（机械设计及理论专业论文）预热器旋风筒单体气固两相流场的数值模拟研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 本文借助流体力学软件f l u e n t ，对新型干法水泥回转窑普遍采用的三心 大蜗壳式旋风预热器旋风简单体，模拟计算了其内部的气固两相流运动行为。 在深入了解预热器旋风筒的基础上，模拟研究了多种情况下的气固两相流流场、 颗粒运动轨迹、压降及分离效率等。从确定预热器旋风筒的模型和计算方法， 到整个研究工作的结束，做了大量的模型。 其主要的一些研究工作有：通过对比分析标准t 一、r n gt 一及r s m 三种模型，多种压力插补格式，以及多种差分格式的模拟结果，确定了一套最 适合预热器旋风筒的数值模拟计算方法；同时还通过分析确定了比较适合预热 器旋风筒的两相流模型。分析了预热器旋风筒内部气流场的流动特性，包括 其内部速度、湍流结构及压强分布的特性，以及气相颗粒在流场中的运动行为。 分析了多种预热器旋风筒的结构参数和操作参数与其工作性能的关系，包括 入口气流速度、内简插入深度及颗粒粒径等对预热器旋风筒的影响。通过对 普通结构的预热器旋风筒两相流场模拟结果的分析，本文设计了一种斜顶偏 心结构的预热器旋风筒，并做了相应的模拟研究。 基于模拟研究结果，得到了相应的一些主要结论，模拟必须采用基于各 向异性的r s m 湍流模型，同时还要相应的采用二阶迎风格式和嬲1 日压力插 补格式，才能获得较理想的模拟结果。预热器旋风筒内主流是双层旋流，以 零轴速包络面为界，外部是向下旋转的外旋流，中心是向上旋转的内旋流，且 他们的旋转方向是相同的。预热器旋风筒中的颗粒运动非常复杂，且带有很大 的随机性。尤其是小直径颗粒，即使颗粒直径相同、初始位置相同，它们的运 动轨迹也可能不同。随着入口气流速度的增大，分离效率有所提高，但却是 以过大的能量消耗为代价的。捧气管的插入深度对于预热器旋风筒的压降和分 离效率来说是互相矛盾的因素：随着排气管插入深度增大，压降越来越大，但 分离效率也会相应提高。斜顶偏心结构对旋风筒的工作性能的提高很有意义。 关键词：f l u e n t ，旋风筒，数值模拟，湍流，两相流 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t w o - p h a s ef l o wi nap r c h e a t e rc y c l o n ew i t ht h r e e c o r ev o l u t es t r u c t u r ew a s s i m u l a t e db yc f ds o f t w a r ei nt h i sp a p e no nt h eb a s eo fd e e p l yu n d e r s t a n d i n go f p r e h e a t e rc y c l o n e ，d o s et h er e s e a r c hf o rt h ef l o wo fg a s ，m o v i n gt r a c k so fp a r t i c l e s ， p r e s s u r ed r o pa n ds e p a r a t e de f f i c i e n c yi nm a n yd i f f e r e n tc o n d i t i o n s m a n yo fm o d e l s f o rt h er e s e a r c hh a db e e nm a d e ，f r o mt h ep r e p a r a t i o nt h a td e f i n e dt h ea p p r o p r i a t e m o d e la n dm e t h o dt oc o m p l e t eo ft h i sr e s e a r c h f o rt h ef o l l o w i n gw o r k so nt h i st h e s i s ：f i r s t ，t h r o u g hc o m p a r e dt h r e em o d e l so f t u r b u l e n c e ，a sw e l la ss e v e r a lf o i m a to fp r e s s u r ei n t e r p o l a t i o na n dd i f f e r e n c es c h e m e 。 