整流柵對管內流體流態影響的模擬研究

劉子龍，章煜君，金雙雙，陳秀華

（1.中國聯合工程有限公司，浙江 杭州 310052；2.沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110869）

0 引言

隨著我國城市化進程日益加快，興修大型水利工程越來越重要，這對給排水工程提出了更高的技術要求。泵站是給水排水工程中必要的組成部分，在給排水系統中起到樞紐作用。但是大型泵站前池流態紊亂，會引起泵氣蝕、水利振動等危害，導致泵站運行工況惡化[1]，而整流技術對泵站機組安全、穩定、高效地運行起到關鍵作用，因此研究整流技術是大時代背景下的必然趨勢。常用的整流技術有導流墩整流技術、壓水板整流技術、坎底整流技術及導流柵整流技術。傅宗甫，顧美娟等通過實驗得出導流墩墻頂應高于水面，且適合平原閘站合建樞紐的導流墩長度在30m～40m之間[2]。李百齊，張有敬等通過試驗發現采用壓水板/導流墩組合導流技術可以提高導流效果，優化泵站前池的流態和流場[3]。羅燦、成立等通過實驗與數值模擬相結合的方法研究了增設坎底整流措施后泵站正向進水前池的流態情況。結果表明坎高約為0.3H，底坎設在距進水池(7-10)D處時，前池流態能夠明顯得到改善[4]。田景環學者等通過試驗研究得出在彎道管段設置導流柵可以大大改善轉彎前后的流態，且對消除彎道渦流及調整均化流速分布有顯著作用[5]。然而目前，針對整流柵對流體流態的影響大多通過實驗研究，且對整流柵結構形式的研究還較少，因此本文提出了兩種結構形式的整流柵，并通過CFD仿真模擬，深入研究不同結構形式的整流柵對流體流態的影響。

1 模型前處理

1.1 物理模型的建立

圖1 單層導流結構

圖2 雙層交錯型導流結構

整流柵外部為圓管狀，內部焊接十字葉片作為導流結構。本文研究兩種結構形式的整流柵，一種為單層導流結構，一種為雙層交錯型導流結構，具體結構尺寸如圖1、圖2所示。

模擬過程如圖3所示，流體從A口流入系統，經過閥門與彎管后從B口流出。圖中紅框分別為直管、單層導流結構整流柵和雙層交錯型導流結構整流柵，通過模擬三種工況得出整流柵對流體流態的影響。

圖3 模擬方案

1.2 網格劃分

網格劃分在ANSYS工作平臺的MESH中完成，采用六面體結構網格和四面體非結構網格相結合的方法，對于面積變化處采用局部網格加密。網格劃分結果如圖4所示。

圖4 流道模型網格劃分

網格節點數共63 739個，網格總數共255 314個，經網格無關性檢驗得出該網格劃分結果符合計算要求。

2 FLUENT模擬計算

2.1 數學模型的建立

流體通過整流柵的流動過程滿足質量守恒、動量守恒、及能量守恒三大守恒定律[6]。本文模擬視工質為不可壓縮流體，流動過程為穩態流動，則質量守恒方程可以表示為：

動量守恒方程即N-S方程可表示為：

上式中：p為作用在流體上的正壓力；τ為作用在流體微元表面上的黏滯力；Fx、Fy、Fz為微元體自身力。

能量守恒方程可以表示為：

式中：cp為比熱容，T為溫度，K為流體的傳熱系數，sT為粘性耗散項，表示流體的內部熱源及由于粘滯力作用流體機械能轉換為的熱量。

為快速求解N-S方程，本文通過k-ε兩方程模型來簡化動量守恒方程[7]。

湍動能k方程：

湍動耗散率方程：

2.2 邊界條件及初始值的設置

根據實際工況要求、工質選擇水，進口邊界條件定義為速度及壓力進口，模擬總液相流量為30 000m3/h，壓力為17.3MPa，出口邊界條件設置為壓力出口，壓力為15.23MPa；流動過程屬于內流問題，由于整流柵上游流動無擾動，因此湍流強度因子可取較低值取0.1，而整流柵對下游流動有明顯擾動，因此出口湍流強度因子設置為0.5；求解方法選擇SIMPLE算法，離散方法選擇二階迎風算法，這樣可避免一階迎風只保留泰勒級數第一項而導致計算結果不夠精確。模型其余部分設置為無滲透無滑移壁面邊界條件。

完成上述設置后，進行流場初始化，設置計算步長，開始求解。

3 結果及分析

3.1 整流柵對流體流態的影響

通過對不同工況進行模擬，得出系統流場分布結果，如圖5、圖6所示。

圖5 無整流柵的系統流場分布

圖6 單整流柵流場分布

由圖5、圖6可知，當彎管出口不加裝導流柵時，流體通過彎管后的流態十分紊亂，橫向環流狀態十分明顯；而彎管出口加裝單層導流柵后，流體通過彎管的流態分布趨于均勻，橫向環流的旋切角大幅減小，流體基本沿管程方向直線流動，流態得到改善。這是因為是當流體穿過整流柵時，會產生繞流效應，能夠有效阻斷流體因擴散效應而出現的橫向旋流，從而起到整流作用[8]。

3.2 整流柵結構對流體流態的影響

根據上一小節的分析可知，整流柵能夠對流體流態重新均勻分布，且可以有效減緩旋切流動的程度，因此本小節進行了雙層交錯型導流柵對系統流態影響的模擬，結果如圖7、圖8、圖9、圖10所示。

圖7 單整流柵流場分布

圖8 單整流柵側視圖

由圖7、圖8、圖9、圖10可知，雙層導流柵與單層導流柵都能起到明顯的整流作用，但是進一步對比兩種工況下的流線圖可以得出流體經過雙層導流柵后，水流分布更加均勻，流態變得更加規律，且流動方向與管程近乎平行；而流體經過單層整流柵后，流態雖然得到一定程度的改善，但是仍存在較為明顯的橫向環流情況。

4 結論

通過CFD流場模擬，研究了彎頭出口管段加裝不同結構的整流柵對流體流態的影響。通過分析模擬流線圖，可得出如下結論：

1）整流柵能夠通過柵體結構，明顯改善流體流經彎管后的橫向環流，使流線分布更加均勻，起到有效的整流效果。

2）盡管單層及雙層交錯型整流柵均有明顯的整流效果，但是流體通過雙層交錯型整流柵后，無橫向環流，流型也更規律，因此整流效果要比單層整流柵好。