（油气储运工程专业论文）基于fluent软件对旋风除尘器内天然气的压力、温度分布分析.pdf

a n a l y s e so ft h ep r e s s u r e t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n i ng a si n c y c l o n es e p a r a t o rw i t h t h ef l u e n ts o f t w a r e l uy a n b i n ( o i la n dg a ss t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o n ) d i r e c t e db yz h a n gg u o z h o n g a b s t r a c t i no r d e rt oa n a l y s et h ec h a r a c t e r i s t i co ff l o wf i e l di nd i f f e r e n tc y c l o n e t y p ed u s t e x t r a c t o r sa n dt h ee f f e c t so ft h e i rg e o m e t r i cp a r a m e t e ro nf l o wf i e l d ，f l u e n tp r o g r a m ，c f d s o f t w a r eh a sb e e nu s e dt os i m u l a t et h ep r e s s u r e ，t e m p e r a t m e ，v e l o c i t yf i e l di nd i f f e r e n t c y c l o n e t y p es e p a r a t o r s ，a n dr n g k - em o d e lh a sb e e n u s e da st u r b u l e n c em o d e l a c c o r d i n g t ot h er e s u l t so fs i m u l a t i o n ，t h eg a sf l o wf i e l dw a sa s y m m e t r i ci nt u b es p a c eo fs i n g l ei n l e t c y c l o n e b e c a u s eo f t h ea s y m m e t r i ci n l e ts t r u c t u r e ，t h ea x i a lc e n t e ro ft h eg a sf l o wv o r t e x d e v i a t e df r o mt h eg e o m e t r i cc e n t e ro ft h ec y c l o n e ；s o m et i n yv o r t e x e se x i s tn e a r t h ec e n t e ro f t a n g e n ti n l e ts e p a r a t ec y l i n d e r ；t h ei n l e ta n g l eh a ss o m ee f f e c t so nt h ef l o wf i e l d ；t h e t e m p e r a t u r ef i e l dv a r i e dl i t t l e ；t h ei n l e tp a r to ft h ec y c l o n es e p a r a t o ri sd a n g e r o u so p e r a t i o n a r e a v a l u a b l eu n d e r s t a n d i n ga n dc o n c l u s i o n sw e r eo b t a i n e db ys i m u l a t i o nf l o wf i e l di n c y c l o n e d u s tc o l l e c t o r c o n s t r u c t i v es c h e m ew a sp r e s e n t e dt og u i d et h ed e s i g na n d i m p r o v e m e n t o fc y c l o n ed u s tc o l l e c t o r k e yw o r d s ：c y c l o n es e p a r a t o r ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；f l o wf i e l d ；r n g k - et u r b u l e n tm o d e l 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：受圣越日期：2 吖年乎月i oe l 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：龇斌 指导教师签名： 日期：劫d 9 年4 - 月d 日 日期： 年月日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章引言 1 1 旋风除尘器数值模拟研究的目的及意义 旋风除尘器工作条件范围广，在工业上的应用较多，结构尺寸有很多种。