t h em e t h o do fn u m e r i c a lc o m p u t a t i o nf o rs i m u l a t i n gp r e h e a t e rc y c l o n eh a sb e e n c o n f i r m e d ；a tt h es a m et i m e ，t h ea p p r o p r i a t em o d e lo ft w o - p h a s c 、f l o wf o rp r e h e a t e r c y c l o n eh a sb e e nc o n f i r m e da l s o ：s e c o n d ，t h ef l o wb e h a v i o ro fp m h e a t e rc y c l o n eh a s b e e na n a l y z e d t h i r d ，t h er e l a t i o nb e t w e e nt h ep a r a m e t e ro fs t r u c t u r ea n do p e r a t i o m a n dw o r k i n gp e r f o r m a n c eh a sb e e na n a l y z e d f o u r t h , b a s i so nt h er e s u l to fn u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，an e wt y p ep i e h e a t e rc y c l o n ew i t ht h es t r u c t u r eo fe c c e n t r i ci n n e rc y l i n d e r a n do b l i q u et o p w a sd e s i g n e d , a n dg a v es o m e c o r r e s p o n d i n gr e s e m c h e s 。 b a s i so nt h er e s u l to fr e s e a r c h ，t h e r ew e r ec o m et 0s o m ec o n c l u s i o n s ：f i r e d ，i n o r d e rt og e tt h em o r ei d e a lr e s u l t s ，w em u s ta d a p tr e y n o l d ss t r e s sm o d e lb a s e do n a n i s o t r o p y , q u i c kf o r m a ta n dp r e s t of o r m a t0 nt h ep r e m i s eo fg o o dm e s hf o rt h e s i m u l a t i o no ft h ec o m p l e xf l o wf i e l di np r e h e a t e rc y c l o n e s e c o n d ，t h em a i nf l o wi n p r e h e a t e rc y c l o n ei sd o u b l ev o r t e x ，w i t ht h eb o u n d a r yo fl z v vo u t s i d eo fw h i c hi s t h er e v o l v e df l o wd o w n w a r d s 。c e n t e ro fw h k hj st h er e v o l v e df l o wu p w a r d s , a n d t h e f tr e v o l v e dd i r e c t i o n 虹t h es a m e ；o nt h es i d e ，t h em o v e m e n to fp a r t i c l e si nt h e p r e h e a t e rc y c l o n ei sv e r yc o m p l e xa n dm u c hm o 豫r a n d o m e s p e c i a l l yt h es m a l l p a r t i c l e s ，t h e i rm o v i n gt r a c k sa r ed i f f e r e n t ，e v e ni ft h e ya r et h es a m ep a r t i c l e sa n d t h e i ro r i g i n a ll o c a t i o n sa r et h es a m e t h j r d w i t ht h ea c c r e t i o no f t h ei n l e tv e l o c i t y , t h e s e p a r a t e de f f i c i e n c yi sm u c hh i g h e r , b u tt h ep r e s s u r ed r o pi sa l s om u c hh i i g h e r ；t h e e x h a u s td u c ti n s e r t e dd e p t hh a st h es a m ee f f e c t ，w i t ht h ea c c r e t i o no fe x h a u s td u c t i n s e r t e dd e p t h ，、t h ep r e s s u r ed f o pi sm u c h h i g h e r , b u ts e p a r a t e de f f i c i e n c yi sa l s om u c h h i g l l c lf o u 赋h ， h i st y p es t t u