（轮机工程专业论文）具有消音功能的船用气水分离器性能研究.pdf

哈尔滨下稃入学硕十学位论文 摘要 船舶的某些舱室有通风换气和消声降噪的要求，以达到为舱室内的工作 人员维持良好的工作和生活环境的目的。在海洋环境中，空气比较恶劣，含 有大量的盐雾颗粒以及油污、沙尘等杂质，因此，绝大多数船舶都对舱室的 通风系统装备有进气滤清装置气水分离器。当有消声降噪的要求时，还 要加装消声器对其进行消声处理。 在此前提下本文主要进行了以下几个方面的工作： l 、在燃气轮机动力的船舶上，设计一款具备消声功能的气水分离器，在 气水分离器进气口布置旋风级分离器，在气水分离器出气口布置消声器，在 旋风级分离器与消声器中间布置轴流风机。由于此气水分离器结构较为复杂， 部件较多，难以对整体进行数值模拟分析，本文在不影响研究其整体性能的 前提下，对其各个部件( 旋风子和消声器) 分开来逐个进行研究。 2 、旋风子两个主要指标是压力损失和分离效率。在压力损失方面，对原 型旋风子模型采用非结构化网格进行数值模拟，考查其阻力特性，分析其内 部流场分布情况，并且以降低阻力为目标而进行改型设计，即通过在旋风子出 气口处加装导流环和扩压段，达到降低阻力的目的。在分离效率方面，对旋 风子原型和改进型进行了两相流的数值模拟。结果表明，旋风子捕捉大颗粒 的效果更好。 3 、消声器两个主要指标是传递损失( 声学性能) 和压力损失。在压力损 失方面，对三种不同结构的消声器( 简单膨胀室消声器、带内插管膨胀室消 声器和双节串联式膨胀室消声器) 采用非结构化网格进行数值模拟，分别考 查它们的阻力特性，分析其内部流场分布情况。在声学性能方面，采用结构 化网格分别对这三种消声器进行数值模拟，分别考查它们的传递损失，分析 其内部声场分布情况。最后综合其声学性能和阻力特性，来选择功能较好的 哈尔滨r ：程大学硕十学何论文 消声器。结果表明，双节串联式膨胀室消声器具有较优的综合性能。 关键词：旋风子；消声器；数值模拟；压力损失；分离效率；声学性能 哈尔滨下程火学硕十学位论文 a b s t r a c t s o m es h i pc a b i n sn e e dg o o da i ra n de l i m i n a t en o i s e sf o rt h eg o o dw o r k i n g a n dl i v i n gc o n d i t i o n sf o rt h es t a f f s b u to nt h es e a ，m a s s i v ei m p u r i t i e si n c l u d ei n t h ea i r ，s u c ha ss a l tm i s tp e l l e t s 、g r e a s yd i r t sa n ds a n dd u s t s ，t h e r e f o r e ，t h e o v e r w h e l m i n gm a j o r i t ys h i p se q u i p a i rf i l t r a t i o nd e v i c ei nt h ec a b i nr o o m 曲o i s t l j r es e p a r a t o r w i t ht h er e q u e s to fn o i s e se l i m i n a t i o n i tn e e d st oi n s t a l l t h em u f n e rt oe l i m i n a t en o i s e s b a s e dt h ea f o r e m e n t i o n e dp r e m i s e ，s e v e r a la s p e c t so ft h er e s e a r c hi n t h i s t h e s i sa r ec o m p l e t e d ： 1 、f o rt h eg a st u r b i n ep o w e rs h i p s ，w ed e s i g nam o i s t u r es e p a r a t o rd e v i c e w i t hac y c l o n es t a g es e p a r a t o rl a y i n gi nt h ei n l e ta n dam u f f l e rl a y i n gi nt h eo u t l e t b e t w e e nt h ec y c l o n ea n dt h em u f f l e ra r r a n g e sa na x i a lf l o wf a n d u et om o i s t u r e s e p a r a t o rs t r u c t u r ei sm o r ec o m p l i c a t e da n dd i f f i c u l tt oc a r r yo u tn u m e r i c a l s i m u l a t i o ni nt h eo v e r a l lr e s e a r c h ，t h i st h