文丘里管装置流动特性的数值模拟

学号：********

常 州 大 学

课程小论文

题 目 文丘里管装置流动特性的数值模拟

学 生 潘国浩

学 院 环境与安全工程学院 专业班级 环科（研）15

指导教师 杨克 专业技术职务 博士

二○一五年十二月

文丘里管装置流动特性的数值模拟

潘国浩

（常州大学 环境与安全工程学院，江苏 常州 213164）

摘要：利用Fluent软件对文丘里管装置的流动特性进行数值模拟，分别探究其不同速度、不同喉管长度以及不同喉管直径下的参数分布规律。研究结果表明，在入口速度逐渐增大条件下，液流经文丘里管加速后，其速度重心先右移后左移。且液流状态为，先层流后涡流再紊流分布，喉部压强为逐渐降低；随着喉管长度的增大，喉部压强先降低后上升，其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，能够发生空化效应；随着喉管直径的增大，喉部压强为逐渐增大，其速度重心，由渐扩段喉口处逐渐向两边管壁移动，液流分布状态逐渐由层流向涡流转化。

关键词：文丘里管；设计；流动特性；数值模拟

中图分类号：TV131

Abstract: The flow characteristics of the Venturi tube device by using the Fluent software for

numerical simulation, to explore the regularities in different velocity, throat length and throat

diameter under different parameter distribution respectively. The results show, under different inlet

velocity conditions, after the liquid flow passage in the tube to speed up the tube, the speed of the

center of gravity of first moves to the right and then left, and the liquid flow state is, distribution of

eddy current before the first laminar flow, throat pressure is gradually reduced; With the increase of

throat length, throat pressure decreases first and then increases, its velocity center is after the first

moves to the right and left, liquid flow state is presented, laminar distribution of turbulent flow, and

when the throat length is 20mm, cavitation effect can occur; With the increase of pipe diameter,

throat pressure is gradually increased, its velocity center is a flaring section of throat tube wall

gradually moving toward both sides, the liquid flow distribution gradually from laminar flow to

vortex transformation.

Keywords: Venturi tube; design; flow characteristic; numerical simulation

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100 m/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Fluent

6.3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

Figure 1 Venturi tube device diagram

列出伯努利方程[7]：

221244128[1()]11()ppQuDDθρπ (1)

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；

θ—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：

0uuwxyz (2)

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：

()()xpuFtx (3)

()()ypuFtx (4)

()()puFztx (5)

式中:ρ—为水的密度，kg/m 3；

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：

jiiijtiiiiupuuppuuttxxxx (6)

K方程：

itiikipkpukkGtxxx (7)

 方程：

212itiiippuCGCtxxxkk (8)

式中：—按体积1加权平均的密度；

—分子粘性系数；

P—修正压力；

k、—紊流普朗特数；

t—1粘性系数，2tmkC ；

G—由平均速度梯度引起的紊动能；

其中G为：jiiiijuuuGtxxx 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

Table 1 Venturi tube parameters setting

入口速度m/s D1（mm） D2（mm） D3

（mm） L1

（mm） L2

（mm） L3

（mm）

0.3 50 10 50 40 40 120

0.5 50 10 50 40 40 120

1 50

10

50 40 40 120

1.5 50 10 50 40 40 120

（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。