基于FLUENT的不同喷嘴轮廓线形对流出系数影响分析

　　0　引言

　　差压式流量计是根据安装于管道中节流装置产生的差压、已知的流体条件和节流装置与管道的几何尺寸来测量流量的仪表。节流式流量计的工作原理是当流体通过设置在管道中的节流件时,造成流束局部收缩,其流速提高,压力减小,在节流件前后产生压差,此压差值与该流量的平方成正比[1]。

　　传统的标准节流装置的设计是以实验为基础,通过反复的设计和实验,并借助经验的判断确定最终的设计方案,设计的周期较长,费用较高,对经验的依赖性较强。随着计算机内存和并行技术的发展,数值模拟开始更为广泛地应用于节流装置的设计和流场分析中。计算流体力学(以下简称CFD)就是其中一种有效地研究流体动力学的数值模拟方法。它能够描述不同曲线的复杂几何体内部的三维流动现象,能够在设计的初期快速地评价设计并做出修改,而不需要花费原型生产和反复测试的代价;在设计的中期,用来研究设计变化对流动的影响,减少未预料到的负面影响;设计完成后,CFD提供各种数据和图像,在准备投入生产前可以根据具体需求及需要的加工精度确定选用何种线形的节流装置。CFD大大减少了费用、时间以及新设计带来的风险。近年来,CFD越来越多地应用于流体机械的设计和流场的分析中,在计算机上实现一个特定的计算,就好像在计算机上做一次物理实验,数值模拟可以形象地再现流动情景。因此,CFD成为一种重要的设计和计算方法[2]。

　　1　三维湍流流动的力学模型[3]

　　湍流流动模型很多,但大致可以归纳为以下3类:

　　1)湍流输运系数模型。将速度脉动的二阶关联量表示成平均速度梯度与湍流黏性系数的乘积。模型的任务就是给出计算湍流黏性系数μt的方法。根据建立模型所需要的微分方程的数目,可以分为零方程模型(代数方程模型),单方程模型和双方程模型。

　　2)抛弃了湍流输运系数的概念,直接建立湍流应力和其它二阶关联量的输运方程。

　　3)大涡模拟。前两类是以湍流的统计结构为基础,对所有涡旋进行统计平均。大涡模拟把湍流分成大尺度湍流和小尺度湍流,通过求解三维经过修正的Navier-Stokes方程,得到大涡旋的运动特性,而对小涡旋运动还采用上述的模型。

　　实际求解中,选用什么模型要根据具体问题的特点来决定。选择的一般原则是精度要高,应用简单,节省计算时间,并具有通用性。Fluent提供的湍流模型包括:单方程(Spalart-Allmaras)模型、双方程模型(标准k-ε模型、重整化群k-ε模型、可实现(Realizable)k-ε模型)及雷诺应力模型和大涡模拟。标准k-ε模型只适合完全湍流的流动过程模拟,在工程中的应用最广泛。在设置边界湍流特性时,可使用湍流强度I和水力直径D为k-ε模型在边界上赋值,计算公式为: