文丘里管装置流动特性的数值模拟Word格式文档下载.docx
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中图分类号：
TV131
Abstract:
TheflowcharacteristicsoftheVenturitubedevicebyusingtheFluentsoftwarefornumericalsimulation,toexploretheregularitiesindifferentvelocity,throatlengthandthroatdiameterunderdifferentparameterdistributionrespectively.Theresultsshow,underdifferentinletvelocityconditions,aftertheliquidflowpassageinthetubetospeedupthetube,thespeedofthecenterofgravityoffirstmovestotherightandthenleft,andtheliquidflowstateis,distributionofeddycurrentbeforethefirstlaminarflow,throatpressureisgraduallyreduced;
Withtheincreaseofthroatlength,throatpressuredecreasesfirstandthenincreases,itsvelocitycenterisafterthefirstmovestotherightandleft,liquidflowstateispresented,laminardistributionofturbulentflow,andwhenthethroatlengthis20mm,cavitationeffectcanoccur;
Withtheincreaseofpipediameter,throatpressureisgraduallyincreased,itsvelocitycenterisaflaringsectionofthroattubewallgraduallymovingtowardbothsides,theliquidflowdistributiongraduallyfromlaminarflowtovortextransformation.
Keywords:
Venturitube;
design;
flowcharacteristic;
numericalsimulation
文丘里管亦称通用文丘里管、低压损文丘里管，由于其特殊的的渐缩管、喉管、渐扩管结构，使得液流高速通过时能产生空化效应，而被广泛应用。
空化效应是液体特有的现象，主要是指当液体内局部压力降低时，液体内部或固液交界面上蒸气或气体的空穴（空泡）的形成、发展和溃灭的过程[1]。
此时，由于空气泡的溃灭会在其周围引发热点，从而产生瞬时高温和高压，并能形成强烈的冲击波和速度高达100m/s以上的微射流[2]。
这种极端的物理、化学环境能引起多种物理与化学效应，作用于物件或周围物质，达到清洗、切割、破碎物件、破乳以及处理有机物等效果[3]。
文丘里管作为水力空化的主要装置之一[4]，目前已在石油，乳化油等废水破乳方面得到广泛应用[5]，其主要机理是空化设备形状变化导致液体速度变化，进而引起压力变化所致[6]。
本文首先利用Gambit软件对文丘里管装置进行了设计，并基于计算流体力学软件Fluent6.3对文丘里管装置的流场特性进行了数值模拟分析，探究其液体流动特性，以期能够为其在文丘里管装置设计、选材以及乳化废水破乳领域的应用方面给出改进建议，空化效应利用最大化。
1.文丘里管装置
为了能够清楚地观测文丘里管对乳化油废水进行破乳的情况，设计出容易产生空化且尺寸合适便于观察的文丘里管装置是关键。
本文设计的文丘里管装置如图1所示，主要分为渐缩段、喉部和渐扩段。
图1文丘里管装置图
Figure1Venturitubedevicediagram
列出伯努利方程[7]：
式中：
p1，p2—分别为断面1和断面2中心处的压强；
Q—为流过文丘里管空化装置的流量；
—为渐扩段边界线与水平线之间的夹角；
