林日億， 郭 彬, 李曉辰, 徐偉棟, 唐 振

(1.中國石油大學(xué)儲運與建筑工程學(xué)院,山東青島 266580; 2.中國石油大學(xué)山東省油氣儲運安全省級重點實驗室,山東青島 266580)

孔板對水槽內(nèi)流場影響規(guī)律

林日億1,2， 郭 彬1, 李曉辰1, 徐偉棟1, 唐 振1

(1.中國石油大學(xué)儲運與建筑工程學(xué)院,山東青島 266580; 2.中國石油大學(xué)山東省油氣儲運安全省級重點實驗室,山東青島 266580)

為了在室內(nèi)試驗臺上模擬海洋海流橫向沖刷海洋立管，采用水槽內(nèi)加孔板結(jié)構(gòu)模擬海洋平流。為獲取穩(wěn)定、均勻的平流場，利用FLUENT軟件進行水槽內(nèi)孔板均流流場數(shù)值模擬，選用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε紊流模型分析孔板孔徑、厚度、位置及布置層數(shù)等因素對孔板后流場的影響，并優(yōu)化孔板結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：未安裝孔板時，在整個水槽內(nèi)出現(xiàn)射流且有擴散的趨勢，但射流并不能帶動水槽內(nèi)全部流體，僅有部分流體有速度，在水槽上、下兩端會有漩渦及回流產(chǎn)生，速度分布不均勻。布置3塊厚度為0.2 m的孔板且板與板之間的間隔為0.3 m，按照第一塊板距離進口截面0.2 m布置且中間孔孔徑設(shè)計為0.03 m時能夠獲得較為合理的均勻流場。

孔板; 數(shù)值模擬; 計算流體力學(xué); 均勻流場

近年來,對深海石油和天然氣的開采與日俱增,海洋立管作為深海石油開采中不可或缺的一個部件,因海流沖刷而設(shè)計和建設(shè)技術(shù)難度大[1]。為研究海洋立管流動規(guī)律,試驗室內(nèi)用均流孔板模擬海洋流場,通過水槽研究孔板對流場的影響規(guī)律。對于流場的研究,數(shù)值模擬相比于實驗研究來說具有經(jīng)濟、高效的特點[2],尤其利用計算流體力學(xué)(CFD)通用軟件后,避免了復(fù)雜的編程工作,已成為數(shù)值模擬研究流場的有力工具[3]?？装逅魇堑湫偷姆蛛x流動,流場高度不均勻,且具有很高的紊動性,分區(qū)特性也很明顯[4]。在孔口和靠近壁面位置,會伴隨有漩渦和回流的出現(xiàn)[5]。朱孟府等[6]和過小玲等[7]選用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型對孔板的水力特性進行了研究,Yakhot等[8]從理論上導(dǎo)出了κ-ε模型,并用理論分析的方法確定了κ-ε模型中的參數(shù)。進行數(shù)值模擬時,對標(biāo)準(zhǔn)κ-ε、RNG、RSM三種湍流模型進行比較,表明標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型是更合適的湍流模型[9],Singh等[10]以及Werth等[11]則分別用數(shù)值模擬和實驗的方法對孔板流量計進行了研究。綜上所述,國內(nèi)外的學(xué)者對孔板的研究主要集中在湍流模型的選擇、孔板流量計以及孔板的水力特性方面,對孔板的均流作用研究甚少。筆者在室內(nèi)試驗臺基礎(chǔ)上,通過FLUENT軟件開展水槽內(nèi)孔板均流流場的數(shù)值模擬,選用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε紊流模型,使用SIMPLEC算法進行計算,分別對孔板孔徑、厚度、位置及布置層數(shù)等影響因素進行模擬,分析這幾種因素對流場的影響,優(yōu)化孔板結(jié)構(gòu)。

1 物理數(shù)學(xué)模型

1.1 物理模型

模擬海水平流水槽內(nèi)充滿水,水自左側(cè)口流入,經(jīng)水槽從右側(cè)口流出(圖1)。綜合孔板位置、孔徑、板數(shù)等因素的影響,在水槽內(nèi)進行孔板布置,最終使流經(jīng)最后一塊孔板后的流場達到均勻。

圖1 水槽模型Fig.1 Flume model

計算水槽模型如圖1所示,其主要尺寸:長L=5 m,高H=1.3 m,厚δ=0.3 m,進出口直徑d=0.2 m,進出口截面為a=0.3 m的正方形截面,頂面長L′=4 m,模型上下左右前后均對稱。

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 控制方程和湍流模型

對于所有的方程,均用FLUENT解質(zhì)量守恒和動量守恒方程[12],計算控制方程選用連續(xù)性方程和動量方程,湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙變量湍流模型,因其適用性強,求解穩(wěn)定,精度也能滿足要求。壁面函數(shù)的選擇保持為標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型默認(rèn)的壁面函數(shù),即標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù),流動為定常流動,考慮重力。

(1) 質(zhì)量守恒方程。質(zhì)量守恒方程又稱為連續(xù)性方程,其形式為

(1)

式中,ρ為流體的密度,kg/m3;ui為流體的速度,m/s。

該方程是質(zhì)量守恒方程的一般形式,適用于可壓縮流動和不可壓縮流動。源項Sm是從分散相中加入到連續(xù)相的質(zhì)量, 也可以是任何的自定義源項[13]。

(2) 動量守恒方程。在慣性坐標(biāo)系下,i方向的動量守恒方程為

(2)

式中,p為靜壓力,Pa;τij為應(yīng)力張量,kg/(m·s2);ρgi和Fi分別為i方向上的重力體積力和外部體積力,kg/(m2·s2)。

Fi包含了其他的模型相關(guān)源項,如多孔介質(zhì)和自定義源項[13]。

1.2.2 控制方程離散

選用SIMPLEC算法進行計算,SIMPLEC算法收斂速度快且計算結(jié)果準(zhǔn)確,使用Green-Gauss Node Based方法進行迭代,相比于Green-Gauss Cell Based求解更精確且能夠最小化偽擴散,壓力的離散采用Standard格式,適用性廣,其余均采用二階迎風(fēng)格式,求解精度高。

2 模 擬

2.1 計算域和計算網(wǎng)格

采用的計算域為如圖1所示的水槽模型,計算域網(wǎng)格圖以及局部加密圖如圖2所示。

2.2 邊界條件

入口邊界為速度入口,大小設(shè)置為1.5 m/s,給定湍流強度和水力直徑,分別為3.3%和0.2 m,出口邊界設(shè)為壓力出口,出口壓力設(shè)置為大氣壓。

2.3 網(wǎng)格獨立性檢驗

以進出口壓差為考核依據(jù)對網(wǎng)格進行獨立性考核,如圖3所示。

圖2 模型網(wǎng)格圖Fig.2 Model grid graph

圖3 網(wǎng)格獨立性考核Fig.3 Grid independence assessment

由圖3可以看出,隨網(wǎng)格數(shù)增加,進出口壓差減小;當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為240萬時,曲線趨于平穩(wěn),之后隨網(wǎng)格數(shù)增加,進出口壓差穩(wěn)定,因此選取240萬網(wǎng)格進行計算。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 單層孔板時流場的影響因素

3.1.1 位置布置

針對第一塊孔板選取3種不同的布置位置,距離入口分別為20、30、40 cm,對應(yīng)的速度沿高度分布如圖4所示。

由圖4可以看出,在高度為-1.26 ～-1.0 m內(nèi),3種情況均產(chǎn)生回流,且集中在底部,板后回流區(qū)產(chǎn)生的位置與文獻[14]中結(jié)果一致。對比3條曲線,距離進口20 cm時,進口射流擴散范圍廣,回流速度較其余兩種情況小,因此20 cm的情況更優(yōu)。

