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4、4 混合突張收縮管之流場與空蝕分析

在文檔中 1、3 研究目的與方法 (頁 34-47)

經由以上兩個例子,吾人認為空蝕現象發生的條件取決於壓力 差,而壓力差異的大或小則決定在幾何外型與其工作流體的速度上。

而發生空蝕的位置均位於幾何外型變化劇烈處附近 (出口或收口處)。

針對混合型管件而言,要發生空蝕現象,由於出口處多一寬管的效應,

其壓力降不如注油器於同位置來的大 (假設注油器與混合管件突張處 前端之長度相似)。所以,預明瞭混合管件發生空蝕的時機與機制,必 須在高雷諾數下以紊流模式來進行分析。其幾何外型示意圖與計算網 格示意圖如下圖 4.22、4.23 所示 (混合突張收縮管均假設為圓柱型、

具有尖銳邊緣)。大體上,流場的分布狀況相當類似前述突張管與注油 器兩者之合併。吾人以突張處的流場分布來作一探討,由圖 4.24、4.25、

4.26、4.27 為雷諾數分別在 2000、4000、8000、12000 下縮張比 5 之 混合管件尾端部分的流線示意圖可以看出,當 ANSYS 加掛紊流模式

ε

k model 後,其尾端會呈現出一對稱的分布,且此迴流區的長度隨 著雷諾數增加而加大。而由圖 4.28 流線示意圖上吾人可以了解。當縮 張比加大致 5 時,雖然管徑變窄,不過,因為後端多一突張管所致,

其壓差不如注油器管件來的大。因此,於收縮段壁面處因流體黏滯性 與摩擦力之影響,所造成負的壓力梯度不足以抵擋使噴流前進之壓 力,流場分離所導致之維納收縮現象反而不明顯,如圖 4.29 收縮段流 線放大圖所示。

不過在縮張比 2 的計算例中由於縮張比不大,雖然收縮段壓力值 會隨著雷諾數增加而變小,但並不足以降至工作流體之蒸氣壓以下 (3.5674 *105 Pa)。在相同的操作環境下,當縮張比 2 加大致 5 時,雷

諾數增加至約 12000 時,才會有發生空蝕現象的機會。如圖 4.30、4.31 所示。由以上研究結果發現到突縮比越小的管路,雷諾數必須放到越 大才會有空蝕現象發生的可能,由圖 4.31 空蝕係數與雷諾數的關係可 以了解,雷諾數在 12000 以下幾乎沒有空蝕現象發生 (因為壓差未達 發生條件)。

在加入質量傳輸方程式後,如圖 4.32~34,由圖中可知,當雷諾數 越高時,質傳效應也越明顯,即相對被工作流體帶離壁面的離子越多。

跟注油器情形類似,質傳效應的加諸對於迴流區的大小影響並不明 顯。圖 4.35 為縮張比 5 之混合管於 Re = 12000 之收縮段壓力分佈圖,

其分佈情形與注油器相仿,但以達發生空蝕現象的標準。

至於縮張比 5 之混合管 3D 部份,其格點分佈情形取近似 2D,如 圖 4.36~38 所示,其流場於 Re = 12000 之分佈如圖 4.39~4.42。從其分 佈情形來看,大體上整體趨勢與 2D 類似。不過針對細部迴流區大小,

來作一比較 2D 與 3D。吾人發現在尺度上,3D 較 2D 來的小一些,如 圖 4.43 二維與三維後段迴流區大小所示。此即所謂的三維尺度效應。

由本研究可得知,當雷諾數偏高時,因為多了一維的考量,粒子隨著 流線的變化會有旋轉的現象產生。流場後端的分佈情形也較為紊亂。

圖 4.22 縮張比 5 混合管之 ANSYS 計算網格示意圖(215×30)

( 2 D ) 0 9 J u l 2 0 0 1 

0 2 0 4 0 6 0 8 0

X 0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0

Y

( 2 D ) 0 9 J u l 2 0 0 1 

圖 4.23 縮張比 2 混合管之 SIMPLER 計算網格示意圖(215×30)

圖 4.24 縮張比 5 混合管於(Re = 2000)突張處流線放大圖

圖 4.25 縮張比 5 混合管於(Re = 4000)突張處流線放大圖

圖 4.26 縮張比 5 混合管於(Re = 8000)突張處流線放大圖

圖 4.27 縮張比 5 混合管於(Re = 12000)突張處流線放大圖

圖 4.28 縮張比 5 混合管紊流之收縮處於(Re = 12000)流線放大圖

圖 4.29 縮張比 5 混合管紊流收縮處於(Re = 12000)流線再放大圖

圖 4.30 縮張比 5 混合管雷諾數與壓力之關係圖

圖 4.31 縮張比 5 混合管雷諾數與空蝕係數之關係圖

圖 4.32 縮張比 2 混合管於(Re = 1000)之質傳分佈

圖 4.33 縮張比 2 混合管於(Re = 2000)之質傳分佈

圖 4.34 縮張比 2 混合管於(Re = 12000)之質傳分佈

圖 4.35 縮張比 2 混合管於(Re = 12000)之壓力分佈

圖 4.36 縮張比 5 混合管 ANSYS 三維計算網格示意圖(215×30×20)

圖 4.37 縮張比 5 混合管之 ANSYS 三維計算網格前段部份

圖 4.38 縮張比 5 混合管之 ANSYS 三維計算網格後段部份

圖 4.39 縮張比 5 混合管之 ANSYS 三維整體流場於(Re = 12000)分佈

圖 4.40 縮張比 5 混合管之 ANSYS 三維前段流場於(Re = 12000)分佈

圖 4.41 縮張比 5 混合管之 ANSYS 三維後段流場於(Re = 12000)分佈

圖 4.42 縮張比 5 混合管之 ANSYS 三維前段流場於(Re = 12000)分佈 放大圖

圖 4.43 縮張比 5 混合管於(Re = 12000)突張處二維與三維流線放大比 較圖

在文檔中 1、3 研究目的與方法 (頁 34-47)

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