在相应不 同的工作条件下，旋风除尘器内部的流场也极其复杂，单靠经验往往很难判断旋风除尘 器的除尘效果，面对工况的变化和工作条件的改变，这种设计经验很难满足工业对除尘 器的苛刻要求了。在这种形式下旋风除尘器的校核、选型、设计等更倾向于用c f d 软 件来完成，因此高性能计算机和各种c f d 软件正逐渐成为设计人员模拟和验证各种除 尘器的强大工具，这也进一步提高了设计人员的设计水平。 节能降耗和提高效率是旋风除尘器近期研究的热点和方向，这就要求必须使除尘器 内部流场的均匀性达到设计的效果，避免产生速度场、压力场和温度场的分布不均匀而 导致除尘效率降低和设备运行阻力增加等情况，但这些往往是由于设计参数选取不合理 而引起的。f l u e n t 软件对旋风除尘器内部流场有较好的模拟效果，并且具有较高的准 确性，在设计过程中借助f l u e n t 软件对除尘器流场模拟，不仅能使除尘器达到设计 效果，还能缩短产品的研发周期，满足市场的需求，在除尘领域中有潜在的应用前景。 1 2 旋风除尘器简介以及研究状况 输配送天然气的过程中由于气源、管道铺设以及主辅设备的磨损、腐蚀等诸多因素， 会产生不同程度的固体杂质。这些杂质的存在会增加管道输送阻力，降低管道输送效率， 加速管道设备的腐蚀，同时也会造成精密调压及计量设备的堵塞，严重时还会损坏精密 调压及计量设备，影响生产并造成经济损失。因此，需要一种能够从天然气中高效除去 微小固体杂质的分离装置。目前输气站场中所采用的除尘设备有旋风除尘器( 也称旋风 分离器) 、过滤除尘器、导叶式多管除尘器等，其中旋风除尘器应用最为广泛。自1 8 8 6 年m o r s e 的第一台圆锥形旋风分离器诞生以来的百余年里，由于它对捕集、分离5 1 0 微米以上的粉尘效率高，所以广泛地应用于石油化工、冶金、建筑、机械等领域的气 固分离。本论文将对天然气除尘领域使用的旋风除尘器的温度、压力场进行数值模拟。 旋风除尘器有如下特点：( 1 ) 结构简单，占地面积小，制造、安装投资较少，便于 加工实现橇装化；( 2 ) 压力损失中等，动力消耗不大：( 3 ) 整体无运动部件，操作简单， 维护方便；( 4 ) 操作弹性较大，性能稳定等诸多优点。在旋风除尘器的基础上把过滤器 进行装置的组合，即实现了高效天然气净化器。例如最新各城市天然气门站使用的净化 第一章引言 器就是由e i i 型旋风分离器和高效气体过滤器合成的h g s d 组合式气一固分离装置。这 种“h g s d 装置采用“e i i 型高效旋风分离器+ “高效气体过滤器 两级净化技术， 这是近几年已经获得国家专利的技术。其净化效率高、耐受性好、纳污量大、适应性强， 克服了滤筒式过滤器纳污量少、耐受性差、易损坏且需频繁检修等缺点，彻底解决了天 然气系统门站中的净化问题。西安市天然气门站在2 0 0 5 年1 2 月正式投入这种净化装置， 至今高效气体过滤器的系统阻力十分稳定，压差基本没有什么变化，每天均能从除尘器 中排除不少杂质，使用效果很好，完全满足天然气净化要求。在“西气东输”的上海、南 京、合肥、无锡、镇江等天然气城市门站及重庆天然气净化总厂、长庆油田第三净化厂、 哈尔滨气化厂等天然气净化厂都应用了这种天然气净化装置，都取得了相当满意的效 果，可见旋风除尘器在天然气净化领域有着不可替代的作用。 旋风除尘器自1 8 8 5 年摩尔斯申请专利投入生产到今天已有一百多年的工业应用 历史。在它出现的前半个世纪里，人们对其性能和机理并未进行过分析研究，一直处于 盲目使用阶段，因此其分离的最小粒径也一直停留在4 0 6 0 岬的水平上。上世纪二十 年代末至六十年代初，是广泛对旋风类除尘器进行科学实验和理论概括阶段。1 9 2 8 年波 罗克( p r o c k a c t ) 脚第一次对旋风器进行了测定。从此，人们才开始对旋风除尘器进行系 统的实验和理论分析。1 9 4 9 年荷兰人特兰登( t e r - l i n d e n ) 对旋风除尘器内的流场进行 了较系统的测定，为旋风除尘器理论的发展奠定了基础，罗辛( r o s i n ) 口1 等人于1 9 3 2 年提出的转圈理论和巴特( b a r t h ) 于1 9 5 0 年提出的筛分理论是这一阶段的主要理论成 果。 从六十年代初至今，旋风除尘器又进入了一个新的发展时期，人们在对旋风除尘器 内部流场及浓度场进行大量测试的基础上，对旋风除尘器内部流场形式及除尘过程有了 更加全面的认识，这就为旋风除尘器捕集微细粉尘打下了理论基础，在此期间代表性的 分离理论主要有：一是1 9 7 2 年奈特( l e i t h ) 与李兹特( l i c h t ) h 3 类比静电除尘器的分 离机理，提出的紊流掺混边界层理论，并提出了由此机理所得出的分级效率公式；二是 d i e t z 晦1 于1 9 8 1 年将旋风除尘器分成三部分，并假设旋风除尘器各区域径向返混均匀， 得到的有限紊流掺混的三区域模型理论；第三个理论是1 9 8 8 年德国学者m o t h e s 和 l o f t i e r 随1 以d i e t z 的三区域理论为基础，考虑了上、下流二区域间径向紊流扩散以及底部 灰斗粉尘返混的影响，从而提出的四区域模型理论。