e s i ss t u d i e si t sv a r i o u sc o m p o n e n t s ( c y c l o n ea n dm u f f l e r ) s e p a r a t e l yw i t h o u ta f f e c t i n gi t so v e r a l lp e r f o r m a n c e 2 、t w om a i nt a r g e t so fc y c l o n ea r ep r e s s u r el o s sa n ds e p a r a t i o ne f f i c i e n c y o n p r e s s u r el o s s ，t h ec y c l o n eo ft h ea r c h e t y p a lm o d e lu s e su n s t r u c t u r e dg r i d sf o r n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t ot e s ti t sr e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c s ，a n a l y z et h ei n n e r d i s t r i b u t i o no ft h ef l o wf i e l d s ，a n dr e d u c et h er e s i s t a n c ef o r d e s i g n i n g m o d i f i c a t i o n t h ed e v i c er e a c h e st h ep u r p o s eo fr e d u c i n gt h er e s i s t a n c eb y i n s t a l l i n gd i f f u s e ra n dl e a d i n gr i n gi n t h e o u t l e to ft h ec y c l o n es e p a r a t o r o n s e p a r a t i o ne f f i c i e n c y ，w eu s en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft w o - p h a s ef l o wo nt h e a r c h e t y p a lc y c l o n ea n dam o d i f i e do n e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec y c l o n ec a p t u r e s l a r g ep a r t i c l e sb e t t e r 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 3 、t w om a i nt a r g e t so fm u f f l e ra r et r a n s m i s s i o nl o s s ( a c o u s t i cp e r f o r m a n c e ) a n dp r e s s u r el o s s o np r e s s u r el o s s ，t h r e ed i f f e r e n ts t m c t u r em u f f l e r s ( s i m p l e e x p a n s i o nc h a m b e rm u f f l e r ，e x p a n s i o nc h a m b e rm u f f l e rw i t hi n t u b a t i o n sa n d d o u b l e e x p a n s i o nc h a m b e rm u f f l e rw i t hi n t u b a t i o n s ) u s e u n s t r u c t u r e dg r i d n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s p e c t i v e l y ，t oe x a m i n et h e i rr e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c sa n d a n a l y z et h ei n n e rd i s t r i b u t i o no ft h ef l o wf i e l d s o na c o u s t i cp e r f o r m a n c e ，w e e x a m i n et h e i rt r a n s m i s s i o nl o s sa n da n a l y z et h ei n n e rd i s t r i b u t i o no ft h es o u n d f i e l d sb