硕士论文叶轮式除雾器气液分离过程的数值模拟.doc

第16页 武汉科技大学硕士学位论文武汉科技大学硕士学位论文叶轮式除雾器气液分离过程的数值模拟姓名：熊伟申请学位级别：硕士专业：环境工程导教师：向晓东20070514abstracta new mist eliminator is raised by comparing the characteristics of traditional demisters in the paper. the article introduces the characteristics of new mist eliminator, analyses the air flow ofdemister and droplet force. a three-dimensional model is draw with cad software in light of the actual conditions and analog design of swirl plate. the model is put into the cfx software for numerical simulation of the internal flow field, to get information of its internal flow，fluid velocity, pressure distribution and trajectory map of particle. according to the simulation results, maximum tangential velocity appears near wall. by comparing the analysis result, its performance of mist eliminator can be easily and quickly forecast. the basis is provided for improved design of structural parameters and operation parameters.the results of simulations in two cases of passive freestyle impeller and static impeller, reveal that droplets distribution in the tangential velocity, and droplets volume fraction are superior to traditional swirl plate of static impeller. thus, new mist eliminator is obviously better than traditional swirl plate in mist removing efficiency. this explains that it is easy to get internal flow field information by cfx simulation of the gas-liquid two-phase flow in the demisters. therefore, the method of cfx simulation is more convenient and intuitionistic to comparative analysis.the simulation result is basically consistent with theoretical analysis to show that characteristics of flow in demister by cfx software simulation is correct. and reynolds stress model and the particle trajectory model used to simulate both are feasible and able to handle two-phase flow problems in demisters. the demister separation characteristics determined by the numerical results can be used for a reasonable reference of mist eliminator design.keywords: gas-liquid separation, mist removing, mist eliminator, cfx simulation武汉科技大学硕士学位论文 第1页第一章文献综述1.1课题的研究背景及意义我国的空气污染以煤烟型为主，燃煤烟气所含的粉尘、二氧化硫、氮氧化物等有害物 质是造成大气污染、酸雨和温室效应的主要来源。