3.1.2 孔 徑

針對第一塊板中間位置孔分別選取3種不同孔徑:2、3和4 cm。3種情況下速度沿高度方向分布如圖5所示。

由圖5可以看出,孔徑為2 cm時,水槽兩端射流流速大,中間流速小,說明2 cm的孔徑較小,射流主要從水槽兩端流過;孔徑為3 cm時,中間流速大,水槽底部有回流產(chǎn)生,說明在回流區(qū)對應(yīng)位置產(chǎn)生了低壓區(qū)[15];孔徑為4 cm時,速度峰值增大,但峰值較窄,上下兩端有回流產(chǎn)生,因此,孔徑為3 cm時最優(yōu)。

圖4 不同布置位置下高度方向速度分布Fig.4 Velocity distribution of height direction under different arrangement positions

圖5 不同孔徑下高度方向速度分布Fig.5 Velocity distribution of height direction under different aperture

3.1.3 厚 度

不同厚度時高度方向速度分布如圖6所示。

圖6 不同厚度時高度方向速度分布Fig.6 Velocity distribution of height direction under different

由圖6可以看出,不同厚度間差別較小,底部均產(chǎn)生回流,速度峰值及高度稍有差別,相比來說,厚度為20 cm時回流量小,速度峰值的位置也靠近中間,因此選擇厚度為20 cm的孔板。

3.2 多層孔板時流場的影響因素

3.2.1 布置層數(shù)

不加孔板和加孔板后的流場分布如圖7所示。

由圖7可以看出,流場均勻性方面,加入孔板相比于未加入孔板,進口射流得到擴散,隨布置層數(shù)的增多,進口射流進一步擴散至整個水槽,加人3塊孔板后,水槽內(nèi)流場均勻化。圖7(a)中,上下兩端流體速度小,接近于零,進口射流在黏性力作用下速度會逐漸減小,在靠近出口處,因出口截面收縮,速度會急劇增大;進口射流速度大,兩端速度小,速度不均導(dǎo)致水槽內(nèi)產(chǎn)生漩渦,進而在上下兩端靠近壁面處有回流產(chǎn)生;圖7(b)中,加入第一塊孔板,核心區(qū)自孔口開始,逐漸收縮,主流區(qū)內(nèi)徑向流速梯度接近為零,剪切應(yīng)力也很小[14];加入兩層孔板后,射流擴散至整個水槽,僅有個別位置速度較小,回流區(qū)消失,符合前述文獻研究:隨孔板數(shù)增加,回流區(qū)減少[14]。加入3塊孔板后,速度分布均勻化,滿足設(shè)計要求。

圖7 XOY截面速度分布云圖Fig.7 Velocity distribution cloud map of XOY section

沿長度方向速度變化曲線如圖8所示。由圖8可以看出,在接近出口位置,速度均有一個急劇回升。不加孔板時,軸線位置速度大,變化劇烈;加入孔板后,速度變化平穩(wěn)。加入兩塊孔板,相較于一塊孔板速度更加穩(wěn)定,但在前期速度會出現(xiàn)波動,綜上所述,加入3塊孔板是最為理想的布置方式。

圖8 沿長度方向速度變化曲線Fig.8 Curve of velocity along length direction

3.2.2 布置方式

針對第3塊孔板選取兩種不同的分布方式:順排和叉排。兩種情況下速度分布如圖9所示。

圖9 不同分布方式時高度方向速度分布Fig.9 Height direction velocity distribution in different distribution modes

由圖9可以看出,兩種布置方式下速度沿高度方向均有波動,從波動幅度上來說,順排布置時,最大速度約為0.14 m/s,最小速度為0.1 m/s;叉排布置時,最大速度約為0.176 m/s,最小速度約為0.098 m/s,因此順排的布置方式波動幅度相對較小,且從整個高度范圍內(nèi)的速度分布來看,順排布置下流場更加穩(wěn)定。

3.2.3 孔眼結(jié)構(gòu)