o t u r cd e s i g nh a st h es i g n i f i c a n c et oi m p r o v et h eo p e r a t m g p e r f o r m a n c eo fp r e h e a t e rc y c l o n e ， k e yw o r d s ：f l u e n t , c y c l o n e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t u r b u l e n c e ，t w o - p h a s e f l o w 儿 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 本课题的来源及意义 1 绪论 本课题是基于湖北省科技厅国际合作重点项目( 建立水泥回转窑预热器中 速度和压力场模型的数字方法、计算及仿真程序的研究) 所做的一些研究 其目的在于采用臼d ( 计算流体动力学) 技术对水泥回转窑预热器旋风筒内 的流场进行数值模拟研究，进一步分析预热器旋风筒中气同两相流的运动规 律，所得到的结果可供预热器旋风筒结构的优化设计和产品开发时参考。 水泥生料的预热与预分解过程是整个水泥生产的关键性环节，对整个水泥的 生产过程具有重要的影响，因此，对预热器旋风筒进行结构优化设计的研究， 提高其性能并降低能耗，对于改善整个水泥生产系统的性能具有重大的意义。 另外，将c f d 技术应用在预热器旋风筒内气固两相流的数值模拟也是一种 尝试，以达到利用高新技术改造传统产业的目的，这样不仅可以避免采用传统 研发途径的局限性，而且可以节约研发资金、缩短研发周期，对于我国水泥行 业的发展具有很好的实用价值 1 2 研究背景 近年来，在过程工程理论的指导下，针对硅酸盐水泥生产中的实际问题， 围绕着气固反应系统的某些典型过程，如水泥生料粉的预热、预分解过程以 及回转窑中的煅烧过程等开展了一系列实用性研究，都取得了较为显著的效 果，列举一些实例如下： 1 ) 反求工程的研究 鉴于窑外分解窑的出现使水泥煅烧技术取得了突破性进展，各类气固反 应器的开发应用日新月异，尤其是水泥生料的预热及预分解设备类型层出不 穷，均取得了很好的实际效果。我国花大量资金b i 进了多种此类设备，但对 其特性和机制缺乏深入的了解口j 为了做好消化吸收工作，在g 迸技术的基础 上开发有我国色己特点的新设备，开展了一系列在过狂工程理论指导下盼反 求工程f 1 j 研究，如：立筒预热器工作原理与结构改进的研究；生料悬浮预 热器各级特性及合理匹配的研究；三通道喷煤管的流动特性的研究。 。考察r e y n o l d s 时均方程，我们知道，在 所得到的美孑时均物理量的控制方程中包含了脉动量乘积的时均值等未知量， 于是所得方程的个数就小于未知量的个数。要使方程组封闭，必须作出一定的 假设，建立模型。 根据对r e y n o l d s 应力作出假定或处理方式的不同，目前常用的湍流模型有 7 武汉理工大学硕士学位论文 两大类：r e y n o l d s 应力模型和涡粘模型 r e y n o l d s 应力模型 在r e y n o l d s 应力模型方法中，直接构建表示r e y n o l d s 应力的方程，然后联 立解( 2 - 1 ) 、( 2 - 2 ) 、( 2 - 3 ) 及新建立的r e y n o l d s 应力方程求解。 涡粘模型 在涡粘模型方法中，不直接处理r e y n o l d s 应力项，而是引入湍动粘度 ( t u r b u l e n tv i s c o s i t y ) ，或称涡粘系数( e d d yv i s c o s i t y ) 1 1 2 1 湍流粘度的提出来源于1 8 7 7 年，b o u s s i n e s q 提出的涡粘假定设：湍流脉动 所造成的附加应力也与层流那样可以同时均的应变率关联起来【埘。即 一谓- 以罄+ 挈一吾辟岛 。( “) 这里，肼为湍流粘度，嘞为k 啪c k c r 值( 当f - ，时岛；1 ；当i - ，时，岛一 o ) 1 1 4 】，七为湍动能( t u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g y ) s k u t s _ _ _ l( 2 - 5 ) 2 湍流粘度“是空间坐标的函数，取决于流动状态，而不是物性参数。这里 的下标“t ”表示湍流流动的意思。 在引入b o u s s i n e s q 假设以后，计算湍流流动的关键在于如何确定湍流粘性 系数，但是湍流的机理很复杂，很难把它们归结在一个湍流粘性系数内。因 此，人们继续对湍流作深入的研究，不断构造出更加精细的模型，从而提出了 湍流的各种理论。在2 0 世纪5 0 年代以前，出现了包括p r a n d t l 的混合长度理论， t a y l o r 的涡量转移理论，v o nk a r m a l l 的相似理论等；而这些理论的基本思想都 是建立在r e y n o l d s 应力模型的基础上的。在砷年代中期以前，有诸如 k o l l m o g o r o v 、周培源、r o t t a 和d a v i d o v 等科学家发展了湍流理论，在6 0 年代 以后，s p u d d i n g 、l a l g l l d e ! 