污染物的大量排放致使城市环境空气质 量不断下降，我国南方及西南地e相当大的一片地域频繁发生酸雨和酸雾灾害。酸雨和s02 污染破坏生态系统，腐蚀建筑材料，危害人体健康，造成巨大的经济损失，己经成为制约 社会经济发展的重要因素之一。为遏制大气环境的进一步恶化，保护现有的生态环境，提 髙人民的生活水平，早在1998年国务院就批准了国家环保局制定的酸雨控制区和s02污 染控制区划分方案（简称：两控e)。“两控区”的总面积为109万km3，其中酸雨控制 区为80万km3。“两控区”的s02排放量约为全国排放量的605。近年来，由于一系列环保政策和措施的实施，城市空气质量恶化的趋势有所缓解，但 形势依然严梭，特别是火力发电厂所排放的烟气中含有大量的s02对环境所造成的巨大危 害。因此采用有效的烟气治理技术以降低so：!的排放已刻不容缓。在广泛应用的湿法烟气 脱硫系统中，气液两相之间发生强烈的传热传质过程，绝大部分液体回到吸收氧化槽中， 少部分则被烟气带走，造成烟气含湿量过高。同时，烟气中还含有一定的h2so4, h2so3 及其他一些杂质，将导致吸收塔、下游烟道、换热器管道、烟函的运行环境恶化，加速烟 气脱硫设备的磨损与腐烛。在烟气温度较低的情况下还易出现烟冒白烟的现象，影响烟 气的抬升高度，从而影响局部烟气的扩散1。因此，必须釆取措施以降低烟气中夹带的水 分，以免影响系统的正常运行。脱硫除雾器正是完成这项任务的关键设备，其性能直接影 响到湿法烟气脱硫系统能否正常可靠运行-因此，科学合理地设计与使用除雾器，对保证 湿法烟气脱硫系统的正常运行有着非常重要的意义。除雾器是湿法烟气脱硫(wfgd)系统中的关键设备，其作用保证再热器管道的清洁 和脱硫风机的正常运转，其性能直接影响系统的可靠运行以及设备寿命。而国内的大型脱 硫机组所使用的除雾器大部分仍然依靠进口，价格昂贵，大大增加了脱硫设备的整体造价。 国家经贸委发布了火电厂烟气脱硫关键技术与设备国产化规划要点，提出要实现烟气 脱硫关键技术与设备的国产化，以降低工程造价，加快火电厂s02治理速度。在我国脱硫 产业高速发展的今天，加速设备的国产化进程，降低设备的整体造价也作为一个重要的课 题摆在我们面前。在国家将积极扶持的脱硫设备特别是脱硫专用设备中，本课题研究所提 出的新型除雾器属于目前国内已具备开发条件，但尚未成熟的设备（南京环保所己经研究 出新型折板型脱硫除雾器）。因此，本课题将在前人研究的基础上对所提出的新型除雾器 的性能做较为深入的开发与研究，从而找出适合我国国情的国产化除雾器，加快脱硫关键 设备的国产化进程，推动我国电力和环保事业的发展。第16页 武汉科技大学硕士学位论文随着我国经济的发展，第三产业如饮食服务业等也得到迅速发展，而食物烹调过程中 不可避免地产生大量的油烟从而对周围的环境造成一定的污染。而餐饮服务业多处于闹市 区或居民小区,油烟冷凝后附着在墙壁、排风设备等固体表面极难清洗，严重影响了城市 环境和周围居民的身体健康。油烟污染日趋严重已成为近年来居民投诉的焦点,急需加强 治理。我国于2000年7月旧幵始实施的饮食业油烟排放标准(试行)，使油烟排放标准 更加严格。开发高效的油烟治理技术和设备，使油烟排放达到国家排放要求，消除油烟污 染，已是燃眉之急【2】。目前，油烟治理技术主要有惯性分离，过滤分离，喷淋洗潘，静电沉积和复合技术等 5种，且大多数都采用湿法去除油烟。湿式除尘设备是用洗漆水或其它液体与含尘气体互 相接触，利用形成的液膜、液滴或气泡捕获气体中的尘粒，从而实现分离的装置。而所有 的湿式除尘器都必须安装高性能的脱水除雾装置，否则油烟除尘器出风口气流中会携带大 量水滴水雾，降低除尘效率3】。因此开发既经济又高效的除雾设备也同样成为一个课题摆 在我们面前。1.2除雾器的研究发展现状从上世纪70年代后期，我国开始从国外引进锅炉烟气脱硫装置，但由于技术、经济等 方面的原因至今还不完全具备二十万千瓦以上机组的烟气脱硫设计和设备成套能力。而国 外锅炉烟气技术限于发达国家特定的市场，绝大多数是钩法。其中石灰石-石膏湿法脱硫 工艺是应用最成熟的烟气脱硫技术，作为其配套设备的除雾器也经历了较长的发展历程， 商业化程度较高能满足不同程度的要求，但是相应而言技术保密性很强，技术性文献鲜有 相关报道。在国内，目前电厂广泛釆用折板型和波纹板型除雾器，大多都整合在吸收塔或喷淋塔 内的顶部，属于简易设备。而大型脱硫机组应用的专用除雾器绝大部分依靠进口。目前仅 有南京电力环保所已经建立了完备的除雾器试验台，得到了一些第一手的实验数据，设计 出了折板型脱硫除雾器，对影晌除雾器性能的一些参数进行了初步的实验研究。而对不同 结构参数设计下的气一液旋流分离器的力学特性方面作系统的研究仍然较少【4】。因而还有 大量的研究工作有待进一步开展。1.2.1气液分离技术的现状气液分离技术俗称脱水除雾技术，是工业生产中一项重要的技术指标。其目的主要是 将分散在气流中液滴分离除去。众所周知，在精馆、吸收、解吸、增（减）湿等气液传质、 传热单元操作中，无论是采用填料塔还是板式塔、喷淋塔，都是通过气液两相的密切接触 以促进相间组分的传递，达到液体或气体提纯、增（减）湿等目的。