文丘里管与弯管水力特性的数值模拟

王嘉瑞 陈 爽 杨红发 钟思洁 蒲笑非 刘佳艺

(1、核反应堆系统设计重点实验室，四川 成都610213 2、中国核动力研究设计院，四川 成都610213)

1 背景

文丘里管是工程应用中的常见管件，具有结构简单、运行稳定、安装便捷等优点，常应用于不同介质的流速测量和压降调节。工程上一般可选择节流孔、孔板、文丘里管等形式的阻力件平衡系统阻力，匹配泵的扬程。目前已发表的文献中，主要研究文丘里管内部结构与阻力系数的关系，缺少整体结构优化的研究。

本文利用CFX 软件，针对弯管前后设置文丘里管开展了数值模拟研究，分析内部流场及水力特性的主要特点，比较文丘里管在弯管前后时节流性能的变化，为工程应用优化设计提供经验。

2 文丘里管结构

文丘里管按流通截面主要分成三部分，入口收缩区、喉部和渐扩区。当上游管道足够长时，入口流量平稳流向均匀，进入收缩区后受斜面影响向内汇聚，损失部分能量后通过喉部到达渐扩区。从阻力件的设计考虑，调整收缩区的斜面角度可控制流体的能量损失。增设的阻力件要尽可能减少对下游的影响，因此设置渐扩区使流体尽可能平缓进入下游（图1）。

图1 文丘里管结构示意图

3 计算模型与边界条件

数值模拟计算的核心区域为文丘里管段，建模时采用相同的管道和结构参数，按照直段和弯管与文丘里管的组合构建三维模型。模型1 中包括文丘里管及前后直管延长段，用于分析文丘里管在流场均匀时流场分布和评估无干扰状态下文丘里管的节流效果。模型2 与模型3 用于研究文丘里管与弯管的相互影响，模型2 将文丘里管设置在弯管前，模型3 将文丘里管设置在弯管后。进出口的直管延长段都预留五倍直径长度的管道，使流场进行充分发展便于观测流场。在CFX 前处理时选用常温下的水作为介质，进口设置为质量流量入口，出口设置为零压力边界，不考虑重力影响。本文选择的边界条件对应管内平均流速约1.6m/s，参考管道的流速设计标准，属于低流速工况。

流体的流动模型由对应雷诺数直接选取，其计算公式如下：

Re =ρvdη

其中：v 为流速，d 为水力直径。

为了使结果具有包络性，参考截面选择管道截面，水力直径为200mm。由此计算的雷诺数约106，远大于104，属于高雷诺数湍流区，故计算模型采用k-ε 模型。

为了保证计算的的准确性，迭代过程设置残差精度为10-5，且在文丘里管下游的管道取3 个监测点，当监测点能观测到有周期性波动时可认为计算达到收敛。

4 数值结果与分析

4.1 无关性分析

在计算前进行网格无关性分析。网格无关性采用模型1 进行计算，如下图所示。网格划分选用四面体非结构网格，在文丘里管的变径连接处适当加密，同时在壁面处设置边界层网格。实际网格划分如图2 所示。通过调整全局网格系数获得不同数量的网格。在相同计算条件下，分析进出口压降随网格数量变化趋势(图3)。

图2 文丘里管局部网格

图3 网格无关性分析

结果表明模型1 网格数量变化时，进出口压力变化幅度平稳，最大偏差小于2%。因此文丘里管的的进出口压降基本不随网格数量变化而变化。

4.2 计算结果

本文针对于采用相同文丘里管的典型结构进行了三维仿真，根据压力云图和流线图分析文丘里管前后为直管或弯管的流动特性。总体而言，在流线不产生旋转的前提下流线基本对称，符合计算收敛的特点。

模型1 为文丘里管及前后直管延长段，由图4 所示，流体通过文丘里管后受惯性影响，并未立刻沿渐扩区壁面进行发散，而是朝其中一个方向发生偏移，经过一段距离后逐渐平稳。通过XY 平面上的切片图对比，流体的偏转方向是近似对称的，并且平稳速率较快。

图4 模型1 压力云图

图5 中文丘里管的喉部的压力云图分布较均匀，除喉部的倒角处压力较低外，喉部的壁面压力略低于中心处，没有观测到明显低压区，但在渐扩区中压力明显存在分界线。结合图6流线图判断，流体通过文丘里管的喉部后受惯性影响向其中一个方向流出，在低压区域形成了漩涡。

图5 模型1 文丘里管喉部压力云图

图6 模型1 文丘里管喉部压力云图

模型2 将文丘里管放置在90°弯管前，计算结果由图7 所示。流体通过文丘里管后沿非对称方向偏移，在渐扩区处形成与图5 相似的低压区。之后流体受向心力作用沿弯管外侧流动，弯管的内侧形成第二个低压区。

图7 模型2 压力云图

结合图8 的流线进行分析，文丘里管沿非对称方向偏移后在出口可明显观测到流线带有旋转，文丘里管后的低压区形成了明显的漩涡。

图8 模型2 流线图

模型3 将文丘里管放置在90°弯管后，计算结果由图9 所示。流体通过弯管后，受向心力作用沿弯管外壁面进入文丘里管，之后在渐扩区形成较大的低压区。

图9 模型3 压力云图

结合图10 可以看出，出口处的流线基本对称，流体通过弯管和文丘里管后本身不带旋转，漩涡形成的规模相较于模型1规模更大，需要更长的直段才能使流场平缓。

图10 模型3 流线图

上述计算采用相同的文丘里管和边界条件，结果如表1 所示，模型1 和模型2 的文丘里管由于入口流量分布均匀，且文丘里管的压力损失主要来自于入口的收缩区，故节流效果基本相同。而模型3 中流体受惯性作用，进入文丘里管时已经带有明显偏转，在收缩区损失较多能量，因此模型3 的节流效果最好。按照本文计算结果，损失压降要高约40%。

表1 数值模拟计算结果

综上分析可得，当文丘里管上游为直段时，流体能够均匀进入文丘里管，节流效果基本是相同的，不受下游结构影响，且通过文丘里管后流体一定会产生漩涡，需要较长直段进行平缓。文丘里管下游为弯管时，漩涡在文丘里管的渐扩区与弯管的内侧，出口流场还带有一定的旋转。同样，当文丘里管下游为直段时，在渐扩区形成的漩涡具有对称性，流场未观测到明显的旋转。与上游围直段相比，当文丘里管上游为弯管时，损失的压降会更高，实际损失数值与流体的流速，弯管的角度等参数有关。

4.3 结论

通过对文丘里管的典型布置结构进行研究分析，可获得如下结论：

4.3.1 若采用文丘里管作为阻力件，无论上下游是否存在弯管，文丘里管的下游总会形成明显漩涡，设计上应保留一定直管段使流体充分发展，减少漩涡对下游设备的影响。

4.3.2 相同的文丘里管设置在弯管后比设置在弯管前具有更好的节流降压性能，其压力损失与入口流场是否均匀有关，与下游的管道为直段或者弯管无关，当入口流场偏移角度越大时，文丘里管的压降就越高。

4.3.3 若文丘里管设在弯管前，虽然管道结构对称，但下游可观测到流体产生明显的旋转，产生旋转的原因可能是非结构网格在计算中产生的扰动，也可能是文丘里管自身设计导致，需要进一步研究。