构造出k f 模型，d o n a l d s o n 提出z 采用一阶统计矩 模型等。 2 2 2 湍流模型必须遵守的原则 在构造湍流模型时，必须要求模型在物理上和数学上满足一定的条件，这 些条件虽然不是保证湍流模型通用的充分条件，但却是必要条件。不满足这些 8 武汉理工大学硕士学位论文 条件，模型根木不可能有通用性。d o n a l d s o n 提出，湍流模型必须满足以下一些 条件： ( 1 ) 如果待模拟的量是一个张量，则模型在张量的阶数、性质( 对称性等) 都和原项相同。 ( 2 ) 量纲必须相同。 ( 3 ) 满足不变性原则。模型表达式与坐标系的选择无关当坐标系作佃利 略变换时，模型与待模拟的量按相同的规律变化。 ( 4 ) 模型方程必须满足守恒定律。 ( 5 ) s c h u m a n n l 提出，在构造雷诺应力方程各个项的模型时，必须保证 雷诺应力满足可实现条件，即：不管用什么方法或方程计算h 鲥，都必须保证 三个正应力的值不为负，非对角线上的分量满足s c h w a r z 不等式 蕊) 2 “：2 + “；2 。后来，h m i c y 将这个原则推广，用于标量方程和通用模型的 建立。 ( 6 ) d o p c 【1 q 在1 9 8 3 年提出标量方程的湍流模型线性可迭加的原则。但现 有的标量通用方程和标量耗散率方程中的模型太多不满足这个原理。 但是，各种模型可以获得良好结果的范围很窄，而通用的模型目前还没有 证据存在。因此。在上述的情况下，就有诸如：高雷诺数模型、低雷诺数模型、 近壁湍流模型等存在。 2 2 3 湍流模型的总评价 对上述各种模型的应用与发展而言，可以得到如下几点结论： ( 1 ) 不能绝对地说，哪种模型总是优于其他的模型，要看具体问题盼特点 而定。对绝大多数简单流动如边界层，射流、管流、喷流或其他通道型无旋无 回流无浮力而言，可以用混合长度或单方程模型。对无旋或弱旋的无浮力回流 流动则i f 双方程模型或较其更简单的模型不适用，应当用更高层次的模型。 ( 2 ) 看来各向异性的r e y n o l d s 应力方程模型和代数应力模型用于预报旋转 流及浮力流的效果较好，比女一詹双方程模型有显著的改善，此二者在预报平均 流场的差异不很悬殊因此，计算量与时间较少的代数应力模型是_ 种颇有前 途的模型，应广泛得到实验验证，而且还需要进一步地探讨和改进。由于无论 是应力方程模型，还是代数应力模型都还使用t 一双方程模型，而其中方程 精度较差，因此要进一步提高k 一双方程模型以上各模型的精度。 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 无论用哪一种模型，都必须致力于改进方程或者湍流尺度，的方程。 可压缩性对平均流场乃至对湍流特性的影响也必须考虑到湍流模型中，但 这方面的研究尚不充足，还缺乏仔细的实验验证。 2 2 4 适用于预热器旋风筒流场计算的几种湍流模型 预热器旋风筒中的气体流动是三维强旋转湍流流动，对其行为的模拟必然 要涉及到对湍流进行描述的问题。从目前发表的文献i ”岱垛看，工程应用中对 预热器旋风简内的复杂流场的数值模拟，基本上仍是基于求解r e y n o l d s 时均方 程及关联量输运方程的湍流模拟方法，即引入湍流模型，利用某些假设，将 r e y n o l d s 时均方程或者湍流特征量的输运方程中高阶的未知关联项用低阶关联 项或者时均量来表达，从而使r e y n o l d s 时均方程封闭可求解 湍流基本方程组包括连续性方程( 2 1 ) 、n a v i e r - s t o k e s 时均方程( 2 - 2 ) 、雷 诺应力方程、湍动能方程和湍动能耗散率方程。 对预热器旋风筒气相流场的模拟，使用较多的是标准k f 模型，l 猷g i r 模型和醛m 模型，在此对它们作简要介绍。 ( 1 ) 标准七一# 模型 该模型是基于各向同性涡粘性的b o e s s h t e s q 假设，在时均连续方程( 2 1 ；) 和r e y n o l d s 方程( 2 - 2 ) 的基础上，建立一个湍动能七与湍动耗散率g 的方程 七与f 由以下输运方程确定。 石0c 肚，+ 毒c 盹卜毒卜+ 拿毒【+ q 唯 c 言t 胪，+ 毒c 慨卜毒( ( p + 割+ q 扣一乞p c 2 刁， 方程中q 表示由层流速度梯度而产生的湍流动能： g i 一孵挈 ( 2 _ 8 ) 各模型中的常量如下： c l = f 4 4 ：c 2 ，= 1 9 2 ：c 。= - 0 0 9 ； o k = - i 0 ；q 。1 3 ( 2 ) r n g k f 模型 武汉理工大学硕士学位论文 r n g 七一模型是由y o k h o t 和o r s z a g 等人应用重整化群( r e n o r m a l i z a t i o n g r o u p ，r n g ) 理论，在k 一模型的基础上发展起来的一种k 一模型改进形 式，其基本思想是把湍流视为受随机力驱动的输运过程，再通过频谱分析消去 其中的小尺度涡，并将其影响归并到涡粘性中，以得到所需尺度上的输运方程。 