在这些过程离开填料 层或塔板的气相中，必定夹带一定数量、大小不等的液滴或液沫，在随后的冷却、冷凝过 程中，还会形成悬浮于气相的微小液滴。但是必须将被气流所夹带的液滴分离出去，简称 除雾，其原因有如下几种情况【”： (1)控制排放：控制大气中的有害物质排放量，改善环境质量，如硫酸生产中控制塔后排放尾气中的武汉科技大学硕士学位论文 第4页酸雾含量。(2) 溶剂回收；当吸收剂（溶剂）价格昂贵时，要尽量减少其循环使用过程中的损失；或其本身就是 有价值的产品，皆需加以回收以降低生产成本。(3) 精制产品：无论在精馆还是吸收操作过程，气体雾沫夹带量增大，必降低分离效率和产品的纯度， 这在精密分离中尤其突出，故它常对允许的夹带量有严格、甚至奇刻的控制指标。(4) 保护设备：当雾沫被气流夹带到塔后静止、转动设备和它们间的联接管道、阔门、仪表上后会产 生种种危害，如腐烛、堵塞、催化剂中毒、破坏运转设备的转动平衡等，故视工艺的不同 特点，对所允许的夹带量有一定的控制指标。目前，除雾的方法有很多，如：重力沉降，惯性碰撞，离心分离(旋风分离和旋流板除 雾)，静电分离等，分别适用于不同的粒径范围的颗粒。一般来说，对于直径大于50微米的 液滴可用重力沉降法分离，5微米以上的液滴可用惯性碰撞及离心法分离，对于更小的细 雾则采用先凝聚的办法，或采用高效的纤维过滤或者静电除雾法除去。因此，要需要根据 吸收塔中所产生的雾沫粒度分布及除雾要求选取经济且满足需求的设备，脱硫和除油烟分 别常用的是折板式除雾器和丝网或纤维除雾器。此外，旋流板技术自70年代浙江大学首先开发以来，该技术已在广泛应用于气体吸收、 气液分离、除雾和除尘等领域。其除雾和除尘效果相当显著，产生了良好的社会效益和经 济效益。去除吸收过程净化后的废1夹带着的水雾也属于除雾的范围。治理酸雾一般也釆用除 雾器，常用设备有文丘里洗漆器、过滤除雾器、折流板式除雾器，离心式除雾器及电除雾 器。几种主要类型的除雾器见表1,1。表u几种主要类型除雾器的性能除雾器类型除雾粒/um 除雾效率/%除雾器压降/pa 50 3 5 390 99 98-99 98-99折板式除雾器 丝网除沫器 旋流板除雾器 文丘里洗潘器50-100 200-350 100-200 600010000 1.2.2几种主要类型的除雾器1.2.2.1折板式除雾器折板式除雾器的结构如图1.1所示，是最常用也是最简单有效的气液分离器。它是根据 雾滴的碰撞，粘附，凝聚等原理制成的，含湿烟气通过密集的板片时，依靠气流在弯曲通 道内流动所产生的离心力将水滴分离，粘附于板片壁面上形成薄薄的水膜，缓慢向下流动第16页 武汉科技大学硕士学位论文到集液槽，从而使汽水分离。吸收或喷淋塔中通常釆用两级或三级折板式除雾器以除雾效 率。折板级数不宜过多，一般三到四级为宜。其脱水原理是：气流遇到障碍物的时候，会改变流动方向，而对于远大于气体密度的 液滴由于惯性继续保持原来的运动方向，而与折板的边壁发生碰撞，并积聚形成液膜，通 过收集沟排出，曲折通道内液滴分布如图2.2所示。(1.2)由图1.2，可通过分析气体对固定边壁的绕流可得，其气流的流函数为：smnd(1.1)对以上流函数求导，可得出切向速度:v- = = -ar cos n& dr 可通过方程可求得a的值：vxb= i vffdr由此可得绕圆弧形通道流动的效率公式为-1 咖、 i7 = l-exp()(1.3)(1.4)d 式中t张持时间，s;0折板的夹角，。：b折板之间的间距，m。由公式1.4可知，折板间的夹角越大，脱水效果越好，但是这也增加了脱水器的阻力损失9。因此在设计挡板除雾器时应选取适当折板间的夹角。其次，气体流速v越大，分离 效率也随之增加，但是存在一个极限速度，超过极限速度可能堵塞折板。再者，分离效率 也随两板间距b的增加而略微增大，但影响不如前面两个参数明显。除雾器的设计应满足临界气速的要求，在临界气流流速范围内，随气流流度的提高， 脱水效率也提高，但如果超过临界气速，则因为二次夹带的影响，随气流速度的提高，脱 水效率反而降低。因此，此类折板式除雾器设计时，为保证脱水效率，选用气速不宜过高， 般气流流速应为5-7m/s。武汉科技大学硕士学位论文 第5页图1.1折板式除雾器的几种结构示意图曲折通道内液洧分布示意图u.2.2丝网除雾器丝网脱水器的丝网由直径为0.25-0.75nim的不锈钢丝构成，把这种丝网做成波形，成型 后形成一定的通道，成型丝网厚loomm。其工作原理是：气流从上方的入口管进入脱水器 内，从中心管道向下流动进入脱水器下部，在由中心管道向腔体流动过程中，因流通截面 积突然扩大，流速变小，部分颗粒大的水滴因重力作用而下落，部分颗粒小的水滴在脱水 器下部与丝网碰撞后，在通道形成水流而流出丝网。由于丝网孔隙率小，因此可脱除直径 l(him的水滴，从而达到精脱水的目的。一般安装在填料脱水器后使用，必须先把气流在清 洗中带出来的大量水分脱掉，丝网脱水器再脱去不大于0.1mm的含尘水滴，脱水效益可达 99%1。、丝网脱水器要充分发挥作用，气流流速非常重要。气流速度过小，其中所含的液滴漂 浮着，不能够与丝网发生碰撞，仍然随气流穿过丝网：流速过大，会造成液泛，即聚集在 丝网上的液滴不容易降落，从而使液滴充满丝网，形成一层水膜层，气体通过丝网时又重 新带沫。