yu s i n gs t r u c t u r e dg n d sf o rs i m u l a t i n gt h et h r e ed i f f e r e n tm u f f l e r s s e p a r a t e l y f i n a l l yb yc o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h ea c o u s t i cp e r f o r m a n c ea n d p r e s s u r el o s so ft h et h r e ed i f f e r e n tr e s i s t a n c em u f f l e r s ，t os e l e c tt h eb e t t e rf u n c t i o n m u f f l e rd e v i c e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed o u b l ee x p a n s i o nc h a m b e rm u f f l e rw i t h i n t u b a t i o n sh a sb e t t e rc o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：c y c l o n e ；m u f f l e r ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；p r e s s u r el o s s ；s e p a r a t i o n e f f i c i e n c y ；a c o u s t i cp e r f o r m a n c e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：多一桫 日期：砌c 7 年亏月12 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。炒密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 酗在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：蛰木步导师( 签字) ：3 窃够侉 日期：沈矽7 年岁月曰硼7 年多月，咱 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 船舶舱室里的空气在通常情况下会比较高，要通风散热，而且舱室的人 员在工作和生活时还要不断吸入新鲜空气和呼出二氧化碳，这样需要连续补 充新鲜空气，所以在船舶上都安装有通风设备，为舱室内的人员通风换气。 而在海洋环境条件下，空气中不仅含有大量的盐分，而且还含有油污、沙尘 等杂质，因此需要对空气中的油污、沙尘、盐份等杂质进行过滤，所以在船 舶的舱室内的通风系统中安装有进气滤清器。进气滤清器担负着除盐、除尘、 除油等的任务。其他船舶发动机燃烧和冷却用的进气、通讯电子舱等舱室的 进气等往往也有除盐、除尘、除油等的要求。为了保证舱室在海洋环境条件 下良好的工作和生活环境，必须在舱室进气通风系统中设置滤清装置。 对于舱室内的人员来说，良好的环境是正常工作必备的条件，不仅要对 舱室进气进行净化处理和对舱室进行通风散热，而且对舱室内的噪声提出了 较高的要求。对舱室进行消声降噪处理，可以从多方面入手： 1 、采用隔振技术，这是舱室振动噪声控制最有效的方法之一，隔振措施 主要有： 1 ) 轴系柔性传动方式设计： 2 ) 主机组整体的隔振设计； 3 ) 船体阻尼材料的减振降噪设计等。 2 、尽量将舱室布置在远离噪声源的位置。 另外还可采用舱室隔声墙或者其他降噪措施以有效降低传至舱室内的噪 声。但即使经过了以上的降噪措施，舱室内仍然有消声要求，以满足舱室里 面人员的工作和生活需要。降噪是需要全方位的，舱室的通风进气系统是一 哈尔滨t 稃人学硕十学何论文 a n nnm i n im 个薄弱环节，从中会有较大噪声辐射进来，所以需在进气滤清装置中安装消 声器。 本文所研究的这个舱室通风进气系统就构成了一个特殊的气水分离器， 即具有消声功能的气水分离器。 此气水分离器的外形框架示意简图如图1 1 所示： 口 图1 1 气水分离器外形框架简图 作为船舶舱室内的气水分离装置，首先要对空气进行滤清净化，然后兼 具使气水分离装置有一定的消音功能的性能要求，需要做到三个方面：其一 是对气水分离器的进气进行除杂处理；其二是对进气通道中的辐射进来的噪 声进行消声降噪处理；最后，保证了这些功效还必须尽量降低压力损失，以 满足舱室内的送风要求，更好地对舱室进行通风散热。 本文对气水分离器的结构布局的设计是：在气水分离器进气口布置旋风 子进行除杂处理，在气水分离器出气口布置消声器进行消声降噪，在旋风子 和消声器之间安装轴流风机进行通风换气。 