在高雷诺数时，r n g 七一模型与标准k e 模型具有相同的形式，只不过在方 程中出现了一个附加生成项，当流动快速畸变时，这一项显著增大，r n gk 一 模型中k 和g 的输运方程分别为： 了0 g o k ) + 掣一击瓴物毒+ q 一 ( 2 ” 掣+ 掣一讣。物讣譬q 屯p 譬 c 枷， 其中， ，k 。p + 一， q 2 0 0 8 4 5 ， ，k 2 脾一了， - q = 1 3 9 ， c ：- c u 一帮， q = 1 4 2 ，乞；1 6 8 ， 叶。( 2 e f e ) 1 胆i k ，毛- 糖+ 封 = 4 3 7 7 ，卢= o 0 1 2 由此可以看出，r n gk 一模型与标准k 一模型的主要区别在于： l i n gk 一模型中的常数是由理论推出而不是依靠经验来确定的，其适 用性更强。 可以用于低雷诺数流动的情况，甚至像层流那样的流砍也能给出很好的 模拟结果。 在耗散率方程中增加了新的应变项，体现了平均应变率对耗散项的影响。 ( 3 ) r s m 模型 武汉理工大学硕士学位论文 为了选择适当的湍流模型以使方程组封闭，我国著名科学家周培源先生，在 湍流各向异性的前提下，第一个导出并发表雷诺应力瑶的准确的输运方程，并 得到国际流体力学界的公认。后来，经过国际上些学者的研究，对雷诺应力 的输运方程又做了改进。在该模型中，确定雷诺应力各分量的输运方程如下： 毒b 两) + 瓦云 弼) b * + 皿一+ 功+ 由+ 勺 c z m ， 式中： 湍流扩散项为 d r 广毒k 觋+ 而甭厕】 分子扩散项为见一。毒卜毒吲 压力产生项为 弓一p ( 蕊詈+ 玩萋) 一一叫考+ 割 发散张量项为 勺一2 p 婺警 在这些项中，d r 矿嘞- 需要在建立模型方程使方程组封闭。 雷诺应力模型( r s m ) 与前两种模型的最大区别主要在于它完全摒弃了基于 各向同性涡粘性的踟u s s i n c s q 假设，包含了更多物理过程的影响，考虑了湍流 各向异性的效应，特别是旋转效应、浮力效应、曲率效应等，在很多情况下能 够给出优于各种k s 模型的结果。但是这摸型对工程应用尚过于繁杂，对于 三维阿题所用计算机的存储量及c p u 时问太多t 其次，对每种应力和通量分量 的边界条件不易规定，经验系数多，较难确定 2 3 湍流气固两橱流模型 对两相流动最直接的模拟，也是在耗散尺度内求解n - s 方程的d n s 方法， 此时亦不需任何湍流模型。大涡模拟( u 强) 方法不需要分辨所有尺度的涡结构t 因此可以模拟雷诺数较高的两相流动。离散涡模拟( d e s ) 方法将流场分成一系列 武汉理工大学硕士学位论文 大尺度涡元，在拉氏坐标中用涡元的随机位移来模拟湍流，该方法不需要模型 封闭，没有伪扩散，能够反映湍流的大涡结构或拟序结构。但是，采用该方法 需要的计算量很大，由于受到计算机主频速度及空闯的限制，目前只限于用此 方法对二维气固两相流动进行模拟。 上述各种方法可统称为湍流两相流动的细观模型，这些模型只能用于对简 单低雷诺数两相流动的模拟，要想模拟高雷诺数、复杂的两相流动，特别是各 向异性的旋流两相流动，必须发展两相流动的统观模型 湍流颞粒两相流的统观模拟有e u l e r i a n l a y a n g i a n 模拟和e u l e f i a n 二e u l e r i a n 模拟两大类。对于两相流中的流体相，两类模型均使用e u l e r i a n 方法。对于颗粒 相，前者使用颗粒轨道模型，后者使用颗粒拟流体模型或两相流的双流体模型 1 3 1 。本文采用的是颗粒随机轨道模型。 2 3 1 两相问的作用力 两相间的相互作用力非常复杂，和颗粒与流体、颗粒与颗粒、颗粒与壁面 问的相互作用有关。根据颗粒与流体相互作用的机理，两相问的作用力包括气 体曳力，b a s s e t 力、s a f f m a n 力、m a g n u s 力、虚假质量力、压力等。在一般情况 下，颗粒所受的b a s s e t 力、s a f f m a n 力、m a g n u s 力、虚假质量力比较小，为研 究方便，在多数模型中均未计入这些力的影响。由于两相间的一些其他作用力， 如光泳、电泳和热泳作用力等。只存在于特殊情况下，且数量级较小，故可忽 略不计。所以，两相间的作用力主要为两相同因速度差引起的曳力和两相间的 压力作用两部分之和。 2 3 2 颗粒相的拉格朗日轨道模式( e u l e r i a n - l a g r a n g i a n 模型) 目前，在对工程问题的数值模拟方面，包括国际上最流行的商业软件，广 泛应用颗粒相的轨道模型或拉格朗日模型。在颗粒轨道模型中，认为颗粒相是 离散体系，颗粒群按照初始尺寸分组，每组颗粒从初始位置开始，沿着各自的 轨道运动，在任何时刻有相同的尺寸、速度和温度。颗粒速度、温度和质量的 变化可以沿轨道加以追踪。认为颗粒作用于气体或流体的质量、动量和能量源 等价地均匀作用于流体或气体单元内。 ( 1 ) 确定轨道模型 在轨道模型发展过程的早期，即2 0 世纪8 0 年代初，c r o w e 等提出了确定轨 武汉理工大学硕士学位论文 道模型( d e t e r m i n i s t i ct r a j e c t o r ym o d e l ) 1 2 a l ，忽略了颗粒的湍流脉动。