1,2.23离心式旋流除雾器离心式是利用惯性离心力使液滴分离的，它有两种形式：一种是利用气流自身在固定 的容器内部做旋转运动造成气液分离，另一种是在洗潘器内设置固定的叶片，造成气流旋 转从而使气液分离，如：旋流板式【离心式旋风分离器主要有三种：筒式旋风分离器， 祸轮式旋风分离器和旋流板式分离器，都是利用惯性力和离心力进行气液分离的。 (1)筒式旋风分离器第16页 武汉科技大学硕士学位论文如图1.3所示，含湿烟气以切向进入旋风分离器，依靠离心力作用将液滴甩向筒内壁， 从而使汽水发生分离，净化后的气体则通过顶部出口排出，而液滴沿筒壁流到集液槽中而 排出。旋风筒式可以除去较小的液滴，常设在文氏管除尘器的后面。气流进入旋风筒的切 向进口气速一般为20-25m/s，气体在筒横截面的上升速度一般不超过4.5m/s图13简式旋风除雾器的两种形式(2)祸轮式旋风分离器烟气出口分离水z外塔壁烟气进口图1.s旋流板除雾示意图如图1.4所示，含湿气体由筒底部轴向进入，髙速通过筒内的旋转叶片时发生强烈的旋 转而将液滴分离，气流由顶部中心开口流出，液滴受顶部挡板的作用流入外塔壁之间的环 缝中，经汇集管汇集后流出。由于该设备中需要另外提供动力装置，实际应用的比较少见。 一般应用在对除雾要求较高的行业。钟角明上武汉科技大学硕士学位论文 第8页图1.4祸轮式旋风除雾器(3)旋流板式分离器为了分离吸收塔顶部的雾沫夹带，浙江大学的谭天恩教授发明了旋流板除雾器，其作 用是使气体通过塔板产生旋转流动，利用离心力的作用将雾沫除去，除下的雾滴从塔板的 周边流出。该塔板的除雾效率可达 99%，且结构简单，阻力介于折流板与丝网除雾 器之间，如图1.5 气流在穿过板片间隙时变成旋转气流，其中的液滴在惯性作用下以 一定的仰角射出作螺旋运动而被甩向外侧，汇集流到溢流槽内，达到除雾的目的。旋流板 内的切向气流流速一般为l(m7ni/s，与旋风分离器内入口气速相近，但其阻力较小，且效 率较髙，被广泛应用于化工生产过程中。旋流板可以直接安装在洗潘器的顶部或管道内由 于不占地、效率高、阻力低。在用湿法治理烟尘和有害气体时常用它作为洗络器后得脱水、 除雾装置。旋流板技术己广泛应用于气体吸收、气液分离、除雾、除尘等领域。用于高压下的气 液分离，也显示了很好的分离效果。旋流板结构为喷射型塔板，塔板形状如同固定的风车叶 片。这种板型由于开孔率较大，允许髙速气流通过，因此处理能力较大，而压降较低，操 作弹性亦大，旋流板作为气液分离装置，具有体积小、耗材少、结构简单、加工方便，分 离效果好等诸多优点。1.2.3气液分离器的设计原理气液分离装置的结构形式有多种多样，概括起来可分为重力式、惯性碰揸式、离心式、 过滤式和静电分离几大类型，每一类型又可分为不同的结构形式，由于每一种结构形式的 脱水装置中，液滴受到的作用力可能不一样或是几种方式组合，因而导致分离液滴的基本 原理比较复杂。但气液分离器设计所考虑的基本原理较为简单，主要有以下几种：(1) 重力沉降：重力沉降是应用最为普通的分离机理，主要用来分离较大的液滴， 依靠其自身重力作用达到分离的目的；(2) 惯性分离：任何运动的物体都具有保持其运动方向的特性。当流体流向发生改 变时，质量密度大的液滴具有较大的惯性，就会保持原来的运动方向，与器壁碰撞，使液 滴从气流中分离出来，如曲折叶片式分离器。但是，如果要除去更小的液滴，需要更多次 改变流向，且效果不是很明显；(3) 离心分离：利用烟气髙速旋转时产生的离心力进行气液分离，如旋流板式和旋 风筒式除雾器，都有很高的除雾效率，且经济又实用，应用最为广泛。(4) 过滤式分离，利用液体碰撞、粘附、凝聚的原理，在分离器壁面上形成水膜流 下进行气液分离。其中分离机理复杂主要有拦截和扩散作用。拦截分离：一定直径的液滴 随气流运动到拦截物表面或侧面附近，与拦截物相碰撞而被捕集；扩散分离：这种分离方 法使用于分离特别小的液滴，一般液滴直接小于1微米，此类颗粒主要受布朗运动的影响， 如纤维丝网；(5) 静电捕集：利用正负电荷相互吸引，将带电颗粒吸引到捕集体上，通常用于直第16页 武汉科技大学硕士学位论文接较小的颗粒。由于本论文借鉴旋流板的设计经验，来设计新型被动自由式叶轮除雾器，故特别介绍 一下旋流板的几何结构与影响效率的参数。旋流板是广泛应用于化工、动力等多种行业的 机械构件，特别是在气液分离过程中的应用十分广泛。通常，旋流板是由位于装置中心的 盲板、旋流叶片和与装置连接的圆环形结构组成。旋流板的主要作用是将沿轴线流动的流 体迫使其绕轴线旋转，以加强过程反应或实现气液两相的分离。旋流板对流体的旋流效果 主要取决于几何结构，由于几何结构不同，形成不同的旋流强度。旋流强度主要依赖以下 几何结构参数，叶片形状、扭曲角、仰角、径向角等。此外，空塔流速和流体本身的物理 性质也是重要的影响参数。1.3计算流体力学以及数值模拟理论基础介绍 1.3.1计算流体力学的发展现状随着科技的进步和经济的发展，许多领域（特别是石油、化工、环境工程等）对高性 能的流体机械的需求越来越迫切。为了适应社会的需求，需要进行试制和大量实验参数测 量等工作，为此须要耗费大量的资金和时间。