据上所述，气水分离器内部结构布置示意简图如图1 2 所示： 2 哈尔滨下程大学硕十学位论文 ( a ) 立体图( b ) 剖面图 图1 2 气水分离器结构布置示意简图 在此气水分离器装置中，我们可针对其中的各个部件，从它们的结构等 方面入手，寻求降低压力损失、降低噪声和提高气水分离效率的方法，使其 更好地满足舱室内的进气要求。 1 2 国内外研究状况 在气水分离器进气口布置旋风子进行除杂处理，在气水分离器出气口布 置消声器进行消声降噪，那么我们要研究的部件就是旋风子和消声器。故本 课题的研究内容有两部分：第一部分，研究旋风子的性能；第二部分，研究 消声器的性能。 哈尔滨一r 挥大学硕+ 学何论文 1 2 1 旋风子的国内外研究状况 本文所研究的旋风分离器旋风子，它是组合式高效滤清器中的第一 级，它能够起到缓减波浪对后级滤清器的冲击、快速疏水及分离大直径液滴 和其他杂质的作用，是组合式滤清器不可缺少的一个重要组成部分。 旋风分离器是一种使含有固体或液体颗粒的气体产生旋转，并依靠离心 力达到气固或气液分离的装置。由于它具有分离效率高、结构简单紧凑、操 作维护方便等优点，故被广泛应用于化工、冶金、采矿、轻工等众多领域。 自1 8 8 6 年m o r s e 的第一台圆锥形旋风分离器问世以来，国内外众多学者 对旋风分离器进行了大量的研究，基本上经历了如下几个发展阶段n3 ，： 第一阶段：从旋风分离器投产使用到上世纪二十年代末。在这近半个世 纪的时间里，旋风分离器一直处于经验的使用阶段，并没有从理论上对其性 能及机理进行过分析研究，因此旋风分离器能够分离的最小粒径也一直停留 在4 0 - 6 0 l a r a 的水平上。在这期间，最杰出的研究成果是1 9 1 0 年普兰特( p r a n d t l ) 在排气管出口加装导流叶片，从而降低旋风分离器的阻力。 第二阶段：从上世纪二十年代木到六十年代初。在这期问，人们广泛地 对旋风分离器进行科学研究与理论概括。1 9 2 8 年，波罗克( p r o c k a c t ) 首次对 旋风分离器进行了流场测定研究，从此结束了人们对旋风分离器的盲目使用， 而开始对其进行系统的实验及理论研究。 第三阶段：从上世纪六十年代初开始，旋风分离器进入了又一个新的发 展阶段。在此阶段，人们在对旋风分离器内部流场及浓度场进行大量测试的 基础上，对旋风分离器内部流场的形式及除尘过程有了更加全面的认识，从 而为旋风分离器捕集微细颗粒打下了理论基础。1 9 6 3 年，德国西门子公司研 制出能够分离粒径为0 4 l a r n 的颗粒的旋风分离器；1 9 7 5 年，东德的一些科研 单位把无量纲的量编成电子计算机程序进行研究，以求达到最佳的除尘效果； 4 哈尔滨丁稃入学硕十学何论文 ijiiiiiiiiii；i；ii宣i置iii；iiiiii置ii；i；i；i 1 9 7 9 年，l e i t h 与l i c h t 类比电力除尘器的分离机理，提出了湍流混渗边界层 分离理论，并给出相应的分级效率计算公式。与此同时，研究发现旋风分离 器内的流场是由两种性质不同的旋涡一准自由涡与强制涡及流向相反的源流 或汇流叠加起来的流场。七十年代以后，各种利用强制涡和源流叠加的流场 为除尘空间的旋风分离器相继问世，如英国的c o l l e c t r i o n ，日本的j e l c l o n e 和r o r c l o n e 等等。 国内在这方面的研究起步较晚，但是也有自己比较成熟的产品，如上世 纪8 0 年代末，中国石油大学开发出来的p v 型高效旋风分离器：在此基础上， 还开发了比其性能更优良的p x 型旋风分离器”，如图1 3 所示。 ( a ) p v 型( b ) p x 型 图1 3 两种旋风分离器结构对比 近些年来，船用高效组合式滤清器得到了广泛的应用，旋风级分离器作 为滤清器的重要组成部分，对其进行的研究也越来越受到人们的重视和关注。 传统的组合式滤清器在遇到海浪、连续浪击的情况时，往往起不到好的 效果，因此在滤清器前端加上旋风级分离器。但是，加装旋风级分离器的同 时文会导致滤清器整体阻力的增加。所以，提出解决问题的方案为：在满足 舱室进气通风要求的条件下，降低旋风级分离器的阻力，提高旋风级分离器 参学 哈尔滨丁程大学硕十学佗论文 防浪、除尘等性能。 本文在突破前人只单纯研究气水分离器一般性的功能如分离效率及阻力 特性的基础上，还针对了具有消音功能的气水分离器进行综合性能的研究。 其中研究气水分离器内的旋风子的内容如下： 1 、利用计算流体力学商业软件f l u e n t ，采用有限体积法对旋风子内 部流场进行数值模拟，研究旋风子内部的压力损失和分离效率； 2 、综合分析旋风子内部的压力损失和分离效率的数值模拟结果，寻求改 善旋风子内部空气动力性能的方法： 3 、计算和分析改进后的旋风子的压力损失和分离效率，考虑内部结构对 两者的影响，确定旋风子的优化结构。 1 2 2 消声器声学性能的国内外研究状况 消声器是噪声控制工程中常用的一种装置，其特点是能有效地阻止或减 弱噪声向外传播，通常安装于空气动力设备的进出口或气流通道上“1 。消声器 的种类很多，根据消声原理，常用的消声器有三大类：阻性消声器、抗性消声 器、阻抗复合性消声器，消声器可以有效改变气流通道的声阻抗，达到降低 噪声的目的。 目前，消声器声学性能的研究已经取得了很大的发展，建立了一维平面 波理论、二维和三维声学有限元和边界元等数值方法。