3塊孔板孔眼結(jié)構(gòu)布置如圖10所示。由圖10可以看出,第一塊孔板孔眼分布有兩個特點:一是中間分布稀,兩端分布密;二是中間孔徑小,兩端孔徑大,目的是將進口射流打散。射流經(jīng)過第一塊孔板后,由圖7(b)所示,速度仍集中于中間位置,加入第二塊孔板,孔眼結(jié)構(gòu)見圖10(b),目的將射流進一步擴散至整個水槽,流向兩端。經(jīng)過兩塊孔板后的流場如圖7(c)所示,僅有個別位置不均勻;為進一步使流場均勻,加入如圖10(c)所示的第三塊孔板,加入3塊孔板后,流場均勻。

圖10 三塊孔板孔眼結(jié)構(gòu)布置Fig.10 Three-plate hole structure layout

4 結(jié) 論

(1)未安裝孔板時,在整個水槽內(nèi)出現(xiàn)射流且有擴散的趨勢,但射流并不能帶動水槽內(nèi)全部流體,僅有部分流體有速度,在水槽上、下兩端會有漩渦及回流產(chǎn)生,速度分布不均勻。

(2)相比于位置、厚度等因素,孔徑對流場的影響最明顯。

(3)孔板結(jié)構(gòu)優(yōu)化后可實現(xiàn)最佳均勻平流,孔板結(jié)構(gòu)參數(shù)為:布置3塊間隔0.3 m、厚度為0.2 m的孔板,第一塊板距離進口截面0.2 m,前兩塊板中間孔孔徑設(shè)置為0.03 m。

[1] DENG Y, HUANG W,ZHAO J. Combined action of uniform flow and oscillating flow around marine riser at low Keulegan-Carpenter number[J]. Ocean University, 2014,13(3):390-396.

[2] SALAH-ADDIN B, AL-OMARI K K, et al. Soot processes in a methane-fueled furnace and their impact on radiation heat transfer to furnace walls [J].International Journal of Heat and Mass Transfer, 2001,44(13):2567-2581.

[3] 于娟.揮發(fā)分、CO 火焰與碳粒燃燒的相互作用及其?；痆D]. 上海:上海交通大學(xué),2002.

YU Juan. Study and modelling on the interaction of volatile flame,CO flame and char particle combustion[D]. Shanghai:Shanghai Jiaotong University,2002.

[4] 才君梅,馬俊,張子冀.孔板流場的二維激光測速試驗研究[J]. 水力發(fā)電學(xué)報, 1999,4:52-58.

CAI Junmei, MA Jun, ZHANG Ziji. An experimental research on the flow field of orifice plate by using the 2-dimension LDV system[J]. Journal of Hydroelectric Engineering,1999,4:52-58.

[5] 楊永剛.方形孔口多孔板水力空化反應(yīng)器的試驗研究與數(shù)值模擬[D]. 杭州:浙江工業(yè)大學(xué),2012.

YANG Yonggang. Experimental study and numerical simulation of hydrodynamic cavitations reactor with multi-square-hole orifice plates[D]. Hangzhou: Zhejiang University of Technology,2012.

[6] 朱孟府,苗秀娟,鄧橙,等.不同孔分布孔板的水力空化效果的數(shù)值模擬[J].輕工機械,2012,30(4):8-12.

ZHU Mengfu, MIAO Xiujuan, DENG Cheng, et al. Numerical simulation of hydrodynamic cavitations effect of orifice plate with different layout[J]. Light Industry Machinery,2012,30(4):8-12.

[7] 過小玲,金保升,沈丹,等.裝有多孔板的脫硫噴淋塔流場數(shù)值模擬研究[J]. 鍋爐技術(shù),2007,38(6):5-9.

GUO Xiaoling, JIN Baosheng, SHEN Dan, et al. Flow simulation for FGD spray scrubber with porous plate[J]. Boiler Technology,2007,38(6):5-9.