2.数学模型的建立
2.1模型建立及边界条件
（1）Fluent软件
Fluent是用于模拟具有复杂外形的流体流动以及热传导问题专用的CFD软件，具有较强的适应及较广的的应用面[8]，利用它可以求解一些几何形状和边界条件都很复杂的流动问题，还可以通过设置不同的控制参数来进行各种的数值计算。
（2）物理模型
用Fluent6.3自带的前处理软件Gambit建立临界流文丘里装置内部的三维立体的物理模型。
其中入口段直径D1=50mm，L1=40mm，喉管处直径D2=10mm，L2=40mm，出口段直径D3=50mm，L3=163mm。
（3）网格划分
用Gambit对该流场进行网格划分，其划分的质量对计算的精度和稳定性有很大的影响。
对三维结构网格（单元是三边形），其优点是能生成复杂外形的网格，但在同等网格数量的情况下，它比结构网格所需的内存更大、计算周期更长。
（单元是四边形）优点是能准确的处理边界条件，计算精度高，缺点是对复杂外形的网格生成较难，甚至难以实现[9]。
对此，本文在面网格划分时选取了Hex/Cooper混合型网格，使模型更准确。
（4）边界条件
对该文丘里管装置在入口速度和出口速度分别为V1和V2的流场特性作了数值模拟。
2.2基本控制方程
（1）基本控制方程
文丘里管里的水流流动可视为不可压缩的稳定流动，符合质量和动量守恒定律，因此其基本控制方程由连续性方程和Navier-Stokes方程等构成[10]。
连续性方程为：
式中：
u、v、w分别为速度矢量（U）在x、y、z方向的分量，m/s。
Navier-Stokes方程为：
式中:
ρ—为水的密度，kg/m3；
μ—为水的动力黏度系数，Pa/s；
t—为时间，s；
U—为速度矢量，m/s；
p—为流体微元体上的压力，Pa；
Fx、Fy、Fz—分别为单位体积上质量力在x、y、z方向的分量。
（2）Fluent模拟湍流方程
本文Fluent数值模拟采用多相流模型中的混合模型，采用标准k-
模型[11]，其控制方程如下：
动量方程：
K方程：
方程：
—按体积1加权平均的密度；
—分子粘性系数；
P—修正压力；
、
—紊流普朗特数；
—1粘性系数，
；
—由平均速度梯度引起的紊动能；
其中G为：
3.数值模拟
利用Fluent软件分别对该文丘里管装置，在入口速度、喉管长度、喉管直径三个方面进行数值模拟分析。
其收敛条件为0.02，迭代步时设为300。
3.1渐缩管入口速度对文丘里管流动特性的影响
该文丘里管各参数的设定如下表所示。
表格1文丘里管各参数设定
Table1Venturitubeparameterssetting
入口速度m/s
D1（mm）
D2（mm）
D3
（mm）
L1
L2
L3
0.3
50
10
40
120
0.5
1
1.5
（1）速度云图分布
经过Fluent分析后所得速度云图如下图所示，从左到右分别为入口速度由小增大顺序的云图排列。
图2不同入口速度下的速度云图分布
Figure2Thespeedofclouddistributionunderthedifferententrancevelocity
由上面的云图分布可以发现，当入口液流速度较低时，其经过文丘里管喉口的速度，普遍为渐缩段低于渐扩段，随着速度的增大，速度重心开始向左移动，即渐缩段大于渐扩段速度。
分析认为，当入口速度较低，液流有足够的时间快速通过渐缩管进行加速，从而经过喉口在喉口处未及扩散，故而此时速度最大[12]；
当入口速度较大时，其进入渐缩段后，由于流动截面的突然减小，但单位时间内流过的流量不变，以致速度过大，同时又因为速度惯性力的作用，未及时通过喉管，集中在喉管前，从而速度最大。
（2）速度等值线
对其速度等值线进行分析，得到如下图所示分布。
图3不同入口速度条件下的速度等值线分布
Figure3Undertheconditionofdifferententrancevelocityvelocitycontours
由以上速度等值线可以发现，当液流经过喉口后，其在渐扩段的速度分布为由管壁向中心线扩散，速度逐渐降低。
分析认为，液流在经过渐缩管加速后，在喉口后沿管壁迅速扩散[13]，从而导致管壁边沿处速度大而中心线处速度小。
（3）流线分布
对其速度流线图进行分析，得到如下图所示。
图4不同入口速度条件下的速度流线图分布
