa附近,這不符合多級孔板的實際流動過程.

算例中管路截面積為孔板截面積的 1 600倍,相對于孔板,管路是一個巨大容腔.該物理過程相當于氣體從氣源經過若干個由細小孔板連接的巨大容腔向外放氣.計算的初始狀態相當于容腔末端封閉,各個容腔內氣壓與氣源一致.開始計算后相當于打開容腔末端,末級容腔(出口段)壓強很快與背壓一致,末級孔板內有較大壓強梯度,而其他孔板及管路內的壓強還維持在氣源壓強.此時末級孔板上游的其他孔板盡管流量差別還很大,但是由于這些孔板流量的絕對數值極小,對流場壓強調整很慢,因此需要相當長的計算時間才能達到最終平衡.

2.2 偽平衡問題解決方案

通過實際計算發現,達到偽平衡狀態后很難通過延長計算時間或調整 courant數來得到準確計算結果.本文通過不斷采用更精確的初場對流場各部分重新初始化的方法解決了該問題.在孔板組件中,相對于入口壓強,背壓很小,空氣經過各級孔板時靜壓減少,速度增加,在末級孔板出口出現音速,需用到可壓流的流量方程及臨界流的流量方程式(1)和式(2).使用流量方程及質量守恒方程式(3)迭代求解,配合 Fluent進行計算.

式中,m·為孔板質量流量;Cd為孔板流量系數;A為孔板面積;k為氣體比熱容比;p1為孔板入口總壓;p2為孔板出口靜壓為臨界狀態下孔板流量;R為通用氣體常數;T為空氣總溫為第 i級孔板流量;n為總孔板數(n＞1).

具體計算流程如下:

1)設定各孔板流量系數及各個管路壓強的初值(由于管路中氣體流速很低,采用靜壓代替總壓);

2)迭代計算求得各孔板流量一致時的各管路的壓強值;

3)用這些壓強值初始化 Fluent流場,計算得到此時各個孔板中的氣體流量;

4)把流量代入式(1)、式(2)得到修正后的流量系數;

5)如果此時各孔板流量不一致,回到步驟2),用新的流量系數計算得到各孔板流量一致時各管路的壓強值,代入 Fluent求解流量,繼而求得新流量系數;

6)反復初始化流場和修正流量系數,直至Fluent計算出來的各孔板流量偏差滿足精度 10-5的要求.

3 計算結果及數據分析

3.1 擬合曲線及擬合公式

由于末級孔板出口處氣流速度為音速,可把多級孔板當成一個音速節流裝置.應用式(2)可得:多級孔板組件流量系數 Cdu(簡稱組件流量系數,下同)等于前 n-1級孔板的總壓總恢復系數σ(簡稱總壓恢復系數,下同)與末級孔板的流量系數 Cdn的乘積,Cdu=σCdn.

來流雷諾數 Re(Re=4m·/(πμD),μ為動力粘度)是流量系數擬合常用的修正參數,圖 3為仿真得到的 Cdn與 Re關系圖,從圖中可以看出隨著Re的增大,Cdn呈增大趨勢,但變化幅度不大,Cdn分布在一條直線附近,式(4)為其擬合公式.

圖4為 σ及 Cdu隨 n的變化圖,從圖中可以看出 σ及 Cdu對于 n遵循類似冪函數的分布規律.隨著 n的增大,σ及 Cdu初始下降迅速,后來逐漸趨緩.這種現象符合空氣動力學原理,因為孔板對氣流的阻力與氣流速度的平方成正比,隨著 n的增大,多級孔板內氣流速度下降,新增孔板對氣流的阻滯作用越來越弱.

由仿真數據可知當 n＞11時,Cdu隨 n變化率小于 0.015,此時 n的變化對 Cdu影響已經很小,很難再通過增大 n來大幅改變 Cdu.式(5)、式(6)分別為 σ及 Cdu的擬合公式.由圖 3、圖 4可以看出 n是影響 Cdu的主要因素.

圖3 末級孔板流量系數與雷諾數關系圖

圖4 總壓恢復系數及組件流量系數隨孔板數變化圖

式中,Cdnf,σf,Cduf分別是 Cdn,σ,Cdu的擬合值.

3.2 擬合公式精度及適用范圍

表 1為入口表壓 21MPa時 Cduf的精度分析.表中給出了仿真得到的各多級孔板 Cdu,Re,σ,Cdn及擬合公式得到的 Cduf.如表所示 2～32級孔板Cdu與 Cduf偏差范圍為 -1.89%～1.49%.為了驗證擬合公式對不同入口壓強的通用性,選用不同的入口表壓:2.5MPa,10.3MPa,10.4MPa,對不同多級孔板進行仿真.得到的擬合值與仿真值對照如表 2所示,2～32級孔板 Cdu與 Cduf偏差范圍為 -1.91%～0.78%.此偏差范圍與表 1的情況基本一致,表明此公式對不同的入口壓強有通用性.擬合偏差小于 2%,可以應用于工程設計計算.

