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换热器试验台节流管道气蚀现象数值模拟分析点击：1761 日期：[ 2014-04-26 21:36:07 ] |
| 换热器试验台节流管道气蚀现象数值模拟分析 郑传经，郑庆伟，周到，昝世超，孙云 （合肥通用机械研究院，安徽合肥230088） 摘要：对于换热器试验台水管路中发生的气蚀现象，应用数值计算方法，模拟了流体在管道节流中气蚀的过程；分析了在不同出口压力下，管路中沿程含水量、沿程压力变化等规律。数值计算结果可对管道中气蚀产生及溃灭的位置进行预测，并对相关节流装置气蚀的分析提供参考。 关键词：气蚀；两相流；数值模拟 中图分类号：TU831.3文献标识码：A文章编号：1006-8449（2011）02-0012-03 0·引言 流体输送用管道在使用过程中，常常由于管路中的节流等原因产生气蚀现象[1]。气蚀引起液流结构的变化，改变了流体机械的工况，产生了不利的影响。由于气泡的形成、发展和溃灭要消耗能量，造成能量参数的降低和效率的减小。其次，气蚀引起的流体两相流动，随着气泡的产生和溃灭，会在液流中产生较大的压力脉动，引起设备的振动和噪声，严重情况下可能导致设备的损毁。 对气蚀的形成机理和形成过程的研究，在很长一段时期内以试验研究为主。20世纪90年代开始，随着大容量、高速度计算机的出现和并行化技术的发展，极大地推动了计算流体力学[2，3]的发展。越来越多的学者开始使用大型CFD软件对气蚀机理和结构展开研究，取得了很多重要的成果。 换热器试验台在运行过程中，由于水泵进水管路上有较小管径的节流段存在，在逐步加大水泵流量过程中，水系统管路振动增大。文中采用CFD技术对节流水管中液体流动进行模拟，对管中气泡的产生和溃灭进行了分析，分析结果具有一定的理论意义和实用价值。 1·换热器水系统工作原理 换热器试验台水系统布置采用水箱在上，水泵在下的方式，即倒灌式。水箱为开式水箱，P为大气压力，h为水箱液位至水泵进口轴线距离。如图1所示。 2·数值模拟 2.1控制方程连续性方程： 体积分数方程： 体积分数方程从混合（m）的连续性方程获得。经过处理后，假定不可压缩的液体（1），可以获得下面的表达式： 气泡动力学： 由于气穴气泡在低温下形成液体，FLUENT等温模拟气穴流动，忽略了蒸发潜热。Rayleigh-Plesset方程与压力和气泡容积相关： 2.2计算模型及网格生成 依据试验台运行情况，选取水和空气为两相介质。由于水管路关于中心轴线对称，因此将模型简化为二维结构。水介质由左侧入口进入管道，由右侧离开进入水泵。利用CAD软件绘制换热器试验台水系统进口管，存为sat文件后，导入前处理软件，进行网格划分，并检查网格质量、网格的等角斜率和等尺寸斜率，确保网格质量良好。水管路几何模型及计算模型网格图如图2、图3所示。 2.3计算方法及边界条件 打开基本求解器对话框，求解器选项选取离散求解器，算法选项选取隐式算法[4，5]；空间属性选项选中轴对称；时间属性选中定常流动；速度求解选中绝对速度。 采用有限体积法将空间域上连续的控制方程转化为离散方程，采用SIMPIE算法求解压力与速度耦合。在基本方程的离散差分格式中，速度项采用一阶迎风差分格式，湍动能项和紊粘系数项采用一阶迎风差分格式，压强项采用标准差分格式。 边界条件的使用具体如下： （1）进口条件：水管段的入口为压力入口边界条件，进口压力为110kPa。 （2）出口条件：水管段的出口为压力出口条件，出口压力随流量不同而发生变化。 （3）水的汽化压力为4.24 kPa。 3·计算结果分析 在不同出口压力下，对水管路中的沿程含气量和压力进行了计算。图4中列出了出口压力分别为0kPa、5kPa、10kPa、15kPa情况下水管路中的含气量分布。深颜色区域为液态区域，浅颜色区域为含气区域，且颜色越浅，表示该区域含气量越高。 从图4中可以看出，管路由水箱进水经节流后汽化产生气泡，在节流段的下游一定距离处，随着管路中压力的升高，含气量逐渐减小，含水量升高，气泡溃灭引起管路的振动。且在不同出口压力下，气蚀发生的位置不同。出口压力越小，气蚀发生的位置距节流段越远，向节流段下游发展越充分。因此，对于节流段后设备的布置应有合理的估算，以免发生严重的气蚀破坏。在水泵的使用过程中，应尽量避免泵前有节流的现象，以保证充分的装置气蚀余量。泵前有节流的系统，只适于在小流量工况下运行，如需要保证大流量工况，则应考虑加设旁通管路。 图5为出口压力为10 kPa时沿程含水量变化图。从图中可以看出，水进入节流管段后，含水量下降，产生大量气泡；离开节流管段后，含水量沿一条较为光滑的曲线上升，气泡迅速溃灭，对系统造成冲击。因此，研究适当的管接头连接方式和规格，通过改变含水量上升的速度，从而改变气蚀发生的位置和气蚀的剧烈程度，对于保护管路及相关设备有着重要的意义。 图6为出口压力为10 kPa时水管路中沿流向方向的压力变化。水管路压力在进入节流段前已有较大下降，此时压力水头逐渐转化为速度水头；进入节流管后，压力值最低且相对较为稳定，一直延续到离开节流管段；离开节流管段后，水管路压力逐步恢复，当压力值高于流体的汽化压力时，管路中气泡溃灭。在工程中，针对一定的使用要求，只需保证正常运行时节流段中的压力大于流体的汽化压力，管路中无气泡产生，系统不会发生气蚀。在此条件下，存在一定的节流并不会影响系统的正常运行。 4·结语 （1）利用数值模拟技术对换热器试验台水系统管路中存在的节流现象进行模拟，得到了节流后两相流体的相分布和压力分布情况，形象地展示了两相流体流动特征，为两相流体分析提供了一种有效的方法。 （2）流体经过节流管后，压力降低。当压力低于流体的汽化压力时，流体中会产生气泡。当气泡离开节流管段后，流体压力恢复，气泡溃灭，产生气蚀。 参考文献： [1]关醒凡.现代泵技术手册[M].北京：宇航出版社，1995. [2]王福军.计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004． [3]陈之航，等.气液双相流动和传热[M].北京：机械工业出版社，1992． [4]张永学，李振林.流体机械内部流动数值模拟方法综述[J]．流体机械，2006，34（7）：34～38. [5]孔繁余，吕毅，黄建军，等.变螺距诱导轮流场的数值模拟[J]．农业机械学报，2007，38（10）：45～48． |
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