Figure4Thespeedofstreamlinedistributionofdifferententrancevelocityconditions
由以上流线分布图可以发现，随着入口速度的增大，液流状态逐渐由紊态湍流趋于层流流动，特别是在液流通过喉口后，更是有一段层流柱，而在层流柱与管壁的这一段则呈涡流状态。
分析认为，当液流通过喉口后，其速度非常大，形成喷射柱[14]，之后向两边扩散，在碰到管壁后返回呈涡旋状态前进。
3.2喉管长度对文丘里管流动特性的影响
通过改变文丘里管装置的喉管长度，然后用Fluent软件进行数值模拟，其参数设定如下表所示。
表格2不同喉管长度下各参数的设定
Table2Thesetofparametersindifferentthroatlengths
喉管长度
入口速度
（m/s）
喉管直径
D1
20
通过改变喉管长度后，经Fluent软件分析后所得速度云图，如下图所示。
图5不同喉管长度下的速度云图分布
Figure5Thespeedofclouddistributionunderdifferentthroatlength
由上图可以发现，各文丘里管内速度都呈现梯级分布的特点。
经过收缩段和喉口段流通截面收缩，液流剧烈加速，在喉口处速度达到最大值，但随着喉管长度的增大，其速度最大值先左移后右移。
分析认为，在喉管长度较短时，液流经手缩段后，能够迅速通过喉管，在喉管停留时间短，之后在渐扩段迅速喷射开，从而在右边喉管处速度最大[15]。
当喉管长度增大后，液流不能及时通过喉管，从而在左边收缩段喉口处，挤压快速收缩，从而此时速度最大。
（2）速度等值线分布
通过改变喉管长度后，经模拟分析后所得速度等值线分布图，如下图所示
图6不同喉管长度下的速度等值线分布
Figure6Differentthroatlengthsunderthevelocitycontours
由以上速度等值线分布图可以发现，在喉管长度较短时，渐扩段喉口处速度最大，且其速度由喉口向右呈梯级分布；
当喉管长度增大时，渐缩段喉口处速度最大，且其速度在渐扩段呈一个个漩涡状向四周梯级分布；
当其喉管长度继续增大后，其速度重心在渐扩段，由管壁向中心线处梯级分布。
（3）速度流线分布
通过改变喉管长度后，经模拟分析后所得速度流线分布图，如下图所示。
图7不同喉管长度下的速度流线图分布
Figure7Thespeedofstreamlinedistributionsunderthedifferentthroatlengths
由上图可以发现，在喉管长度较短时，液流通过喉管后在渐扩段靠近管壁的一边呈匀速层流状态，一边呈紊流状态；
随着喉管长度的增大，液流在渐扩段喉口处呈柱状层流分布，而在两边靠近管壁处，则呈涡流分布，其中在管壁靠近喉口处发生空化效应，出现部分真空状态；
当喉管长度继续增大时，液流在渐扩段喉口处呈涡流状分布，在渐扩段出口处呈层流分布。
3.3喉管直径对文丘里管流动特性的影响
为了进一步对文丘里管的结构构造进行探究，改变其喉管直径，分析其液流流动特性。
其所设参数如下表所示。
表格3不同喉管直径下各参数的设定
Table3Differentthroatdiameterofeachparameterset
喉管直径（mm）
入口速度（mm）
16
（1）速度云图
通过改变喉管直径，经Fluent软件分析后，所得速度云图，如下图所示。
图8不同喉管直径下的速度云图分布
Figure8Thespeedofclouddistributionunderdifferentpipediameter
由上图比较可以发现，随着喉管直径的增大，在喉管直径较小时，右边渐扩段喉口处出现速度重心，且向右呈梯级分布；
但随着喉管直径的增大，其在渐扩段速度梯度差在逐渐变小。
通过改变喉管直径，经Fluent软件分析后，所得速度等值线分布图，如下图所示。
图9不同喉管直径下的速度等值线分布
Figure9Differentpipediameter,thevelocitycontourdistribution
由上图可以发现，当喉管直径较小时，在渐扩段喉口处速度最大；
随着喉管直径的逐渐增大，其在渐扩段液流出现多个速度重心点；
当喉管直径继续增大时，渐扩段液流速度分布为，靠近管壁处速度最大，然后向中心线处，逐渐减小分布。