最近的理论是1 9 8 9 年东北大学李 恩削7 以d i e t z 理论为基础，根据紊流扩散的机理，提出新的理论模型。以上各种理论， 从不同角度出发，对旋风除尘器的研究提供了理论基础。 在实际应用中，旋风除尘器在理论发展的基础上，其捕集能力有了很大提高，1 9 6 3 年饵1 ，西德研制出d e l 旋风除尘器，此装置把捕集分离空间移到旋源迭加的流场内，这 种类型的旋风除尘器可捕集0 4 岬的尘粒。1 9 7 5 年东德阳1 的一些科研部门采用电算的 方法，把无量纲的量编成计算机程序，以力求达到最佳的捕尘效果。此后，各种能捕集 微细粉尘的旋风除尘器相继问世n 阳。例如，美国的c o l l e c t r o n ，日本的j e l c l o n e 以及 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 r o l c l o n e 等等，这些都说明，已把旋风除尘器的捕集分离能力推向超微细粒子。 由于旋风除尘器流场的特殊性，现在它已经成为了f l u e n t 软件研究的热点问题， 国内许多学者对旋风分离器的结构、尺寸、流场特性等进行了大量的研究，国内外的研 究主要集中在模拟旋风除尘器的流场特性、三相速度变化、粉尘颗粒运动轨迹和压力损 失等。国外对旋风除尘器模拟具有代表性的研究有： ( 1 ) wdg r i f f i t h s n 门等于1 9 9 6 年用f l u e n t 软件模拟了由半经验参数设计的3 种小型旋风除尘器的流场特性、压力损失和粉尘颗粒的运动轨迹，结果与经验模型的结 果相近。说明f l u e n t 软件能可视化流场，为半经验设计的除尘器提供指导性参数。 ( 2 ) i v a n o vv l a d i m i r an 2 3 于1 9 9 9 年对f l u e n t 软件提供的多相流模型进行了综合 比较，并指出了3 种多相流模型( v o f ，m i x t u r e ，e u l e r i a n ) 模拟旋风除尘器流场所需 的条件。 ( 3 ) s l a c kmd 等n 阳于2 0 0 0 年采用了一种网格处理的一种新方法，即非结构化网 格处理旋风除尘器的网格，选用雷诺兹应力模型( r s m ) 来模拟，模拟结果与多普勒激 光检测仪测得的结果相吻合。并指出对紊流模型的选择是准确模拟旋风除尘器流场的关 键。 ( 4 ) k a n gh j 等n 钉于2 0 0 0 年采用f l u e n t 软件模拟惯性分离器中的三维问题。 假设分离器内的流场是稳定、不可压缩的紊流，采用k - 模型，对整个区域用非结构化 的离散型网格。对内径为7 6 2 m m ，外径为1 5 2 4 m m 的惯性分离器的速度场模拟得出分 离器最适合的参数。 ( 5 ) g o n ga l 等n 胡于2 0 0 4 年用f l u e n t 软件三维模型模拟了一种减小旋风除尘 器压力损失的方法，模拟的速度场显示该方法减小了切向速度的最大值，增大了旋风除 尘器中心区域的轴向速度，从而减小了旋风除尘器的压力损失，从三相速度上再现了流 场的变化情况。 ( 6 ) g i m b u nj 等n 印于2 0 0 5 年用f l u e n t 6 1 的雷诺兹应力模型( r s m ) 模拟了进 口速度和温度对旋风除尘器压力损失的影响，与其余4 神经验模型和实验数据的结果仅 3 的误差；随后又采用模拟了出灰口直径对旋风除尘器除尘效率和压力损失的影响， 与实验结果仅5 的误差，并指出用f l u e n t 软件模拟旋风除尘器的压力损失能为其设 计提供指导性参数。 国内对旋风除尘器的模拟研究以中科院力学研究所、清华大学、石油大学、东南大 学、西安交通大学、郑州大学等科研机构和高校的研究成果居多，代表性的研究有： ( 1 ) 魏志军n 7 1 采用c h e n k i m 模型，计算了与f r a s t e r 结构相同的旋风分离器，这 种模型通过引入一个时间尺度( k p t ，其中n 表示湍动能k 的体积生成率) 来改善耗散 方程的动态响应，并通过试验调整了标准k 吨模型的若干系数，使其在包括旋转流动的 几种情况下可能获得满意的结果。 ( 2 ) 林玮等人n 即采用r o d i 提出的由于考虑旋转流动的k 吨模型，计算了切向入口 3 第一章引言 旋风分离内部流场，得到的切向速度和轴向速度计算结果与试验接近；将l a u n d e r 等提 出的雷诺应力模型简化为代数应力模型，对旋风分离器内部的三维流场进行模拟计算， 得到的结果表明旋风分离器内部的流场具有很强的各向异性的特点，比较准确地给出了 切向速度组合涡结构。 ( 3 ) 周力行等人n 们多次采用雷诺应力模型及其简化了的代数应力模型，计算强旋 流气固两相流，并推导出用于气固、气液两相流计算的统一二阶矩模型，通过模拟不 同旋流数的旋转流动，得到了较合理的结果。 随着c f d 软件在国内应用的兴起，人们意识到了借助软件设计和开发工程项目的 潜在巨大价值。