图 1 SCVT 结构示意图 注： r 表示涡流管径向方向坐标， m ； Z 表示涡流管轴向方向坐标， m ； R 表示涡流管内直径， m ； L 表示涡流管长度。
2 计算模型
SCVT 的物理模型如图 1 所示，其计算区域为双喷嘴(正方形)、涡流室、热端管和冷端管。喷嘴面积为 16 mm 2 ；热端管孔径为 16 mm ；热端管长度为 475 mm ；冷端管孔径为 6.6 mm ；冷端管长度为 15mm 。在计算模型的验证中，为与实验介质保持一致，计算模型的气体采用氮气，而在流场与温度场的结果分析中，将天然气简化为单质甲烷气体。氮气和甲烷的状态方程均采用实际气体的 PR 状态方程，其流动过程满足质量、动量和能量守恒定律 [12-15] 。标准 k – ε 湍流模型是求解 k 和 ε 的基本方程模型，模型系数通过实验拟合得到，适合完全湍流，可以处理黏性加热、压缩性等物理现象，稳定性好，故本研究采用该模型对涡流管内的流场开展研究 [15] 。 利用 FLUENT 软件对涡流管流场和温度场进行数值模拟，控制方程的离散采用有限体积法，压力—速度耦合采用 SIMPLE 算法，压力方程为二阶离散格式，密度方程为三阶 MUSCL 格式，动量、湍流动能、湍流耗散率以及能量方程都采用二阶迎风格式，控制变量的收敛残差限制为 10 － 5 。压力和温度等初始条件选择“标准初始化”方式自动生成。边界条件如下所列。 1 )入口边界：各喷嘴条件相同，为压力入口，入口总压力( p i )为 1 MPa ，总温度( T i )为 288.16 K 。 2 )出口边界：涡流管出口为压力出口，出口压力( p o )为 0.1 MPa 。 3 )壁面边界条件：壁面为无滑移绝热边界条件。 根据涡流管内三维强旋流动的特点，为兼顾计算速度和收敛性，采用 ICEM 软件对计算区域进行了结构化 格划分，同时对边界层进行了局部加密，以更好地捕捉流动变化剧烈区域的边界特征(图 2 )。当 格总数达到 100 万后，基本取得 格无关解。
图 3 SCVT 实验系统流程图
表1 实验数据和数值模拟结果对比表
图 4 SCVT 纵剖面流线分布图 (比例 Z ∶ r =10 ∶ 1 )
4.1 切向运动
图 6 SCVT 气体的轴向速度图
4.3 压力分布
涡流管内气体的静压( p )分布规律与其运动特征密切相关，旋转运动产生径向压差，轴向运动产生轴向压差，如图 7 所示。由于高速旋转所产生的离心力，气体静压由管壁向管中心不断降低，距涡流室越近，旋转运动越强烈，管壁与管中心的静压压差就越大。当 r / R ＜ 0.72 时，静压沿轴向不断增大，在负压差推动下，该区域内气体以旋流方式流出涡流管；同理，当 r / R ＞ 0.72 时，静压沿轴向逐渐减小，该区域内气体以旋流方式流进涡流管；当 r / R ≈ 0.72 时，气体在不同轴向位置处的静压相等，由于没有差压驱动，该径向位置处的轴向速度为零，这是与图 4 的能量分界面和图 6 的零速度包络面相一致的。此外，从静压分布特征的角度，再次验证了涡流管的能量交换主要集中在靠近涡流室的前半段。
图8 SCVT 气体的静温图
5 结论
采用FLUENT 模拟软件，对甲烷气体在 SCVT 内的流动与传热进行了数值模拟，并利用实验数据验证了计算模型的合理性。在借鉴前人关于 RHVT 研究成果的基础上，揭示了 SCVT 流场与温度场的分布特性，得出的主要结论如下。 1 )标准 k – ε 模型比较适合描述完全湍流的流动过程，能够满足对 SCVT 内强旋流场的预测精度需要。 2 ) SCVT 的流场结构存在平行于管中心的能量分离界面，界面上的轴向速度为 0 。静压不随轴向位置变化，界面两侧的内、外旋流的轴向速度相反，在该界面上同时发生热、质双重传递。整体流场由一系列沿热端管方向流量不断衰减的“短路流”构成。 3 )在靠近涡流室的前半段，径向方向的静压、静温、切向速度和轴向速度差异较大，能量分离效果显著。静温在管壁处最高，并沿着热端管方向近似呈指数趋势升高，较大的热端管长径比增大了与被加热气体之间的换热面积，有利于提高 SCVT 的加热性能。
编 辑 何 明
论文原载于《天然气工业》2020年第7期
王凯，谢磊，欧阳欣，等. 天然气单流涡流管流场与温度场数值模拟[J]. 天然气工业, 2020, 40(7): 113-119. WANG Kai, XIE Lei, OUYANG Xin, et al. Numerical simulation on the flow and temperature field of natural gas single circuit vortex tubes.Natural Gas Industry, 2020, 40(7): 113-119.
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