显然，为了设计出高性能的流体机械，传统 的设计方法巳不能够满足设计需要，必须来用现代设计理论和方法，这就要求设计者必须 掌握流体机械的性能以及内部流体流动状况，从而给流体机械内部流动理论和实验研究提 出了新的课题。研究流体运动规律的主要方法有两种：一种是实验研究，以实验为研究手段：另一种 是理论分析方法，利用简单流体流动模型假设，给出某些特定问题的解析解。前者耗费巨 大，而后者对于较复杂的非线形流动现象目前还有些无能为力。20世纪70年代以来，飞速 发展起来的计算流体力学（cfd)为实验研究和理论研究都起到促进作用，也为简化流动 模型提供了更多的依据，使很多分析方法得到发展和完善。实验研究、理论分析方法和数 值模拟己成为当前研究流体运动规律的三种基本方法。数值模拟以其自身的特点和独特的 功能与理论分析和实验研究一起相辅相成逐渐成为研究流体流动的重要手段，形成新的学 i计算流体力学（cfd)。计算流体力学（cfd)作为一种工程研究和设计手段在国外开始于七十年代，由于受 到当时计算机硬件和计算费用的制约，最初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。cfd在国内的使用起步较晚，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幵发也进入高速发展阶段。近十年来，随着技术的革新， 计算机的计算速度和存!it能力已有大幅度提高，而计算机硬件成本反而急剧下降，使得很 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较 为广泛的应用。cfd就是一种以计算机为基础的研究流体流动和传质问题的数值方法，它运用各种离 散化方法建立不同的数值模型，并通过计算机进行数值计算和数值模拟。在时间上和空间武汉科技大学硕士学位论文 第9页上获得定性和定量描述流场的数值解。它具有如下主要特点-(1) 适应性强、应用面广流动问题的控制方程一般是非线性的、自变量多、计算域的几何形状任意、边界条件 复杂，对这些无法求得解析解的问题，用数值解能很好地满足工程需要。其次，数值方法 一般利用计算机进行各种数值试验。它不受物理模型实验规律的限制，不需要花费原型生 产制作和重复测试的代价，大大减少所需资金、时间以及把设备改进设计的风险降到最低。 而且它还具有模拟真实工况条件和理想条件的能力，对各种难以实现的实验条件或不能实 现的条件进行模拟。(2) 可视化随着并行计算技术和图像处理技术的发展，cfd能够将计算中所产生的数字信息转变 成直观的、以图形或图像形式表示的信息。使研究者能直接观察到模拟和计算的过程，并 进行交互控制。实现了科学可视化，为研究者提供了更详尽的、更直观的微观流体动力学， 便于理解、判断和修改。(3) 对物理模型实验和经验的依赖性强数值方法并不同于物理模型实验，一开始能给出流动现象并定量地描述。它需要原形 观测或物理模型试验提供某些流动参数和边界条件，并对建立的数学模型进行验证。此外， 目前还没有一种标准用来评价cfd的计算结果的有效性，它的应用还依赖于理论的分析、 经验的判断和实验的验证。(4) 依赖于基本方程数值计箅依赖于基本方程的可靠性，且最终结果不能提供任何形式的解析表达式，并 存在计算误差。因为数值计算的本质是以离散方程代替微分方程，离散点毕竟是有限的， 所以必然存在一定的计算误差。任何流体的运动规律都是以质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律为基础的。 这些基本定律可由数学方程来描述，如欧拉方程、n_s方程。采用数值计算方法，通过计 算机求解这些控制流体运动的数学方程，进而研究流体的运动规律。近些年来，随着计算 流体力学方法的深入研究，数值模拟的可靠性、准确性、计算效率得到很大提高，展示了 釆用cfd方法用计算机模拟实验装置的广泛应用前景。数值模拟可提供丰富的流场信息， 具有初步性能预测、内部流动预测，流动诊断等作用。并可降低成本、缩短研制周期，为 设计者和改进流体机械提供依据本文正是利用计算流体力学cfd的以上特性对所提出的新型除雾器相应的计算机模型 内进行模拟计箅。然后根据模拟结果分析流场内部情况，以及各个结构参数对除雾效率的 影响关系，并对性能进行初步预测，提出结构改进方案。在最优结构下通过计算机改变运 行参数，得到设备工作的最佳状态。通过试验和模拟的结合，以期用最少的成本获得最好 的成果，获得最大的经济效益。同时也为设计和改进该装置提供相关依据。第16页 武汉科技大学硕士学位论文1.3.2 cfd通用软件cfx简介目前，许多软件公司幵发了许多有关流动和传质的商用软件包，例如有fluent、cfx、 phoenics、star-cd. ansys、flow3d、icemcfd、gridpro、cfr)2000等，其中应用相 对较广泛的也就是fluent、phoenics、cfx、star-cd这几个软件包。这些软件都具有强大 的计算功能，能够处理各种关于流体流动、热传质、质量输运、多相流、化学反应、燃烧 现象以及与固体相关的变形和应力的问题。