下面对这几种方法加 以简单介绍嵋“1 。 1 、基于平面波理论的传递矩阵法 1 9 2 2 年，美国学者s t e w a r d 率先用声滤波器理论指导抗性消声器设计， 利用集中参数近似算法分析消声器元件，该方法仅适用于波长远大于消声器 几何尺寸的情况，用于低频近似计算。1 9 5 4 年d a v i s 发表了平面波理论的经 典论文，运用平面波理论，分析了无气流情况下的消声器的声学特性，1 9 7 0 6 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 年f u k u d a 发表了用等效电路得到的传递矩阵法计算消声器的传声特性的文 章，在这同一时期，s u l l i v a n 对存在平均气流时的声传递矩阵进行了研究。 七十年代c r o c k e r 和t h a w a n i 提出了存在气流影响时的声波传播理论，但仍 然没有考虑温度梯度的影响。八十年代后，随着对气流和温度的研究进一步 深入，对利用该方法计算设计消声器有较全面的论述。国内学者也对传递矩 阵法进行了大量的研究，并应用于消声器声学性能计算中。 2 、声学有限元法 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，简写f e m ) 是求解数理方程的一种数 值计算方法。把求解区域看作由许多小的节点处互相连接的子域所构成，其 模型给出基本方程的近似解。由于单元可以被分割成各种形状和大小不同的 尺寸，所以它能很好地适应复杂的几何形状、复杂的材料特性和复杂的边界 条件，再加上它有成熟的大型软件系统支持，使其成为一种非常受欢迎的、 应用极广的数值计算方法。声学有限元法是将声场用有限元离散化，根据声 学波动方程，得到联立代数方程组，通过求解代数方程组得到声场中的声学 特性。 有限元法最初应用于分析复杂结构的应力，后来用于振动模态分析。六 十年代，声学工作者进行了工程声学的研究，结合有限元理论而形成了工程 声学有限元法。1 9 7 5 年，c i j y o u n g 和m j c r o c k e r 首次利用有限元法计算 消声器的传递损失。1 9 7 6 年a c r a g g s 进一步发展了有限元的方法，利用有限 元法研究了消声器的消声特性。直到1 9 7 8 年以前，所有的有限元法推导公式 都是仅限于稳定介质状态的。1 9 7 9 年，r j a s t l e y 利用加权余量法和有限元 法研究了具有流动介质的管道中声传播的特征值问题。1 9 8 2 年k s p e a t 利用 四端子参数有限元法评价了具有流动介质的管道中的声传播，在他的研究中 是以能量函数作为研究对象的。s f l i n g 提出了用迦辽金有限元法研究了具 有气流的管道声学问题的理论。1 9 8 7 年，m u n j a l 在其著作中详细介绍了有限 7 哈尔滨丁稃大学硕十学何论文 元法用于计算消声器声学性能的理论和实施过程。随着计算机的发展，应用 各种软件对消声器的声学性能进行仿真分析逐步完善起来。近年来，许多用 有限元法计算和分析的论文被发表，结合有限元软件来设计分析各类消声器 的研究越来越深入。 3 、声学边界元法 边界元法( b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ，简写b e m ) 只在研究区域的边界进 行单元划分，将边界离散化，并通过联立方程式求解；而在研究区域的均匀介 质内，则用连续的数学物理方程求解。b e m 是根据格林定理将运动微分方程 式转化为等价的边界积分方程。 t t a n a k a 用边界法预示了一简单消声器的插入损失。c r k i p p 及r j b e r n h a r d 用间接边界元法预示了声腔内部声场。秦达华用边界元法计算了轴 对称管道的消声器，同年t e r a o 和s e k i n e 使用了结构边界元技术计算了带内 插管的二维膨胀腔的传递损失并与有限元及实验结果进行了比较，使用子结 构技术消除了由于管道内插管带来的奇异性。吴浩硅等用二维边界元法建立 了消声器的数学模型，计算消声器的插入损失。a s e l a m e t 和z l j i 在使用边 界元法分析消声器内部的声场方面做出了卓越的贡献，发表了大量利用边界 元法分析计算消声器声学性能的文章。 本文对消声器的研究是采用有限元法对低、中频噪声进行消声处理的数 值模拟研究。首先从最简单的消声器分析入手，依次研究简单膨胀室消声器、 带内插管膨胀室消声器和双节串联式膨胀室消声器，采用二维模型对这三个 消声器进行计算，能加快数值模拟的速度。本文对气水分离器内的消声器的 研究内容如下： 1 ) 利用声学软件s y s n o i s e 采用声学有限元法，对简单消声器内部声 场进行数值模拟，计算其传递损失，分析消声器的消声性能； 2 ) 利用计算流体软件f l u e n t 采用有限体积法，对消声器内部流场进 8 哈尔滨下稃人学硕十学俯论文 行数值模拟，分析消声器内部的流场的速度、压力分布和湍流状况，分析消 声器的空气动力性能，即计算它的压力损失； 3 ) 综合分析消声器传递损失和阻力损失的数值模拟结果，寻求改善消声 器的空气动力性能的方法； 4 ) 计算和分析结构较为复杂消声器的声学性能和阻力特性，考虑内部结 构对两者性能的影响，确定消声器的优化结构。 