目前，国内油气田地面工程设计越来越依赖于各种工程软件来完成，这 与这些工程软件的强大功能是分不开的。作为市场占有率第一的c f d 软件f l u e n t 是 目前高效地解决各个领域的复杂流动计算问题，模拟流动、传热、传质、动量传递及燃 烧、多相流和化学反应研究的核心和重要技术，凡是跟流体，热传递及化学反应等有关 的工业问题均可使用f l u e n t 软件进行计算，f l u e n t 软件具有丰富的物理模型、先 进的数值方法以及强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮机 设计等方面都有着成功的应用。在石油天然气工业上的应用主要有：燃烧、井下分析、 喷射控制、环境分析、油气消散聚积、多相流、管道流动等等。 旋风除尘器内部的流场极其复杂，正是这个原因，旋风除尘器内部流场成为了人们 研究的热点问题。以往对于旋风除尘器的设计都是由设计人员单凭设计经验对其结构尺 寸进行优化设计，而面对工况的变化和工作条件的改变，这种设计经验很难满足工业对 除尘器的苛刻要求了。现在旋风除尘器的校核、选型、设计等更倾向于用c f d 软件来 完成，高性能计算机和各种c f d 软件正逐渐成为设计人员模拟和验证各种除尘器的强 大工具，这也进一步提高了设计人员的设计水平。 f l u e n t 软件对旋风除尘器内部流场有较好的模拟效果，并且具有较高的准确性， 在设计过程中借助f l u e n t 软件对除尘器流场模拟，不仅能使除尘器达到设计效果， 还能缩短产品的研发周期，满足市场的需求，在除尘领域中有潜在的应用前景。本文用 f l u e n t 软件分析了不同进口型式的旋风除尘器的流场特点，并进一步分析了现场应用 最广泛的蜗壳进口型旋风除尘器。 1 3 本文主要研究内容 本论文要做的工作是了解f l u e n t 软件基本原理，学习使用f l u e n t 软件，并对 现场使用的不同进口结构型式旋风除尘器进行数值模拟，并进一步对运用最广泛的蜗壳 进口型旋风除尘器进行数值模拟。具体内容如下： ( 1 ) 介绍f l u e n t 软件组成与应用；介绍f l u e n t 软件的湍流模型及数值解法； 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 分析用f l u e n t 软件解决工程实际问题的思路与方法。 ( 2 ) 用f l u e n t 软件对四种不同进口型式的旋风除尘器进行模拟。这四种进口型 式分别是：切向进口、斜切向进口、蜗壳进口、双蜗壳进口( 自己设计准备验证) 。得 出不同进口型式对旋风除尘器内部气流的影响，并对这几种进口型式的旋风除尘器进行 比较。 ( 3 ) 以现场实际运用最广泛的蜗壳进口型式的旋风除尘器为例，用f l u e n t 软件 模拟旋风除尘器内流场分布情况。得到对实际操作有益的结论，为指导旋风除尘器的设 计、改进及后期除尘器可能出现的问题提出建设性方案。 5 第二章f l u e n t 软件与应用 第二章f l u e n t 软件与应用 f l u e n t 软件是一套市场占有率第一的c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 软件。 该软件引领着计算机仿真模拟技术的前沿。本论文采用f l u e n t 公司的g a m b i t2 2 建 模，然后用f l u e n t6 2 1 6 进行模拟计算。本章将介绍f l u e n t 软件的组成与应用，分析 f l u e n t 软件解决工程问题的流程及f l u e n t 软件的湍流模型和数值解法。 2 1f l u e n t 软件的组成与应用 f l u e n t 是目前国际上最常用的商用c f d 软件包，是市场占有率第一的c f d 软件。 在美国的市场占有率为6 0 ，在国内的市场占有率更是高达6 5 ，而且随着飞昂软件技 术( 上海) 有限公司对f l u e n t 软件的推广，国内掀起了学习和应用f l u e n t 软件的 热潮。f l u e n t 软件的应用范围很广，凡是跟流体、热传递及化学反应等有关的工业问 题均可使用f l u e n t 软件进行计算，f l u e n t 软件具有丰富的物理模型、先进的数值 方法以及强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等方 面都有着成功的应用。在石油天然气工业上的主要应用有：燃烧、井下分析、喷射控制、 环境分析、油气消散聚积、多相流、管道流动等等。 f l u e n t 将不同领域的计算软件组合起来，成为c f d 计算机软件包，它采用了统一 的前、后处理工具，而且这些工具对多种文件格式都有很好的支持，有很好的通用性， 这可以省去科研工作者在计算方法、编程、前后处理等方面进行大量重复、低效的劳动， 从而将主要精力和智慧用于物理问题本身的探索上。f l u e n t 软件设计基于c f d 软件 群的思想，从用户需求角度出发，针对各种复杂流动的物理现象，f l u e n t 软件采用了 不同的离散格式和数值方法，以期在特定的领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达 到最佳组合，从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题。