采用确定轨 道模型时，气相方程组在形式上与双流体模型相同，对于颗粒相的基本守恒方 程组，相当于取湍流两相流动中颗粒相时均方程组的各关联项为零，在形式上 与层流方程组或瞬时方程组相同。 ( 2 ) 颗粒湍流扩散修正 颗粒确定性轨道模型中假设颗粒数的总通量沿轨道保持不变，没有颗粒湍 流扩散。但大量的实验表明：在许多情况下颗粒湍流扩散是不可忽略的。例如 按照确定性轨道模型对突扩气粒两相流动进行数值模拟，预报的结果显示颗粒 轨道将集中于轴线附近，但实际上颗粒几乎弥散于整个流场之中，甚至进入回 流区内。某些确定性轨道模型采用修正方法考虑颗粒湍流扩散。有人提出了一 种最简单的方法；弓f 入“颗粒漂移速度”或。颗粒漂移力”的概念，以考虑颗 粒扩散造成的轨道变化。他们假设颗粒速度由两部分组成：即颗粒对流速度， 由颗粒动量方程确定；颗粒扩散漂移速度，由融k 定律形式的扩散定律确定 事实上，漂移扩散速度的概念就是基于欧拉场中双流体模型的颗粒连续方程中 的扩散项得到的。 ( 3 ) 颗粒随机轨道模型 前述的两种模型只考虑了颗粒湍流扩散对轨道位置的修正，仍然难以给出 连续分布的颗粒速度场和浓度场。而且上述的修正借用了双流体模型的概念， 不是彻底的拉氏描述。从2 0 世纪踯年代中期开始，c o s n l o n 等研究者提出了随 机轨道模型的方法来考虑颗粒湍流脉动引起的扩散。随机轨道模型建立在颗粒 瞬态动量方程的基础上，实质上是一种半直接模拟，即对流体仍然采用一般的 统观湍流模型方法，而对颗粒相采用直接模拟方法。以前人们认为颗粒随机轨 道模型有两大好处，即：不用湍流模型和节省计算时间随着人们数值模拟实 践和认识的不断加深，目前比较一致的看法是，轨道模型并非不要湍流模型， 只是不需要构造颗粒湍流模型，但是需要构造气体脉动速度的湍流模型。另外， 由于轨道模型实质上是半直接模拟，若要取得三维空阃中颗粒速度和浓度场的 足够数据，还需要用大量的轨道，耗时很大。鉴于此，世纪年代b a x t e r 和s m i t h l - 狮2 及近年来p e r e i r a 和c h e n l 勰l 等人提出了最大概率轨道加上经验性的 给定概率密度的方法，可以大大减少所需计算的轨道数目，又能方便地给出欧 拉场中颗粒的速度和浓度分布。随机轨道模型己经嵌入到许多著名的商业软件， 如f l u e n t 和s t a r c d 中。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 4f i u e n t 软件简介 f l u e n t 是用于计算流体流动和传热问题的程序。它提供的非结构网格生成程 序，对相对复杂的几何结构网格生成非常有效。可以生成的网格包括二维的三 角形和四边形网格；三维的四面体、六面体及混合网格。f l u e n t 还可以根据计算 结果调整网格，这种网格的自适应能力对于精确求解有较大梯度的流场有很实 际的作用。由于网格自适应和调整只是在需要加密的流动区域里实施，而非整 个流场，因此可以节约计算时间。 2 4 1f l u e n t 软件构成 从本质上讲，f l u e n t 只是一个求解器。f l u e n t 本身提供的主要功能包括导入 网格模型、提供计算的物理模型、施加边界条件和材料特性、求解和后处理 f l u e n t 支持的网格生成软件包括g a m b i t 、t g r i d 、p r c p d f 、g e o m e s k 及其他 c a d c a e 软件包。 g a m b i t 、t g r i d 、p r e p d f 、g e o m e s h 与f l u e n t 有着极好的相容性。t t 惯i d 可提供2 d 三角形网格：3 d 四面体网格、2 d 和3 d 杂交网格等g a m b i t 可生成 供f l u e n t 直接使用的网格模型，也可将生成的网格传送给t g l ! i d ，由础进一 步处理后再传给f l u e n t 。 p r e p d f 、g e o m e s h 是f l u e n t 在引入g a m b i t 之前所使用的前处理器，现 p r e p d f 主要用于对某些燃烧闯题进行建模，g e o m e s h 已基本被g a m b i t 取代。 而f l u e n t 提供了各类c a d c a e 软件包与g a m b i t 豹接口。 2 4 2f i t r e n t 适用的对象 f l e e n t 广泛用于航空、汽车、透平机械、水利、电子、发电、建筑设计、材 料加工、加工设备、环境保护等领域。以f l u e n t6 为例，其主要的模拟能力包括， ( 1 ) 用非结构自适应网格求解2 d 或3 d 区域内的流动； ( 2 ) 不可压或可压流动； ( 3 ) 稳态分析或瞬态分析； ( 4 ) 无粘；层流和湍流； ( 5 ) 牛顿流体或非牛顿流体； ( 6 ) 热、质量、动量、湍流和化学组分的体积源项模型； ( 7 ) 各种形式的热交换，如自然对流、强迫对流、混合对流、辐射热传导 武汉理工大学硕士学位论文 等； ( 8 ) 惯性( 静止) 坐标系非惯性( 旋转) 坐标系模型； ( 9 ) 多重运动参考系，包括滑动网格界面、转子与定子相互作用的动静结 合模型； ( 1 0 ) 化学组分的混合与反应模型，包括燃烧予模型和表面沉积反应模型； ( 1 1 ) 粒子、水滴、汽泡等离散相的运动轨迹计算，与连续相的耦合计算； ( 1 2 ) 相变模型( 如熔化或凝固1 ； ( 1 3 ) 多相流l ( 1 4 ) 空化流； ( 1 5 ) 多孔介质中的流动i ， ( 1 6 ) 用于风扇、泵及热交换器的集总参数模型； ( 1 7 ) 复杂外形的自由表面流动。