cfx软件，1996年以前的名称为cfdsfl0w3d，它是由computational fluid dynamicsservices，aeatechnology于1991年推出的。cfx软件进入中国市场早，而且软件 本身带有教学实例、简单易学，更重要的是它能够解决流场、温度场、压力场等流体力学 中所涉及到的许多问题，因而在流体力学计算模拟中被得到广泛使用。cfx模拟软件的主 要特点：(1) cfx使用的是有限体积法，cfx可以进行结构化正交网格、不规则分块网格和非 正交曲线坐标网格划分。cfx由于采用multiblock网格划分技术可以模拟许多复杂物体的 流动状况。另外cfx还要以进行滑移网格划分功能，利用它可以模拟运动物体的边界条件， 如可以模拟动力机械转动的叶片和行驶的汽车的车轮周围真实流动情况。(2) cfx使用的基本算法是simplec压力校正算法格式。方程的空间步长离散是由 hybrid格式、二阶上游差分格式和三阶quick格式结合实现的。(3) 模拟分两步进行：首先使用hybrid差分格式来模拟流动的初始生成阶段：然后 用二阶上游差分格式接着来模拟整个生成阶段：三阶quick格式用来模拟流体的逆向流动 状况0(4) cfx有5种瑞流模型可供选择使用。它们分别是标准k_ e模型、低雷诺数k_ e 模型、代数应力模型、雷诺应力微分方程模型和雷诺流动微分力程模型。(5) 使用cfx可以进行多相流动，流场中粒子输运，气体燃烧，混合热传输，多孔介 质渗流，热辑射化学物质的混合运动以及可压、不可压，定常、非定常等许多工程实际问 题的模拟。(6cfx有良好的图形化界面，使得问题的定义、求解，直到最后的结果输出都非常 直观方便。cfx软件的主要优点简单介绍有：(1) cfx可以直接计算实际大小的模型，而且不必经过放大设计，避免了产生放大误差；(2) cfx可以缩短设计周期，降低设计费用：(3) 实验研究的流场测量是一大难点，cfx能够得到整个流场的详细信息；(4) 实验研究代价高昂，cfx是无干扰的安全试验方法。(5) 实现了设计和分析相结合。设计、分析、改进、优化，实现“设计分析一体化”， 保证了产品一次开发的成功率。武汉科技大学硕士学位论文 第12页1.3.3数值模拟的基础理论133.1流体流动的控制方程所有流体的流动都要受最基本的三个物理规律的支k,即质量守恒、动量守恒及能量守恒。如图1.6所示，流体的速度矢量u在三个坐标上的分量分别为u, v, w.(l5)(1)质量守恒方程 对于如图1.6的固定在空间位置的微元体，质量守恒定律可表示为：单位时间内微元体中流体质量的增加=同一时间间隔内流入该微元体的净质量;由此得出质量守衡方程(又称连续方程)i办 i d(pu) i dpv) i dt dt dt dt式中的第2，3，4项是质量流密度(单位时间内通过单位面积的流体质量)的散度，可 用矢量符号写出来为：ci. 6)对于不可压缩流体，其流体密度为常数，连续方程简化为:(1.7)图1.div(pu) = 01维直角坐标系及微元体(2)动量守恒方程对于如图1.6的固定在空间位置的微元体，分别在三个坐标方向上应用newton第二运 动定律(f=ina):微元体中流体动量的增加率=作用在微元体上各种力之和； 引入newton切应力公式及stokes的表达式，可得三个速度分量的动量方程：第16页 武汉科技大学硕士学位论文u动量方程: dt dx dy dz dx dxdxd r /dv du. d r ,du 加、_+ )+ rj( + ) +(1.8) ax dz dz dx 动量方程:= -生+立(i彻 + + dt dx dy dz dx dydyd _ ,du 5v、i d - ,dv dw. _石(石+石)+石(石+炉w动量方程-+ +一生 + 立(义彻 化)+dt dx dy dz dz dzdzd, ,du dw. d . .dv dw. _石妒(石+炉凡(3)能量守恒方程对于如图1. 6的固定在空间位置的微元体应用能量守恒定律：微元体内热力学能的增加率=进入微元体的净热流量+体积力与表面(1.9)(1.10)力对微元体做的功;(1.11)再引用导热fourier定律，可得出用流体比洽h及温度t表示的能量方程： dph d(puh) d(pvh) d(pwh) = -pdivu+div(xgradt)dt dt dt dt 其中a是流体的导热系数，sh为流体的内热源，o为由于粘性作用机械能转换为热能的部分，称为耗散函数，其计算式如下：jdu、2 / 彻、2 / 加、,du dv.2 = 72(r + (t) + () + (+f + dx dy dz dx,du dw-y ,dv 5m,、，. ”(i+i)十(r+t) +級02 ox oz oy(1 12)式(1.11)中pdivu是表面力对流体微元体所做的功，一般可以忽略；同时对理想气体， 液体及固体可以取h=cpt,进一步取cp为常数，并把耗散函数0纳入到源项st中(st=sh+ 0),于是可得：+div(put) = div( gradt)+ 改cp(1.13)133.2初始条件与边界条件iwiaw武汉科技大学硕士学位论文 第15页控制方程适合于所有newton流体的流动和换热过程，各个不同过程之间的区别是由初始条件及边界条件来规定的。