f l u e n t 软件包由三部 分组成，如图2 - 1 所示。 图2 - 1f l u e n t 软件包的组成 ( 1 ) 前处理器：g a m b i t 是专用的c f d 前置处理器，是一具有超强组合建构模型 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 能力之前处理器，f l u e n t 系列产品皆采用f l u e n t 公司自行研发的g a m b i t 前处理软 件来建立几何形状及生成网格，然后由f l u e n t 进行求解。也可以用i c e mc f d 进行前处 理，由t e c p l o t 进行后处理。 ( 2 ) 求解器：它是流体计算的核心，根据专业领域的不同，求解器主要分以下几 种类型。 f l u e n t4 5 ：基于结构化网格的通用c f d 求解器。 f l u e n t6 2 1 6 ：基于非结构化网格的通用c f d 求解器，针对非结构性网格模型设 计。可应用的范围有紊流、热传、化学反应、混合、旋转流( r o t a t i n gf l o w ) 及 震波( s h o c k s ) 等。在涡轮机及推进系统分析都有相当优秀的结果，并且对模型 的快速建立及s h o c k s 处的格点调适都有相当好的效果。 f i d a p ：基于有限元方法的通用c f d 求解器，为一专门解决科学及工程上有关流 体力学传质及传热等问题的分析软件，是全球第一套使用有限元法于c f d 领域 的软件，其应用的范围有般流体的流场、自由表面的问题、紊流、非牛顿流 流场、热传、化学反应等等。f i d a p 本身含有完整的前后处理系统及流场数值 分析系统。对问题整个研究的程序，数据输入与输出的协调及应用均极有效率。 p o l y f l o w ：针对粘弹性流动的专用c f d 求解器，用有限元法仿真聚合物加工的 c f d 软件，主要应用于塑料射出成形机，挤型机和吹瓶机的模具设计。 m i x s i m ：针对搅拌混合问题的专用c f d 软件，是一个专业化的前处理器，可建 立搅拌槽及混合槽的几何模型，不需要一般计算流体力学软件的冗长学习过程。 它的图形人机接口和组件数据库，让工程师直接设定或挑选搅拌槽大小、底部 形状、折流板之配置，叶轮的型式等等。m i x s i m 随即自动产生3 维网络，并启 动f l u e n t 做后续的模拟分析。 i c e p a k ：专用的热控分析c f d 软件，专门仿真电子电机系统内部气流，温度分 布的c f d 分析软件，特别是针对系统的散热问题作仿真分析，藉由模块化的设 计快速建立模型。 ( 3 ) 后处理器：f l u e n t 求解器本身就附带有比较强大的后处理功能。另外，t e c p l o t 也是一款比较专业的后处理器，可以把一些数据可视化，这对于数据处理要求比较高的 用户来说是一个理想的选择。 图2 2 为f l u e n t 软件的结构流程图： 7 第二章f l u 卧汀软件与应用 图2 - 2 程序结构流程示意图 c f d 软件作为一种工程研究和设计手段在国外开始于七十年代，当时由于受到计算 机硬件和计算费用的制约，只是在核工业和航空工业中应用。随着计算机技术飞跃发展， 计算机成本逐渐下降，性能不断改进，在八十年代初期，被引入汽车制造业和化工领域。 在国内c f d 的使用起步较晚，自1 9 9 3 年西欧共同体解除了p h o e n i c s 商业软件对中国的 禁运，我国各高校及研究所才陆续引进各种c f d 商业软件， 其中西安交通大学率先从 国外引进c f d 商业软件并且结合数值计算理论知识对软件加以完善。由于起步晚的原 因，我国c f d 技术与发达国家还有很大的差距，相关的软件开发也较国外落后，但是 有了国外的经验，国内使用和相关软件的开发进入了高速发展阶段。近十年来，计算机 的计算速度和存贮能力已有大幅度提高，而计算机硬件成本反而急剧下降，很多工程技 术人员都能够很容易使用计算机工作，由此这项技术才在一般工程设计中得到应用。目 前国内很多单位将f l u e n t 软件运用于工业设计了，f l u e n t 在国内用户有长春一汽汽 车研究所、东风汽车有限公司、天津汽车研究所、北方车辆研究所、中国商用飞机有限 公司、沈阳飞机设计研究所、西南联合机械研究所、沈阳航空发动机研究所、中国船舶 设计研究所、哈尔滨动力工程研究中心、四川东方锅炉有限公司、上海超级计算中心、 通用电气( 中国) 研发中心有限公司、深圳华为技术公司、特灵空调系统( 江苏) 有限 公司等。 作为市场占有率第一的c f d 软件f l u e n t 是目前高效地解决各个领域的复杂流动计 算问题，模拟流动、传热、传质、动量传递及燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重 要技术，航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等方面诸多工程领域是f l u e n t 软件运用的重点地方。