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 3 预热器旋风筒内单相流场的数值模拟 预热器旋风筒内部进行的是两相流运动，是气相和固体颗粒相的分离及热 交换过程，而固体颗粒的运动在很大程度上取决于气流的运动。因此，必须从 阐明气流运动入手来研究预热器旋风筒的原理，深入研究预热器内的气相流动 特性对于研究预热器旋风筒的性能，进而研究其结构优化具有指导意义。 本章采用计算流体动力学c f d 商业软件包f l u e n t 对预热器单体一旋风 筒内部的单相气相流场进行数值模拟研究首先对湍流模型的选择进行了考察： 然后分析了气流的速度矢量及分速度分布；接着考察流场的湍流结构，包括湍 动能、湍动能耗散率和各项雷诺应力分量的分布；最后再考察单相流场的压力 分布及压降的基本特性。 3 预热器旋风简单体的数值计算方法 1 1 计算模型的几何结构 预热器旋风筒虽然结构简单，但其内部的流动却是极其复杂的流体的流 动是三维强旋转和高度湍流的，且兼有滞流和，或回流运动，其中的湍流脉动星 现明显的各向异性为了检验和评价各种湍流模型和计算方法在预热器旋风筒 中的可行度和精确度，本文将分别就各种情况进行模拟，然后与实验诊断结果 相比较，从而找出最适合预热器旋风筒的数值模拟的模型和算法由于各种原 因，未能针对本课题进行实验研究为解决这一问题，本文将综合前人对预热 餐旋风筒的实验结果与模拟结果进行比较来说明该阎题 预热器旋风筒的计算几何模型如图3 - 1 所示，其主要几何参数按照洪堡型 g 标准结构的参数i 捌进行设定，各参数值如下所示t d , l 7 2 8f r o m ) , l d = o 3 7 4 ,a 2 d - 唧：6 0 4 , h d = 0 9 0 8 ，h d = 2 1 1 8 ， b d - - 0 4 0 9 ，d d - - 0 5 2 8 , a 一7 0 0 ，一5 0 。 3 ，2 计算区域、网格的生成 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 网格的生成在流场数值模拟中属于 前处理过程。模型的网格划分是进行数值 计算的前提，也是关键的一步。网格质量 的好坏，不仅仅会影响计算结果的精度， 很多情况下会使结果严重失真，得出错误 的模拟结果。因此，许多人在研究流体力 学计算方法的同时，也在研究网格的生成 技术。 近几年来，网格生成的技术发展很 快，并产生了许多关于网格生成的专门程 序，许多流体力学计算软件也包含了多种 不同的网格生成技术。根据生成方式的不 同，网格划分可分为代数生成法、保角变 换法和数值求解偏微分方程法等。根据所 求解数学模型维数的不同，又可分为二维 网格和三维网格。根据功能的不同，又可 将计算网格分为自适应网格、分区组合网 格、多重网格、交错网格、不规则网格、 标记网格( m a c 法) 等f 3 0 l 。 “嘲一 图3 - 1 旋风筒豹计算几何模型 针对预热器旋风筒的结构特点，本文按照以上的几何结构参数生成三维的 分区网格( 圆锥段与出口段生成六面体网格；其余部分生成四面体网格) 。首先 采用p r o e 三维建模软件生成实体模型，然后将生成的实体模型导入f l u e n t 6 1 2 2 的前处理模块g a m b i t 2 1 生成分区六面体网格。对于四面体网格，则需要首先从 g a m b i t 2 1 模块中导出三角形边界网格，而后将三角形边界网格及六面体网格同 时导入t | 一d 模块生成混合的计算网格。本文所有的计算模型均采用此方法生成 网格，只是在结点数上有所不同。生成的三维计算网格如图3 2 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 图3 - 2 三维计算网格 3 1 3 非交错网格的s i 即l l e c 算法 商业软件f l u e n t 6 1 2 2 是以计算流体动力学c f d 为基础的，其计算方法 采用的是有限体积( 控制容积) 法。有限体积法实际上是有限差分法的一种，它将 求解区域用网格分割为有限个控制体积( c o t m lv o l u m e s ，c v s ) ，然后将控制方程 在控制体上进行积分，迭代求解。布取体积法的显著优点就是能够保证物理量 的积分守恒性；而其计算的精度主要由所选择的离散格式决j 良： 现在，数值计算己经有许多成熟的计算流体动力学软件可供使用，如 p h o e n i c s 程序、k i v a 程序、c f x 程序及f l u e n t 程序等。将这些软件应用 于预热器旋风筒内流场的计算可减少计算工作量，缩短计算时间，对数值计算 的推广和应用起到了很大的推动作用。 本文选用f l u e n t 程序中的离散求解器进行数值求解。现有的对预热器旋 武汉理工大学硕士学位论文 风筒内流场的模拟，所采用的数值求解方法多采用s i m p i 正 3 1 l 方法及其改进的方 法。