9 哈尔滨t 程大学硕十学1 _ 7 ：论文 第2 章气水分离器各部件内部流场数值模拟方法 2 1 引言 流场的数值模拟计算主要包括以下几步： 1 、建立物理与数学模型。首先对所研究的实际问题作出一定简化假设， 以确立其物理模型。例如，当物理过程中流体的物性变化不大时可作常物性 的假定；物理量的场在某一方向上的变化相对于其他两个方向很小时可以作 二维的假定，等等。根据所确定的物理模型写出该过程的控制方程及相应的 初始条件和边界条件，这一步也就是确立其数学模型。 2 、建立网格。数值模拟计算中用离散的网格来代替原物理问题中的连续 空间，网格中的节点则是所求解物理量的几何位置。从网格的构造来说，可 以分为结构化( s t r u c t u r e d ) 网格、块结构化( b l o c k s t r u c t u r e d ) 网格及非结构化 ( u n s t r u c t u r e d ) 网格三种。这三种网格各有各的特点，也就各自适应不同的物 理问题。 3 、确定控制方程的离散方法。选择多种离散方法中最适用于所模拟物理 问题的控制方程的一种方法对控制方程进行离散化处理，得到节点间物理量 的代数方程组。在离散方程的过程中，基于定的物理真实性，需要对所求 解的变量在两个节点之间的变化特性作假设，从而选择不同的离散格式。 4 、求解控制方程离散后形成的代数方程组，然后对数值计算的结果从物 理过程的角度进行解的分析。 2 2 流场控制方程 基于气水分离器内旋风子和消声器的内部流场的气动特性，可以将其视 为可压缩的粘性流动，利用b o u s s i n e s q 涡旋粘性假设”1 ，忽略质量力的可压 l o 哈尔滨丁：程大学硕十学位论文 缩粘性气体的n - s 方程组描述如下： 连续方程 望+ 昙( 以) = 0 (2一la)at缸，。 动量方程 昙帆，+ 考溉吩，一考+ 鼍( 2 - 1 b ) 能量方程 舭+ 警) k ”( p + 等) + p ) _ 靳缸小叱， 状态方程 旦：r t( 2 一l d ) p 式中： r 。粘性应力张量5 p 密度，k g m 3 ： ”，速度分量，m s ； p 压力，p a ： e 比内能，j k g ： 七热传导系数； r 温度，k ； 动力粘性系数，k g m s 。 肼涡旋粘性系数。 对于牛顿流体，有： 1 l 乃= 。+ 肼) ( 善+ 詈 2 36 。+ 警 c 2 栩 其中的动力粘性系数是随温度丁的变化而变化的，其取值利用工程上 常用的苏士兰( s u t h e r l a n d ) 公式得到： 盟：二) ，z 堡旦 ( 2 3 ) o、瓦丁+ 疋 式中：t 静温，k ： t o 参考温度，t o = 2 7 3 1 6 k ； 硒一个大气压下、0 。c 时气体的动力粘性系数； t 苏士兰常数，与气体性质有关。 2 3 湍流模型 气体在船用气水分离器内的旋风子和消声器内部的实际流动为湍流流 动。湍流是流体的一种“紊乱无序”的运动，这种流动从肉眼看来是属于无 序的、随机的、杂乱无章的流动。实际上湍流具有大小不等的旋涡，大涡由 主流获得能量，涡旋运动使旋涡拉伸而不断分散为小涡，当小到旋涡的最小 尺度时，小涡的能量由流体的分子运动所耗散。湍流的每一单个的瞬态流场 是无法预测的，是带有随机的性质，但是这也决不就意味着这种流动毫无规 律可循。近代流体力学研究发现，应用n a v i e r - s t o k e s 方程于湍流问题是适宜 的，这主要是因为满足连续性假设。虽然湍流是由各种尺度的旋涡引起的无 序的随机的流动，但是在足够小的尺度上湍流属于规则的有序流动，其运动 规律是满足流体力学的基本方程的。然而，这种对湍流最根本的模拟方法在 实际中却是难以实现的。由于湍流是一种结构多尺度问题的非稳定结构，为 模拟湍流运动，则求解域的尺度至少应该有大涡的尺度，而离散网格的尺度 1 2 哈尔滨t 挥人学硕十学何论文 则需与小涡的尺度有相同的量级。按照k o l m o g r o v 的微观尺度理论，则网格 尺度是要小于 三 !兰 ，= v 4 s 4 兰三r l 4 ( 疋专o o ) ( 2 4 ) 式中，三是大涡尺度，与求解域同一量级；，是小涡尺度，即为网格尺度；v 是流体的粘性系数；占是湍动能耗散率。也就是说，要用n a v i e r s t o k e s 方程 对湍流做直接的数值模拟，需要对旋涡尺度从，到的全部旋涡做数值模拟， 这对于实际中的大多数问题，是目前计算机容量及速度难以解决的。因此， 工程上常用的方法是求解平均的n a v i e r s t o k e s 方程，因为在湍流流动中，任 何物理量矽+ ( x ，f ) 均可以分解成一个平均量矽( x ，f ) 与一个脉动量( x ，f ) 的和。 所谓的湍流模拟，就是直接计算平均值，而脉动量对平均量的影响通过一些 简单的模型进行近似模拟，这些简单模型就称为“湍流模型”或者叫“湍流 模式 。湍流模拟的基本点是将湍流特征量用统计值来表达，利用某些模拟 假设从而使方程封闭，这是因为工程中感兴趣的往往是时均速度场，温度场， 湍流脉动时均特性等，并不需要知道湍流产生及发展的细节。 