f l u e n t 软件作为一套科学研究、工业设计之用的c f d 软件，其 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 地位是很特殊和重要的，如图所示： 图2 - 3 传统工业设计流程 图2 - 4c f d 工业设计流程 传统工业设计一般只是依靠理论和大量实验分析来确定产品方案的参数及效果等， 用这种传统的设计思路需要进行大量的试验，花费大量的研究经费，产品开发周期也很 长，而且这样得到的结果并不能确保为最佳的方案，用传统工业设计思路设计产品方案 过程中，设计可行与否往往取决于试验，为保证性能稳定不得不进行大量试验，而且产 品方案的筛选和优化是在设计、制造、测试部门之间进行大循环，由于牵涉的环节多， 产品的开发周期长、费用高。这种设计方法越来越不适应当今科技发展的趋势了，特别 是在激烈的市场竞争中，产品方案的开发需要及时迅速，以应对市场的需求。而且用这 种开发方式很难得到最佳的设计方案，因此国内外把重点放在了加强设计制造方法学的 研究，提出通过“数值试验”计算流体力学( c f d ) 模拟计算，来评价、选择和优化 设计方案，从而大幅度地减少实验室和实体试验研究工作量，而且获得的结果直观、快 捷、准确。例如用f l u e n t 软件对旋风除尘器的模拟就可以快捷、准确及直观的反映 出流体在旋风除尘器中的流场，如速度场、压力场、温度场或浓度场的分布，因此很容 易从对流场的分析中发现样品设计中存在的问题，及时的反馈并进行设计方案的改进， 从而避免了浪费大量的人力、物力和时间。而实验测量仅起到验证计算结果的目的，大 大减少了时间和经费。 9 第二章f l u e n t 软件与应用 2 2f l u e n t 软件计算工程模型的流程 f l u e n t 软件在计算模型时是按离散方程是否收敛来决定计算结果的。其计算过程 流程如下图所示： 图2 - 5 计算过程流程图 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 2 1 建立控制方程 建立控制方程啪1 ，是求解任何问题前都必须首先进行的。这一步较简单，对于一般 的流体流动而言，可根据分析直接写出其控制方程。例如，对于水流在水轮机内的流动 分析问题，若假定没有热交换发生，则可直接将其连续方程与动量方程作为控制方程使 用。 2 2 2 确定边界条件与初始条件 初始条件与边乔条件是控制方程有确定解的前提，控制方程与相应的初始条件、边 界条件的组合构成对一个物理过程完整的数学描述。初始条件是所研究对象在过程开始 时刻各个求解变量的空间分布情况。对于瞬态问题，必须给定初始条件；对于稳态问题， 不需要初始条件。边晃条件是在求解区域的边界上所求解的变量或其导数随地点和时间 的变化规律。例如，在锥管内的流动，在锥管进口断面上，我们可给定速度、压力沿半 径方向的分布，而在管壁上，对速度取无滑移边界条件。对于初始条件和边界条件的处 理，直接影响计算结果的精度。 2 2 3 划分计算网格 采用数值方法求解控制方程时，都是想办法将控制方程在空间区域上进行离散，然 后求解得到的离散方程组。要想在空间域上离散控制方程，必须使用网格。现已发展出 多种对各种区域进行离散以生成网格的方法，统称为网格生成技术。 不同的问题采用不同数值解法时，所需要的网格形式是有一定区别的，但生成网格的方 法基本是一致的。目前，网格分为结构网格和非结构网格两大类。结构网格在空间上比 较规范，如对一个四边形区域，网格往往是成行成列分布的，行线和列线比较明显。而 对非结构网格在空间分布上没有明显的行线和列线。对于二维问题，常用的网格单元有 三角形和四边形等形式。对于三维问题，常用的网格单元有四面体、六面体、三棱体等 形式。 2 2 4 建立离散方程 对于在求解域内所建立的偏微分方程，理论上是有真解( 或称精确解或解析解) 的。 但由于所处理的问题自身的复杂性，一般很难获得方程的真解。因此，就需要通过数值 方法把计算域内有限数量位置( 网格节点或网格中心点) 上的因变量值当作基本未知量 来处理，从而建立一组关于这些未知量的代数方程组，然后通过求解代数方程组来得到 这些节点值，而计算域内其他位置上的值则根据节点位置上的值来确定。由于所引入的 第二章f l i 踟软件与应用 应变量在节点之间的分布假设及推导离散化方程的方法不同，就形成了限差分法、有限 元法、有限元体积法等不同类型的离散化方法，f l u e n t 软件采用的是优先体积法的思想。 2 2 5 离散初始条件和边界条件 前面所给定的初始条件和边界条件是连续性的，如在静止壁面上速度为o ，现在需 要针对所生成的网格，将连续型的初始条件和边界条件转化为特定节点上的值，如静止 壁面上共有9 0 个节点，则这些节点上的速度值应均设为0 。在f l u e n t 软件中，在前处 理阶段完成了网格划分后，可直接在边界上指定初始条件和边界条件，然后由前处理软 件自动将这些初始条件和边界条件按离散的方式分配到相应的节点上去。 2 2 6 给定求解控制参数 在离散空间上建立了离散化的代数方程组，并施加离散化的初始条件和边界条件 后，还需要给定流体的物理参数和湍流模型的经验系数等。此外，还要给定迭代计算的 控制精度、瞬态问题的时间步长和输出频率等。在实际计算时，它们对计算的精度和效 率有着重要的影响。 