对于一般的流动，s i m p l e 算法足以满足要求，但是，在s i m p l e 算法中， 为了求解的方便，省去了速度修正方程中的某些项，使得方程不协调一致。因 而，对于很多问题应该使用协调一致的s i m p l e 算法，即s i m p l e c ( s e m i - i m p l i c i t m e t h o df o rp r e s s u r e - l i n k e de q u a t i o n sc o n s i s t e n t ) 1 3 2 1 算法，比如，对于包含湍流和 或附加物理模型的复杂流动。预热器旋风简内部的流体流动非常复杂，是用压 力速度耦合作限制的，故而用s i m p l e c 算法还将会提高迭代的收敛性 s i m p l e c 算法也是使用压力和速度之间的相互校正关系来强制质量守恒并获取 压力场的，具体计算方法与s i m p l e 算法基本相同。本文将应用s n l p l b c 算法 进行求解。 3 1 4 边界与初始条件 对于预热器旋风筒内的定常流动，无 需初始条件，关键是边界条件的确定 ( 1 ) 入口边界条件：入口气流为1 o o c 状态下的空气( 密度p - o 3 0 6 5 k g m 3 ， 运动粘度。4 6 3 5 6 1 0 。即j 1 3 3 ) ；认为来 流流体的湍流已经充分发展，故直接给出入 口截面法向的时均速度值。 ( 2 ) 排气口边界：认为出口处湍流流 动已达充分发展状态，所以出口设置为自然 出流( o u t f l o w ) 。 ( 3 ) 固壁边界：壁面采用无滑移边界， 默认壁面粗糙度为0 5 。壁面效应是旋涡和 湍流的主要来源，因此近壁区的处理对数值 求解结果的准确性有显著影响。由于在靠近图3 - 3 考豸雷载面示意图。 固体壁面的区域内，层流底层的粘性作用增 强而湍流扩散相对减弱0 致使作用于高爹诺数下的湍流输运方程已不能严格有 效。本文采用增强壁面函数法处理边界湍流，以给出正确的壁面切应力。 3 2 数值计算方法的确定 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 1 压力差补格式评价 在数值计算中，对于动量方程的离散还设置了一项补充，即通过修正压力 梯度项来控制。它采用非交错网格( 又称同位网格) 技术，将速度与压力及其它通 用变量存储在同一网格节点上进行求解，它对于具有较大压力梯度的旋转流场， 比交错网格下的计算更能得到好的精度；而且，这种方式可以大大减少计算过 程中所占用的内存和机时。在f l u e n t 中，默认的压力插补格式为s t a n d a r d 格 式，只要控制单元中心的压力变化比较光滑，这种格式都可以算得很好。但是， 当控制体之间的动量源项有跳跃或者有较大的梯度时，在单元表面处的压力轮 廓会有较大的梯度，此时不可以再用这种格式来插值求解。如果还使用这种格 式，就会出现单元速度过大或过小的矛盾。当流动具有强烈的旋转特性时，强 烈推荐应使用压力插补格式p r e s t 0 1 3 5 1t j , 佗s s ms t a g g c r i n go p t i o n ) a 式，使 用离散连续性平衡来计算压力表面处的体积。 3 2 2 差分格式评价 在流场的数值模拟中，通常遇到的困难主要是由于动量方程中的对流项和 压力梯度项的离散处理不当而引起的。在各个通用的离散中。正确地选择差分 格式对于计算结果的稳定性和准确性都有很大的影响。目前比较常用的差分格 式主要有一阶迎风格式、二阶迎风格式、q u i c k 格式等。在f l u e n t 中，默认的差 分格式是一阶迎风格式。但理论分析和计算过程中发现，一阶迎风格式只具有 一阶精度，虽然具有良好的收敛稳定性，但数值耗散过大，尤其对于强旋流， 会使结果产生很大的误差；对于q u i c k 格式，虽然具有很高的精度，但是对网 格的质量要求较高( 一般只用于六面体网格) ，若网格的质量不商，使用q u c i c k 格式容易引起收敛的不稳定性，很难得到计算结果：二阶迎风格式介于前两者 之闯，它一方面能得到较高的精度，另一方面其收敛性也很好。通过一定的前 处理，很容易得到计算网格。 3 2 3 湍流模型的评价 预热器旋风筒内的流动是极为复杂的，流动伴随着强烈鸭旋转f 因此，湍 流模型的选取是否恰当是计算的关键。为了检验2 2 4 节所介绍的三种湍流模型 对预热器旋风筒流场的预报结果，分别采用标准k 一模型、r n gk s 模型和 r s m 湍流模型( 其他设置均一致，如差分格式等) 对入口气流速度为1 7 2 r a s 、内 武汉理工大学硕士学位论文 筒插入深度为2 9 0 7 m m 的预热器旋风筒气相流场进行数值计算模拟在此，将 不同模型的计算结果加以比较，其考察截面是图3 - 3 中z 3 = 9 0 0 0 m m 处的截面。 如图3 4 、图3 - 5 所示。在切向速度的预报中，标准k 一模型的结果精度最 差，过分夸大了中心涡准强制涡( 流体在外界作用力的带动下被迫以相同的 角速度旋转，这种运动与刚体的旋转运动类似) 的范围，抑制了外面位涡一准 自由涡( 流体没有从外界获得能量补充的旋转运动) 的出现，几乎没有给出位涡的 分布。r n gk 一模型