（3）速度流线图
通过改变喉管直径，经Fluent软件分析后，所得速度流线图，如下图所示。
图10不同喉管直径下的速度流线图分布
Figure10Thespeedofstreamlinedistributionsunderdifferentthroatdiameter
由上图比较可以发现，在喉口直径较小时，液流在渐扩段，呈喉口处速度最大且为涡流分布，在靠近渐扩段出口处呈层流分布；
随着喉口直径的增大，喉口右边的漩涡流直径变大；
随着喉口直径的继续增大，其漩涡流直径开始变小，向层流转化的趋势。
3.4对喉部压强的影响关系
（1）入口速度对喉部压强的影响关系
入口压强设为1个大气压，8在不改变文丘里管尺寸大小的情况下，喉部压强与入口速度关系曲线如下图所示所示。
图11喉部压强与入口速度的关系
Figure11Relationshipbetweenthroatpressureandinletvelocity
从上图可以看出，当入口速度较小时，喉部压强也较小，并随着速度的增加而缓慢下降，即喉管喉口处压力随入口速度的降低而降低，且随着入口速度的增大，喉部压强下降的越快。
分析认为，入口速度越大，其在渐缩段剧烈压缩，从而造成喉口处压力迅速增大。
（2）喉管长度对喉部压力的影响关系
入口速度设为1m/s，其他尺寸不变的情况下，文丘里管喉管长度与喉部压强的关系如下图所示。
图12喉部压强与喉管长度的关系
Figure12Therelationshipbetweenthethroatpressureandthroatlength
由上图观察可以发现，随着喉管长度的增长，喉部压强先下降后上升。
分析认为，当喉管长度由10mm-20mm时，液流不能快速通过喉管，也就在喉口处压强较小，当其长度由20-40mm时，喉管长度足够长，便于在渐扩段形成液柱，已经有一部分液流快速通过喉管，也就形成较大压强。
（3）喉管直径对喉部压力的影响关系
入口速度设为1m/s，其他尺寸不变的情况下，文丘里管喉管直径与喉部压强的关系如下图所示。
图13喉部压强与喉管直径的关系
Figure13Therelationshipofthroatandthroatdiameterpressure
由上图可以发现，随着喉管直径的增大，喉部压强逐渐增大，当喉管直径增大到一定时，喉部压强变为0pa。
分析认为，当喉管直径逐渐增大时，文丘里管的渐缩角与渐扩角逐渐减低，当液流到达喉部时，已经逐渐起不到加速与扩散的作用，从而也就不会再喉部形成负压。
4.结论
通过对以上对文丘里管不同入口速度、不同喉管长度及不同喉管直径的Fluent数值模拟发现：
其他条件不变，在只改变液流入口速度的条件下，随着入口速度的增大，文丘里管内部液流速度重心，先在渐扩段右移后左移，且在靠近管壁处速度最大；
当速度足够大时，其速度重心开始左移到渐缩段，且在喉口处速度最大；
而液流状态为，先层流后涡流再紊流分布。
在只改变喉管长度的情况下，随着喉管长度的增大，文丘里管装置内部液流速度重心，先右移后左移；
液流状态则呈现出，先紊流后层流分布，且当喉管长度为20mm时，发生空化效应。
在只改变喉管直径的情况下，文丘里管装置内部液流速度重心，由渐扩段喉口处逐渐向两边管壁移动，其液流分布状态逐渐由层流向涡流转化。
由以上分析结果，可以确定一定的喉管长度（L2=20mm时），发生空化效应，使其在石油、乳化油废水破乳中得以应用，便于废水处理。
由以上研究发现，文丘里装置内部的液流速度重心，普遍集中在喉口以及管壁边缘处，所以在设计文丘里管装置时，要对其喉口及管壁选用较厚耐压的材质，才能更好的应用于实际装置设备中。
以上研究可以发现，随着入口速度的逐渐增大，文丘里管喉部压强逐渐降低；
不改变其他条件，当喉管长度增大时，喉部压强则先降低后增大；
不改变其他条件，当喉管直径逐渐减低时，喉部压强则逐渐增大。
通过以上的这些比较分析，让我们在文丘里管装置的设计、选材上能够提供一定的科学依据，从而设计出优良耐用的文丘里管装置。
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作者简介：
潘国浩（1992-），江苏连云港人，硕士研究生。
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