2 2 7 求解离散方程 在进行了上述设置后，生成了具有定解条件的代数方程组。对于这些方程组，数学 上已有相应的解法，如线性方程组可采用g a u s s 消去法或g a u s s - s e i d e l 迭代法求解， 而对非线性方程组，可采用n e w t o n r a p h s o n 方法。 2 2 8 判断解的收敛性 对于稳态问题的解，或是瞬态问题在某个特定时间步上的解，往往要通过多次迭代 才能得到。有时因网格形式或网格大小、对流项的离散插值格式等原因，可能导致解的 发散。对于瞬态问题，若采用显式格式进行时间域上的积分，当时间步长过大时，也可 能造成解的振荡或发散。因此在迭代过程中，要对解的收敛性随时进行监视，并在系统 达到指定精度后结束迭代过程，这需要针对不同情况进行分析。 2 2 9 显示和输出计算结果 通过上述求解过程得出了各计算节点上的解后，需要通过适当的手段将整个计算域 上的结果表示出来。这时，我们可采用线值图、矢量图、等值线图、流线图、云图等方 式对计算结果进行表示。f l u e n t 软件本身就提供多种显示和输出格式。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕七学位论文 2 3 f l u e n t 软件的湍流模型及数值解法 f l u e n t 提供的湍流模型包括：单方程 模型、双方程模型( 标准 k 模型、重整化群k - 模型、可实现 k 模型) 及雷诺应力模型和大涡模拟。 2 3 1 单方程( s p a l a r t - a l l m a r a s ) 模型 s p a l a r t a l l m a r a s 模型嘲3 的求解变量是厂，表征出了近壁( 粘性影响) 区域以外的湍流运 动粘性系数。，的输运方程为： p 害= g ，+ 古 毒p + ，考卜c 舻( 考 _ c 2 其中，g ，是湍流粘性产生项；一是由于壁面阻挡与粘性阻尼引起的湍流粘性的减少；盯， 和c b ：是常数；是分子运动粘性系数。 2 3 2 标准k - 模型 标准k - r , 模型需要求解湍动能及其耗散率方程。湍动能输运方程是通过精确的方程 推导z 。一1 0 ，但耗散率方程是通过物理推理，数学上模拟相似原形方程得到的。该模型假 设流动为完全湍流，分子粘性的影响可以忽略。因此，标准k 模型只适合完全湍流的 流动过程模拟。 标准k 吨模型的湍动能k 和耗散率e 方程为如下形式： 夕芸= 丢陋+ 箦 善卜瓯+ q 一胪一 c 2 埘 p 害= 砉 ( + 箦 毒 + c 。妻c 瓴+ g 如，一c ：。p i o e 2 c 2 埘 其中，g k 表示由于平均速度梯度引起的湍动能产生，g b 是用于浮力影响引起的湍 动能产生；可压速湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响。 湍流粘性系数： “t=oc。一k-(2-4) 1 3 第二章f l u e n t 软件与应用 2 3 3 重整化群k s 模型 亘墅化群k 吨俣型是盯黟；f 町的n a v i e r - s t o k e s t y 栏用更整化群的数字万法推导出采阴 模型。模型中的常数与标准k 吨模型不同，而且方程中也出现了新的函数或者项。其湍动 能与耗散率方程与标准k 吨模型有相似的形式： p 尝5 云卜t 够) 筹卜g t + g e 一胪一 c 2 嘞 p 告= 毒卜够) 毒 + q 。妻c g 。+ g 如，一c ：。p 譬一r c 2 删 其中，g 。表示由于平均速度梯度引起的湍动能产生，g 。是用于浮力影响引起的湍 动能产生：比可压速湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响，这些参数与标准k - 模型中相 同。吒和口。分别是湍动能k 和耗散率e 的有效湍流普朗特数的倒数。 2 3 4 可实现k 模型 可实现k - s 模型妇2 3 的湍动能及其耗散率输运方程为： p 等= 毒陋+ 丝o , , ) 堡a x j + g + 瓯一胪一场 c 2 扪 p 告= 考睁+ 等) 考 + 心z 鼬一：若+ g q c 2 删 其中，c i = m a x 。4 3 ，蠢 ，穆= 船占，g 表示由于平均速度梯度引起的湍动能 产生，g b 是用于浮力影响引起的湍动能产生；可压速湍流脉动膨胀对总的耗散率的 影响。c ：和c ，。是常数；吼，d r 。分别是湍动能及其耗散率的湍流普朗特数。 2 3 5 雷诺应力模型( r s m ) 雷诺应力模型是求解雷诺应力张量的各个分量的输运方程。在雷诺应力模型中，对 流传热传质模型都是通过雷诺相似湍流动量输运方程得到的。能量方程形式为： 妄恤) + 毒l ，汹+ p ) 】= 毒 ( c e p , u ，1 挑8 t 咖 b + 瓯 c 2 圳 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 式中，e 是总的能量；( t o0 是偏应力张量。 2 3 6 大涡模拟( l e s ) 乜3 3 湍流中包含了不同时间与长度尺度的涡旋。最大长度尺度通常为平均流动的特征长 度尺度。最小尺度为k o m o g r o v 尺度。 