[8] YAKHOT V, ORZAG S. Renormalization group analysis of turbulence: basic theory[J].Journal of Scientific Computing, 1986,1(1):3-51.

[9] AI W, ZHOU Q J. Hydraulic characteristics of multi-stage orifice plate[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University(Science), 2014,19(3):361-366.

[10] SINGH V K, THARAKAN T J. Numerical simulations for multi-hole orifice flow meter [J]. Flow Measurement and Instrumentation, 2015(45):375-383.

[11] WERTH D E, KHAN A A, GREGG W B. Experimental study of wall curvature and bypass flow effects on orifice discharge coefficients [J]. Experiments in Fluids, 2005,39(3):483-489.

[12] 韓占忠,王敬,蘭小平.FLUENT流體工程仿真計算實例與應(yīng)用[M]. 北京:北京理工大學(xué)出版社,2004.

[13] 楊肖曦,李松巖,林日億,等.泡沫流體攜砂能力的數(shù)值模擬[J]. 中國石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2006,30(3):89-96.

YANG Xiaoxi, LI Songyan, LIN Riyi, et al. Numerical simulation for prop-carrying capacity of foam fluid[J]. Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science),2006,30(3):89-96.

[14] 鐘偉.流量測量節(jié)流裝置的流場數(shù)值模擬與實驗研究[D]. 南京:南京航空航天大學(xué), 2007.

ZHONG Wei. Numerical simulation and experimental study on measuring the flow field of throttling device[D]. Nanjing:Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, 2007.

[15] 郭婷婷,李雪梅,格日勒,等.電站擋風(fēng)抑塵板后流場特性的數(shù)值研究[J].電站系統(tǒng)工程,2009,25(2):7-10.

GUO Tingting, LI Xuemei, GE Rile, et al. Numerical simulation on flow characteristics of porous wind fences[J].Power System Engineering,2009,25(2):7-10.

Influencelawsofporeplatesonbasininternalflowfield

LIN Riyi1,2, GUO Bin1, LI Xiaochen1, XU Weidong1, TANG Zhen1

(1.CollegeofPipeline&CivilEngineeringinChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China;2.ShandongProvincialKeyLaboratoryofOil&GasStorageandTransportationSafety,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China)

In order to simulate the situation how the vertical tube is washed by the seawater inside the tube, this study is aimed to simulate the ocean advection by using the pore plate structure in a flume.To obtain the stable and uniform velocity field, the FLUENT software is used to simulate the stable velocity field by using the pore plate structure in a flume. The standardκ-εturbulent model is adopted to analyze the pore diameter, thickness, position and arrangement layers of the pore plate, then the structure of the pore plate is optimized. The simulation results show that, when the orifice plate is not installed, there is a trend of jet and diffusion in the whole tank, but the jet does not drive all the fluid in the tank. Only part of the fluid has the velocity, in the water tank, the lower end has whirlpool and reflux generation, and the velocity distribution is not uniform. It is more favorable to obtain the uniform flow field with three pore plates whose thickness is 0.2 m, where the interval between them is 0.3 m,the first pore plate is set to 0.2 m away from the inlet, and the diameter of the hole on the first pore plate is set to 0.03 m.

pore plate; numerical simulation; computational fluid mechanics; uniform flow field

2016-09-30

“十三五”國家科技重大專項(2016ZX05012-002-005);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項(15CX05002A)

林日億(1973-),男，教授,博士,研究方向為熱力采油和熱能利用。E-mail:linry@upc.edu.cn。

1673-5005(2017)06-0154-06

10.3969/j.issn.1673-5005.2017.06.019

TE 952

A

林日億,郭彬,李曉辰,等. 孔板對水槽內(nèi)流場影響規(guī)律[J]. 中國石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2017,41(6):154-159.

LIN Riyi, GUO Bin, LI Xiaochen, et al. Influence laws of pore plates on basin internal flow field [J]. Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science), 2017,41(6):154-159.

(編輯 沈玉英)