表 1 入口表壓 21M Pa時組件流量系數擬合值精度分析

表 2 不同入口壓強下組件流量系數擬合值精度分析

4 結 論

1)本文通過迭代修正孔板流量系數及尋找合理初始流場的方法解決了多級孔板組件流場仿真中的偽平衡問題.

2)在本文研究范圍內,隨著來流雷諾數增大,孔板組件末級孔板流量系數呈增大趨勢,但變化幅度不大.

3)孔板數是影響多級孔板組件流量系數的主要因素.組件流量系數對于孔板數遵循類似冪函數的分布規律,隨著孔板數的增加,組件流量系數初始迅速下降,后來逐漸趨緩.當 n＞11時,組件流量系數隨孔板數變化率小于 0.015.

4)給出適用于工程應用的前 n-1級孔板的總壓總恢復系數、末級孔板流量系數、多級孔板組件流量系數的擬合公式,適用于入口表壓范圍為2.5～ 21MPa、孔徑 0.1mm、孔徑比 0.025、末級孔板出口為臨界流或超臨界流的多級孔板組件,擬合偏差小于 2%,可以應用于工程設計計算.

對于不同孔徑、孔徑比、孔板厚度、孔間距及其他介質下多級孔板的流量特性還有待于作進一步研究.

References)

[1]蔡武昌,孫淮清,紀綱.流量測量方法和儀表的選用[M].北京:化學工業出版社,2001:23 CaiWuchang,Sun Huaiqing,Ji Gang.Flow measurement methods and instruments choice[M].Beijing:Chemical Industry Press,2001:23(in Chinese)

[2]張寶峰.多級節流孔板的設計計算[J].西北電力技術,2005,33(5):27-30 Zhang Baofeng.The numerical design of multi-hole orifice[J].Northwest China Electric Power,2005,33(5):27-30(in Chinese)

[3]郭曉宇.多級孔板螺旋流消能裝置試驗研究[D].太原:太原理工大學水利科學與工程學院,2008 Guo Xiaoyu.Study on the effect of multi-orifices spiral flow energy dissipation equipment[D].Taiyuan:College of Water Resources Science and Engineering,Taiyuan University of Technology,2008(in Chinese)

[4]武鵬林,彭龍生.多級孔板消能效率初探[J].太原理工大學學報,1995,26(4):11-17 Wu Penglin,Peng Longsheng.Investigation of efficiency of energy consumption for step orifice plates[J].Journal of Taiyuan U-niversity of Technology,1995,26(4):11-17(in Chinese)

[5]劉群.多級孔板消能在大梁水庫放水洞中的研究應用[J].水利水電技術,1994(9):2-7 Liu Qun.Research and application of multistage orifice energy dissipation in the dewatering tunnel of daliang reservoir[J].Water Resources and Hydropower Engineering,1994(9):2-7(in Chinese)

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[7]Baker R C.Flow measurement handbook[M].Cambridge:Cambridge University Press,2000:128

[8]ISO/CD 5167-2—1999 Measurement of fluid flow by means of pressure differential devices inserted in circular cross-section conduits running full[S]

[9]王福軍.計算流體動力學分析[M].2版.北京:清華大學出版社,2005:121-122 Wang Fujun.Computational fluid dynam ics analysis[M].2nd ed.Beijing:Tsinghua University Press,2005:121-122(in Chinese)

(編 輯 :張 嶸)

Simulation for throttling effect of small aperture multistage orifice units

LiuWanlong Liang Guozhu

(School of Astronautics,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)

Xu Ming Zhang Huazhao

(Beijing Institute of Astronautical System Engineering,Beijing 100076,China)

Throttling effect of small aperture multistage orifice units was studied through simulation method.It was found that strict initial flow field was needed in this kind of simulation,and the simulation would be dummy-balanced with irrational initial flow field.This problem was solved by iterative finding proper initial flow field.The multistage orifice units with 0.1mm aperture and 0.025 aperture ratio were simulated.The simulation result shows that the number of the orifices is the major factor which influences the flow coefficients of the multistage orifice units.Fitted for mulae for the flow coefficients were given depending on the simulation results.The fitted for mulae can be applied to actual engineering design calculation.

orifice;flow simulation;throttling;flow coefficient

TB 937

A

1001-5965(2011)02-0241-04

2009-12-10

劉萬龍(1982-),男,江蘇鹽城人,博士生,lw l8203@126.com.