l e s 的基本假设是： ( 1 ) 动量、能量、质量及其它标量主要由大涡输运；( 2 ) 流 动的几何和边界条件决定了大涡的特性，而流动特性主要在大涡中体现；( 3 ) 小尺度 涡旋受几何和边界条件影响较小，并且各向同性；大涡模拟过程中，直接求解大涡，小 尺度涡旋模拟，从而使得网格要求比d n s 低。l e s 的控制方程是对n s 方程在波数空间 或者物理空间进行过滤得到的，过滤的过程是去掉比过滤宽度或者给定物理宽度小的涡 旋，从而得到大涡旋的控制方程。过滤不可压的n s 方程后，可以得至u l e s 控制方程： 一o f , + 塑：0 ( 2 1 0 ) 拼 苏j 昙恼) + 毒。瓦) = 毒卜考 - 筹一等 c 2 州， 其中，f 。为亚网格应力，定义为： 乃= p u ，掰，一p u ，掰， ( 2 1 2 ) f l u e n t 软件提供的求解方法有： ( 1 ) 非耦合求解； ( 2 ) 耦合隐式求解； ( 3 ) 耦合显式求解； 非耦合求解方法主要用于不可压缩或压缩性不强的流体流动。耦合求解则可以用在 高速可压缩流动。f l u e n t 默认设置是非耦合求解，但对于高速可压流动，有强的体积 力( 浮力或离心力) 的流动，求解问题时网格要比较密，建议采用耦合隐式求解方法， 可以耦合求解能量和动量方程，能比较快地得到收敛解。缺点是需要的内存比较大( 是 非耦合求解迭代时间的1 5 2 倍) 。如果必须要耦合求解，但是你的机器内存不够，这 时候可以考虑用耦合显式解法器求解问题。该解法器也耦合了动量，能量及组分方程， 但内存却比隐式求解方法小。缺点是收敛时间比较长。有一点需要注意的是非耦合求解 的一些模型在耦合求解解法器里并不都有。耦合解法器没有的模型包括：多相流模型， 混合分数p d f 燃烧模型，预混燃烧模型，污染物生成模型，相变模型，r o s s e l a n d 辐射 模型，确定质量流率的周期性流动模型及周期性换热模型等。 1 5 第三章旋风除尘器的基本工作原理 第三章旋风除尘器的基本工作原理 3 1 旋风除尘器的结构 旋风除尘器的结构如图3 - i 所示，当含尘气流由进气管进入旋风除尘器时，气流将 由直线运动变为圆周运动。旋转气流的绝大部分沿器壁呈螺旋形向下，朝锥体流动。通 常称此为外旋气流。含尘气体在旋转过程中产生离心力，将重度大于气体的尘粒甩向器 壁。尘粒一旦与器壁接触，便失去惯性力而靠入口速度的动量和向下的重力沿壁面下落， 进入排灰管。旋转下降的外旋气流在到达锥体时，因锥体形的收缩而向除尘器中心靠拢。 根据“旋转矩 不变原理，其切向速度不断提高。当气流到达锥体下端某一位置时，即 以同样的旋转方向从旋风除尘器中部，由下反转而上，继续作螺旋流动，即内旋气流。 最后净化气经排气管排出旋风除尘器外。一部分未被捕集的尘粒也由此逃失。 图3 - i 旋风除尘器示意图 3 2 旋风除尘器内的流场 旋风除尘器内的流场是一个相当复杂的三维流场。气体在旋风器内作旋转运动时， 任一点的速度均可分解为切向速度u 、轴向速度屹和径向速度咋口钔。 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 3 2 1 旋风除尘器的三维速度分布 ( 1 ) 切向速度v 分布 切向速度对于粉尘颗粒的捕集与分离起着主导作用。含尘气体在切向速度的作用 下，使尘粒由里向外离心沉降。 在排气管以下任一截面上的切向速度v 沿半径的变化规律为： 在旋风除尘器中心部分的旋转气流，其切向速度v ，随着半径的增大而增大，是类似 与刚体旋转运动的强制涡，称为“内涡旋；除尘器外部的旋转气流，其切向速度弓则 随着半径的增加而减少，是准自由旋涡，称为“外旋涡 。在内、外涡旋的交界面上， 切向速度达到最大值( 如图3 2 ) 。各种不同结构的旋风除尘器，其切向速度分布规律基 本相同。表达通式【2 5 】为： v , r ”= 常数 式中，为气流质点的旋转半径，即距除尘器轴心的距离：n 为旋转指数。对外涡旋， n = o 5 o 8 ；在内涡旋的外侧面上n = o ，v ，= 常数，并达到了最大值；对内涡旋，l l - - 1 ， 则有： 羹 瑙 旦= 国：常数 ， 一1 虐彳 强山撬 露 | 籀 擀 n 。夕蓥二u _ 。f ， 一 r 呶r半径方囱 一 流 搭 艋心 审 心 鳢 出口平勰压力 心纠 l 图3 - 2 旋风除尘器内气体的切向速度和压力分布图 ( 2 ) 径向速度v ， 根据实验表明，在排气管入口以下的空间存在着向心的径向流动。在旋风除尘器中， 径向速度沿着高度的分布并不是均匀的，尤其是在排气管入口附近的径向速度值较大， 对粉尘的捕集是不利的。 1 7 盥暴燧垂举 第三章旋风除尘器的摹本工作原理 由于径向速度值比切向速度值小一个数量级，而在除尘器内径向压力剃度又较大， 所以极难测定，因而，至今对径向速度的分布规律还研究不足。 ( 3 ) 轴向速度1 ， 靠近旋风除尘器外壁的一层旋转气流的轴向速度1 ，是下行的，中心部分是上行的， 这样的轴向速度分布，构成了旋风除尘器内气体的双层旋转流动结构。实验证明，在这 两层部分气体交界面上轴向速度为零，该交界面与器壁平行呈倒圆锥形。 3 2 2 旋风除尘器的涡流啪3 旋风除尘器内，除了主旋转气流外，还存在着由轴向速度1 ，和径向速度v r 相互作 用而形成的