虽然湍流流动十分复杂，所有物理量均为时间、空问的随机变量，但是 它仍遵循连续介质的一般运动规律，其瞬时值仍满足物体的运动方程，所以 前述控制方程就是描述湍流流场的各瞬时量的基本方程。基本方程中的任一 瞬时量均可用某一种平均方法将其分解为平均量和脉动量。常用的平均方法 有两种：时间平均法( 也叫雷诺平均) ，质量加权平均( 即f a v r e 平均) 。对于 密度变化不大的流场，例如不可压缩流场，可忽略密度变化，故常用时间平 均法。对于密度变化较大的流场，例如可压缩流场，密度脉动不能简单忽略， 然而由于考虑了密度变化的方程再采用时间平均会使方程中出现许多密度脉 动的二阶和三阶相关量，不能满足通常所用流线概念下的质量守恒原理，使 方程形式变得比较复杂，而根据f a v r e ( 1 9 6 9 年) 提出的质量加权平均，可以避 免密度相关量的出现，从而使方程能满足连续方程沿流线的守恒形式。 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 为了使湍流模型更加简单，本文采用了f a v r e 平均( 质量加权平均) 。 其实f a v r e 平均就是对瞬时压力和密度仍采用时间平均，对其他变量都是用 质量加权平均。先给出雷诺平均定义为： 她力万= 石1h 彬“沙( 2 - 5 a ) 这里缸为某时间周期，与速度的脉动周期相比足够大，与流动的宏观时 间尺度相比足够小。在实验数据处理中，出的确切选取很重要，但在湍流模 型中并不出现，所以没有必要去在意它的选取。再定义质量加权平均为： 北力= 矛= 南川瑚+ ( 2 - 5 b ) 这里p = p 为按雷诺平均定义的平均密度。 按f a v r e 平均方法对控制方程( 2 - 1 ) 进行时i 司平均后( 为了简练，去掉平 均号，以得到与原方程相同的形式) ，得到如下的形式： 票+ v ( p ；) ：0 ( 2 6 a ) 云( p 1 ，) + v ( ) = v ( 一4 - - f 一? 材j ) ( 2 - 6 b ) 善( p e ) + v ( p v e ) = v ( 一+ r p ”? 材：) v 】- v , q ( 2 - 6 c ) o t 。 旦：r t ( 2 6 d ) p 由质量加权平均后的控制方程( 2 5 ) 来看，方程变得不封闭了，这是因为 方程中多了新的一个未知项( 一? “；) ，是由于湍流脉动而造成的应力，称之 为雷诺( r e y n o l d s ) 应力，这就需要寻求补充关系使问题封闭。 利用b o u s s i n e s q ( 1 8 7 7 年) 仿照分子运动理论假设： 1 4 哈尔浜i 样入学坝十掌何论文 - 一a u , u ；= 叫警+ 鸬c 善+ 詈) 一詈肚吒 ( 2 棚 式中，鸬是涡旋粘性( e d d yv i s c o s i t y ) 系数，也叫湍流粘性系数，与分子粘性、 不同，它是空间坐标的函数，取决于流动状态而不是物性参数。 七：i l 。( u t2 _ ，2 - - 2 ) 为单位质量流体湍流脉动动能。定义一个b ，它是脉动 速度所造成的压力，b = 吾户( 虿2 + 虿2 + 乏2 ) = 了2 础。 将式( 2 7 ) 代入控制方程( 2 - 6 ) 整理可以得到： 詈m ( 而= o ( 2 - 8 a ) 昙( 厉) + v 咖而) = v ( - 砌，+ r ) ( 2 - 8 b ) 昙( 阚+ v ( 廊) = v 【( 一p , z s + r ) _ 】一v 石( 2 - 8 c ) 旦：r t ( 2 8 d ) p 式中，砌是由p 和只组合成的一个有效压力， p 露= p + p t = p + 亏2 酞( 2 - 9 ) 另外，对式中的r = 乃) 有： 乃一詈( + “) 罄嗡+ ( + 袱若+ 鲁) ( 2 砌a ) 因此，如果用有效粘性系数砌= ( + 以) 来代入有： 乃一号砌薏毛+ 吻c 鼍+ 鼍， c 2 m b ， 则控制方程( 2 - 8 ) 与式( 2 - 1 ) 完全相同。 由前述可知，由于湍流应力的出现，控制方程组( 2 - 8 ) 未能封闭，需引 哈尔滨r 稃人学硕十学何论文 1 入湍流模型。而引入b o u s s i n e s q 假定以后唯一的未知参数是涡旋粘性系数， 因此湍流应力的模化变成了涡旋粘性系数z , ，即计算湍流流动的关键就在于 如何确定鸬。依据确定肼的微分方程数目的多少，涡粘模型可以分为零方程 模型、一方程模型和两方程模型。 两方程模型有着广泛的应用，下面介绍一下两方程模型。 两方程模型是在一方程模型的基础上，新引入一个关于湍流耗散率s 的 方程后形成的，如七一s 模型和七一模型等，它们都需要求解两个输运方程。 两方程模型中最典型的是标准k s 模型( s t a n d a r dk 一m o d e l ) ，该模 型是由l a u n d e r 和s p a l d i n g ，于1 9 7 2 年提出的。标准k s 模型比零方程模型 和一方程模型有了很大改进，其结构简单，使用方便，在科学及工程实际中 得到了广泛的检验和成功应用，但用于强旋流、弯曲壁面流动或弯曲流线流 动时，会产生一定的失真n ”。