[论文解读] A fluid flow model for the pressure loss through perforated plates

Shuai Li, Lars Davidson+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2023

Fluid Dynamics and Turbulent Flows被引用 4

一句话总结

本文提出了一种新颖且数学上简单的流体流动模型，用于预测穿孔板在层流和湍流条件下的压降。该模型基于欧盟H2020 INVENTOR项目提供的实验数据，并通过数值模拟和实验进行了验证，在保持简单性的同时，其预测精度优于现有模型，并在RANS模拟中成功实现，结果高度一致。

ABSTRACT

A fluid flow through a perforated plate is a common problem in a wide variety of practical applications in thermal, mechanical, chemical, civil, nuclear, ocean and aerospace engineering. In this paper, we proposed a novel fluid flow model for the pressure loss through plates with circular perforations in both laminar and turbulent flows. The design of this model is based on the recent measurements conducted at ONERA in the framework of the on-going European Union H2020 INVENTOR project, as well as an existing model for laminar flows. The new model is then validated against existing numerical simulations in the laminar regime and experiments in the turbulent regime. Overall, the predictions given by the new model agree well with the numerical simulations and experiments, and are superior to other models in the literature. This is significant, considering that the present model is much simpler than these previous models. To demonstrate the application of the new model in numerical simulations, two-dimensional channel flows are simulated using Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations with the new model as a pressure-drop source term added to the momentum equations. Results show that the RANS predictions agree very well with the present model predictions.

研究动机与目标

• 开发一种统一的、数学形式简单的穿孔板压降模型，适用于层流和湍流流动工况。
• 在现有模型过于复杂或仅适用于特定流动区域的局限下，提升预测精度。
• 利用欧盟H2020 INVENTOR项目提供的最新实验数据，为模型提供依据并加以验证。
• 实现在雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）模拟中的精确且高效实现，以支持工程应用。
• 基于实验约束，确定模型在孔隙率（ε）和厚度比（δ/D）方面的实际适用范围。

提出的方法

• 该模型基于INVENTOR项目中ONERA风洞试验的最新实验测量数据，结合Bae与Kim（2020）提出的现有层流流动模型推导得出。
• 采用改进的达西-福希海默公式，将压降表示为孔隙率（ε）、厚度与直径比（δ/D）及流速的函数。
• 模型引入一个修正因子f，用于调整流动状态转变和几何效应的影响，确保在层流与湍流条件下的统一性。
• 模型在层流区域通过数值模拟验证，在湍流区域通过实验数据验证，结果表现出良好一致性。
• 在RANS模拟的动量方程中将模型作为源项实现，以评估其在通道流构型中的预测能力。
• 建议在流向方向至少使用四个计算单元，以准确解析穿孔板中的流动行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能够开发一种统一且简单的模型，准确预测穿孔板在层流和湍流条件下的压降？
• RQ2 在不同孔隙率和厚度比条件下，该模型与现有经验模型和数值模型相比，其预测精度如何？
• RQ3 该模型在RANS模拟中用于工程流动预测时，其可靠性在多大程度上可被保证？
• RQ4 该模型在孔隙率（ε）和厚度比（δ/D）方面的实际适用范围是什么？
• RQ5 该模型是否能正确捕捉层流与湍流状态下压降行为的转变，特别是板厚变化引起的趋势反转？

主要发现

• 所提出的模型在层流区域与数值模拟结果高度一致，在湍流区域与实验数据也表现出良好吻合。
• 与文献中现有模型相比，该模型在保持显著更简单数学形式的同时，展现出更高的预测精度。
• 在RANS模拟中，将该模型作为压降源项使用时，其预测结果与模型自身预测高度一致，验证了其在CFD应用中的鲁棒性。
• 该模型适用于孔隙率范围 0.3 ≤ ε ≤ 0.7 和厚度比 0.2 < δ/D < 1.0，超出此范围时性能下降。
• 该模型正确捕捉了压降趋势随板厚变化的反转现象：在层流中，较厚板增加压降；在湍流中，较薄板增加压降。
• 该模型兼具简洁性与高精度，是热交换器、噪声抑制系统及流动调节装置设计优化中的有力候选方案。