控制方程及相应的初始与边界条件的组合构成了对一个物理 过程的完整的数学描述9初始条件是所研究对象在过程开始时刻的各个求解变量的空间分布，必须予以给定。 对于稳态问题不需要初始条件。边界条件是在求解区域的边界上所求解的变量或其一阶导数随地点及时间的变化规 律。在所研究区域的物理边界上，一般速度与温度的边界条件设置方法如下：在固体边界上对速度取无滑移边界条件，即在固体边界上流体的速度等于固体表面的 速度，当固体表面静止时，其三个方向的速度都为零。1333瑞流模型的简介模型思想可追溯到100多年前，为了求解雷诺应力使方程封闭，早期的处理方法是模 仿粘性流体应力张量与变形率张量关联表达式，直接将脉动特征速度与平均运动场中速度 联系起来。十九世纪后期，boussinesq提出用祸粘性系数的方法来模拟瑞流流动，通过祸 粘度将雷诺应力和平均流场联系起来，祸粘性系数的数值用实验方法确定。_到二次世界 大战前，发展了一系列的所谓半经验理论，其中包括得到广泛应用的普朗特混合长度理论， 以及g.i泰勒祸量传递理论和kannan相似理论他们的基本思想都是建立在对雷诺应力的 模型假设上，使雷诺平均运动方程组得以封闭_。1940年，我国流体力学专家周培源教授 在世界上首次推出了一般満流的雷诺应力输运微分方程；1951年在西德的rotta又发展了周 培源先生的工作，提出了完整的雷诺应力模型。他们的工作现在被认为是以二阶封闭模型 为主的现代瑞流模型理论的最早奠基工作，但因为当时计算机水平的落后，方程组实际求 解还不可能。70年代后期，由于计算机技术的飞速发展，周培源等人的理论重新获得了生 命力，湍流模型的研究得到迅速发展。建立的一系列的两方程模型和二阶矩模型，已经能 十分成功地模拟边界层和剪切层流动，但是对于复杂的工业流动，比如大曲率绕流，旋转 流动，透平叶栅动静叶互相千扰等，这些因素对端流的影响还不清楚，这些复杂流动也构 成了进入二十一世纪后学术上和应用上先进端流模型的研究31】。瑞流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动，在満流中流体的各种物理 参数，如速度、压力、温度等都随时间与空间发生随机的变化从物理结构上说，可以把 滴流看成是由各种不同尺度的祸旋叠合而成的流动，这些祸旋的大小及旋转轴的方向分布 是随机的。大尺度的祸旋主要由流动的边界条件所决定，其尺寸可以与流场的大小相比拟， 是引起低频脉动的原因；小尺度的祸旋主要是由粘性力所决定，其尺寸可能只有流场尺度 的千分之一的量级，是引起高频脉动的原因32。大尺度的祸旋破裂后形成小尺度的祸旋。 较小尺度的祸旋破裂后形成更小尺度的祸旋。因而在充分发展的素流区域内，流体祸旋的 尺寸可在相当宽的范围内连续地变化。大尺度的祸旋不断地从中流获得能量，通过祸旋间 的相互作用，能量逐渐向小尺寸的润旋传递。最后由于流体粘性的作用，小尺度的祸旋不 断消失，机械能就转化(或称耗散)为流体的热能同时，由于边界的作用、扰动及速度梯度 的作用，新的祸旋又不断产生，这就构成了滴流运动】。由于流体内不同尺度祸旋的随机 运动造成了端流的一个重要特点一物理量的脉动。一般认为，无论端流运动多么复杂，非第16页 武汉科技大学硕士学位论文稳态的navier-stokes方程对于端流的瞬时运动仍然是适用的。实际问题中的流动几乎都是瑞流，瑞流的硏究有着重要的实际意义。随着大容量、高 速度计算机的日益普及，特别是端流理论和计算方法的迅速发展，人们越来越重视运用数 值模拟的方法来计算和预测各种流体现象及流场内部结构。关于端流的数值计算是目前计 算流体力学中困难最多因而最活跃的领域之一。己经采用的数值计算方法可以大致分为以 下三类：直接模拟、大祸模拟和应用reynolds时均方程的模拟【双，133a瑞流的数值模拟方法(1) 直接模拟这是用三维非稳的navier-stokes方程对瑞流进行直接数值计算的方法。如果此法能成 功地加以应用，则所得结果的误差就仅是一般数值模拟计算所引起的误差，并且可以根据 需要而加以控制。但要对高度复杂的端流运动进行直接数值计算，必须采用很小的时间与 空间步长，才能分辨出湍流中详细的空间结构及变化剧烈的时间特性。例如按文献的估算， 要对紊流中的一个祸旋进行数值计算，至少要设置10个节点，这样对于在一个小尺度范围 内进行的瑞流运动，在icm3的流场中可能要布置105个节点。其所需要的内存容量和运算速 度远远超过现阶段计算机的水平。所以瑞流的直接模拟对内存空间及计算速度要求非常 高，目前根本无法用于工程数值计算。(2) 大祸模拟按照滴流的祸旋学说，瑞流的脉动与混合主要是由大尺度的祸造成的。大尺度的祸从 主流中获得能量，它们是高度的非各向同性，而且随流动的情形而异。大尺度的祸通过相 互作用把能量传递给小尺度的祸。小尺度涡的主要作用是耗散能量，它们几乎是各向同性 的，而且不同流动中的小尺度祸有许多共性【w37。关于祸旋的上述认识就导致了大尺度祸 模拟的数值解法。