为此，后来又提出了许多改进的k s 两方程模 型，如r n g k 一占模型和r e a l i z a b l e k 一占模型。r n g k s 模型是由y a k h o t 和 o r z a g n 引提出的，它通过修正湍动粘度，考虑了平均流动中的旋转及旋流流动 情况，因此，r n g k s 模型可以更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大流 动。r e a l i z a b l e k 一占模型，的湍动粘度计算公式发生了变化，引入了与旋转 和曲率有关的内容，目前已被用于各种不同类型的流动模拟。 但是，k 一占模型中的许多模拟项建立在各项同性的假设之上，使得该模 型对于一些各项异性较强的流动( 如分离流动) 不能很好的进行模拟以及在 粘性底层中存在数值困难等。w i c o x “”提出的k 一缈模型克服了k 一占模型的许 多弱点，特别是在近壁面区域中，k 一国模型的性能比k 一占模型有较大的提 高。然而，k 一缈对自由来流的彩值非常敏感。q 一缈模型是由c o a k l e y m l 在1 9 8 3 年提出的，其中q ：i 。袁新m ，在叶轮机械内流场中分别使用了c h i e n k s 模型、w i l c o x k 一缈模型和c o a k l e y g 一彩模型，并进行了比较，得出尽管k 一占 1 6 哈尔滨j i ：程人学硕十学位论文 模型在工程实际中已得到了广泛的应用，但是由于k 一缈和q 一缈模型的计算 量相对较少，边界条件处理简单，又能适应粗糙的初始湍流流场，所以在求 解可压缩流动时倾向于采用后两种湍流模型。 总而言之，在目前的湍流流场计算中，两方程模型应用广泛。在某些特 定的条件下，能得到很好的结果。但是由于认识的局限性以及对湍流场的各 种假定，也使得计算结果与实际结果偏差较大。 2 4 网格划分 在对指定问题进行c f d 计算之前，首先要将计算区域离散化，把连续空 间的计算区域进行划分，分成许多个子域，并确定每个区域中的节点，。从而 生成网格。然后将控制方程在网格上离散，将偏微分格式的控制方程转化为 各个节点上的代数方程组。此外，对于瞬态问题，还需要涉及时间域离散。 网格生成技术是计算流体力学的一个重要分支，它是随着数值计算方法 和计算机技术的发展而发展起来的。它在数值计算中占有重要地位，实际上， 流动问题数值计算结果的最终的精度及计算过程的效率，主要取决于所生成 的网格与所采用的算法。 从网格的构造来说，大致可以分为结构化网格和非结构化网格两种。结 构化网格的节点以阵列形式排列，与计算机语言自然匹配，便于矩阵演算与 操作。非结构化网格在网格和节点排列方式上没有特定的规则，它的节点和 单元分布是任意的，不同类型、形状和大小的网格可能出现在一个计算问题 中，在流场变化较大的地方，进行局部网格加密。因此，这种网格具有优越 的几何灵活性，生成的网格质量高，能够较好地处理复杂的边界问题。鉴于 旋风子和消声器内部流场的复杂性，本文采用这种对不规则区域具有特别适 应性的非结构化网格。 非结构化网格是处理复杂计算区域的一种有效的方法，其基本思想基于 1 7 哈尔滨一i ：程大学硕十学位论文 如下假设：四面体是三维空间最简单的形状，任何空间区域都可以被四面体 单元所填满，即任何空间都可以被以四面体为单元的网格所划分。所谓“非 结构化 就是在这种网格系统中节点的编号命名并无一定规则，甚至是完全 随意的，而且每一个节点的邻点个数也不是固定不变的。由于非结构化网格 舍去了网格节点的结构性限制，易于控制网格单元的大小、形状及网格点的 位置，因此与节点排列有序、每个节点与邻点的关系固定不变、结构严密的 结构化网格相比，非结构化网格表现出一种不规则、无固定结构的特点，这 些特点使得非结构化网格具有更大的灵活性，对复杂外形的适应能力非常强。 对于结构化网格，在计算域内网格线和平面都应保持连续，并正交与物体边 界和相邻的网格线和面，而非结构化网格则无此限制。另外，由于在非结构 化网格系统中的一个节点周围的节点数和单元数都不是固定的，可以根据流 场性质方便地做自适应调整，从而合理地安排网格节点的疏密，以提高计算 精度，如流场中物理量变化剧烈处，网格节点可安排较密，物理量变化平缓 的地方，网格点可安排得较稀疏。从网格本身及与此相关的算法来看，非结 构化网格比结构化网格更靠近计算几何学和计算机科学的原则。 非结构化网格与结构化网格相比存在的缺点主要有：l 、非结构化网格方 法需要记忆节点之间的关联信息；2 、非结构网格不具备方向性，必须计算并 记忆各单元面沿坐标轴方向的梯度分量；3 、结构网格中，成熟的流场计算方 法尚不能简单地用于非结构网格，应用多重网格技术遇到困难。 2 5 控制方程的离散化 一般的流动控制方程都是非线性的偏微分方程。偏微分定解问题的数值 解法可以分为两个阶段：第一，建立离散方程组，将连续的定解域进行离散， 选取适当的途径将微分方程及其定解条件转化为网格节点上相应的代数方程 组；第二，在计算机上求解离散方程组，得到节点上的离散近似解w 。 1 8 哈尔滨丁程大学硕十学何论文 由