这种方法旨在用非稳态的navier -stokes方程来直接模拟大尺度祸，但 不直接计箅小尺度祸，小祸对大祸的影响通过近似的模型来考虑，这种影响称为亚格子 reynolds应力。大祸模拟方法对计算机内存及速度的要求虽然比较高，但远低于直接模拟 方法，在工作站甚至pc机上都可以进行研究。(3) 应用reynolds时均方程的模拟方法在这类方法里，将非稳态控制方程对时间作平均，在所得出的关于时均物理量的控制 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。 而且不可能依靠进一步的时均处理而使控制方程组封闭】。要使方程组封闭，必须作出假 设，即建立模型。这种模型把未知的更高阶的时间平均值表示成较低阶的计算中可以确定 的量的函数。这是目前工程瑞流计算中所釆用的基本方法。在reynolds时均方程法中，又有reynolds应力方程法及端流粘性系数法两大类。随着 计算机工业的飞速发展，reynolds应力方程模型(reynolds stress model)在瑞流数值计 算中的应用曰益广泛，特别是其中对二阶矩建立微分方程，对三阶矩引入近似处理的方法 已经应用到工程数值计算中。瑞流动力粘度法，习惯上称滴流粘性系数法是日前工程流动 与数值计算中应用最广的方法。武汉科技大学硕士学位论文 第16页13丄5常见的瑞流模型现实中，绝大多数的流动现象属于端流，瑞流会影响到其它的物理现象如浮力和可压 缩性。瑞流模型提供了很大的应用范围，而不需要对特定的应用做出适当的调节，而且它 涵括了其它物理现象的影响，如浮力和可压缩性。通过使用扩展壁面函数和区域模型，它 可以对近壁面的精度问题有很好的考虑。但是其理论研究发展还很不完善，还有许多地方 需要大量的半经验的假设，因而会对模拟结果产生影响。从原则上说，求解各种瑞流问题并无理论上的困难。因为，一方面描述瑞流运动的精 确的微分方程已经得出，即n-s方程。从数学的观点来看，湍流就是n-s的通解，求解瑞流 问题和求解层流问题并无本质区别。另一方面，数值计算方法的发展，己足以求解n-s方 程2。但是现代计算机的存储能力和运算能力尚不足以求解任何一个实际的端流问题，即 使是直接模拟和大祸模拟，虽然将来最终会应用于工程实际，但这两种方法主要依赖于超 级计算机【“】。目前可用于工程实际的模拟方法，仍是从reynolds时均化方程出发的模拟方 法，这即是常说的“瑞流模型”,其基本出发点是利用某些假设，将reynolds时均化方程 中的高阶瑞流脉动关联项用低阶关联相或时均量来表达，从而使整个reynolds时均化方程 组完全封闭。主要的瑞流模型有k-e模型及其修正式、雷诺应力模型、代数应力模型和双流体模型 等，但是没有一个瑞流模型对于所有的问题是通用的。选择模型时主要依靠以下几点：流 体是否可压、建立特殊的可行的问题、精度的要求、计算机的能力、时间的限制。为了选 择最好的模型，需要了解不同条件的适用范围和限制。(1) 标准ke模型k- e双方程的模型最早是由launder和spalding于1972年提出的半理论半经验公式，它 要解两个变量，速度和长度尺度。标准k_e模型具有适用范围广、经济、合理的精度等 优点，因而成为工程流场计算中主要的工具。大量的预报及其与不同实验结果的对照，表明k_ e模型可以基本上成功的用于以下 几种情况：1) 无浮力平面射流；2) 平壁边界流；3) 管流、通道流或喷管内流动；4) 无旋或弱旋的二维或三维回流流动。在有些流动区域，有必要精确的描述瑞流应力各分量的输送，应用各相同性祸动系数 建立起来的ke模型，便显得不太准确，所以国内外一些学者对各相同性的ke模型进 行修正。(2) rngke 模型rngk- e模型是从稳态ns方程中推出的，使用了 “renormalizationgroup”的数学 方法。解析性是由它直接从标准k一 e模型变来，还有其它的一些功能。rngk- e模型来 源于严格的统计技术。它和标准ke模型很相似，但比标准k一 e模型在更广泛的流动中第16页 武汉科技大学硕士学位论文有更高的可信度和精度。因此rngk e适用于模拟以下这些流动方式-1) 分层流；2) 环流；3) 在弯曲几何体里的流动；4) 快速变形的流动；5) 游祸流；6) 剪切层不稳定的流动；7) 低雷诺数数流体的传热；8) 低雷诺数流体流动或过渡流；(3) realizablek_e 模型作为对k_ e模型和rngk e模型的补充，还有一种叫带旋流修e模型。 realizable表示模型满足某种数学约束，和端流的物理模型是一致的。标准k一 e模型和 其它的传统k一 e模型的另外一个弱点是扩散方程。带旋流修正的k_ e模型由shih提出， 对游祸粘度作出改进，并为扩散作出新的方程。realizable k- e模型最大的特点在于其在预测平板射流与尾流扩散等方面具有更高的 精度。这个模型对于更广泛的流动有效，包括：1) 旋转均匀剪切流；2) 自由流中包括喷射和混合流：3) 管道和边界流；4) 分离流；5) 圆柱射流。(4) 雷诺应力模型（rsm)雷诺应力模型包括用不同的流动方程计算雷诺压力，而封闭的动量方程组，准确的雷 诺压力流动方程要从准确的动量方程中获得，其