旋风分离器内部温度场数值模拟.doc

旋风分离器内部温度场数值模拟张振伟（东北大学，辽宁 沈阳110004）摘要：本文利用FLUENT软件RSM湍流模型对旋风分离器温度场进行数值模拟。得出CLT/A型旋风分离器内部温度分布，总体温度都是373C，只是不同区域有小于一度的温度差异，锥体部分温度最高，进气管及分离器圆筒部分温度最低；同时近壁面温度稍高。下部温度稍高是由于气流的压缩引起的，锥体部分温度最高，这是由于转速增大空间变小，气流压缩作用增强引起的，近壁面的温度稍高是由于气流与壁面摩擦造成的。关键词：分离器；数值模拟；温度场Abstract： Key words:1、前言本文研究马铃薯颗粒全粉干燥系统中CLT/A型旋风分离器气固分离过程中的流场现象，采用离散耦合模型进行模拟，离散耦合模型模拟的前提假设需要温度恒定。然而由于干燥过程中热气流温度比较高，其内部温度场情况不能确定，所以对CLT/A型旋风分离器中的温度场模拟有其必要性。2、物理模型如图1所示，CLT/A 8.04型旋风分离器组的筒体部分体积比较大，整个分离器分为四个旋风子筒体，对称布置，结构完全相同，本文仅对单个筒体进行模拟。图1 CLT/A 8.04型旋风分离器组结构图Fig. 1 Structure group graph of CLT / A 8.0 4-type cyclone利用UG强大的实体曲面建模功能建立CLT/A型旋风分离器组中旋风子的三维实体模型，如图2所示。 图2 CLT/A型旋风分离器三维实体模型Fig. 2 Three-dimensional solid model of the CLT / A-type cyclone3、有限元模型将UG建立的三维实体模型导入到GAMBIT中进行网格划分，为了便于在GAMBIT中进行网格划分，先在UG中对模型进行多次布尔运算处理，使得建立的模型由两个实体构成：排气蜗壳与排气管形成的一体Volom1，进气管与筒体以及下边锥体构成的一体Volom2。然后以.step格式导出。最后导入GAMBIT中，整体模型如图3所示。为了能生成比较好的结构化网格，将模型分成几部分进行网格划分，在GAMBIT中进行以下操作：（1）建立辅助面将进气管用Split命令分割出来。（2）在Y=2260mm处用平行于Y轴的平面将筒体分为上下两部分，上部分为一个环筒体，下部分为一个圆柱体。这样整个旋风分离器被分割为4部分：进气管、出气管、筒体的下半部分、筒体上半部分。分别对它们进行网格划分。图3 GAMBIT中旋风分离器的实体模型Fig. 3 Physical model of cyclone in GAMBIT 网格划分是数值模拟前提也是对计算区域的离散过程。根据CFD的理论，网格数的大小与最终计算结果无关，且网格数达到一定密集程度后继续加密对模拟结果影响不大1。但是在实际操作中，如果网格划分得过于稀疏，将很难描述出流场中的一些细节；同时，如果网格数过大，又将影响计算速度，所以网格数的选择要以既能保证计算精度的要求，又不过分消耗系统资源为宜2。针对旋风分离器中流场的复杂性和局部多变性特点，采用较密的网格。根据网格生成原则，采用Hex/Wedge型结构化网格、Cooper制筒模式生成网格，生成以六面体为主的结构网格。此网格跟流场的匹配性比较好，有利于数值模拟中区域耦合条件的处理，同时网格的正交性较好。网格划分如图4所示。图4 CLT/A型旋风分离器网格划分图Fig. 4 Mesh diagram of CLT / A-type cyclone 4、边界条件为了便于求解对于旋风分离器内的多相流动，气相的具体简化为3：（1）旋风分离器内气体流动是稳态流动；（2）旋风分离器内气体的流速较低（一般小于30m/s），将气体视为不可压缩流体；（3）入口处气体流速均匀，而且处于充分发展的湍流状态；（4）旋风分离器底部的排尘口无气体流出。边界条件设置如下：（1）入口边界。流体入口温度为373.15K的空气，密度1.225kg/m3，粘度为18.110-6。在入口处速度已知，因此将进口边界设定为速度进口边界条件（Velocity Inlet），并假定入口湍流已充分发展，气体入口速度设为15m/s，且均匀分布在整个入口截面。入口湍流指定方法为指定湍流强度I和入口截面的水力直径D。气流雷诺数为：水利直径（Hydraulic Diameter）：湍流强度（Turbulence Intensity）：（2）出口边界。出口边界设为出流边界，并假设出口处的流动是完全发展的情况，即流动状态由区域内的流场外推得到，排气管设为自由出流（Outflow），流量权重为1，排尘口设为自由出流（Outflow），流量权重为0。（3）壁面条件。采用标准壁面函数（Standard Wal Function）4，壁面采用无滑移边界，采用壁面粗糙度参数为0.5。（4）排气管与与筒体接触的两个重叠的圆面设置为Interface面。5、数值模拟分析通过数值模拟，直观的得出了在CLT/A型旋风分离器内各个位置的总温度分布图5所示。入口处的温度较低，越往下温度越高，到锥体底部温度最高，排气管到排气口温度又有所降低，但是温度仍然高于进气口的温度。温度变化的原因是：气体以100的温度进入进气口，旋转引起的离心力使气流被压缩，此外气流跟壁面碰撞摩擦，使得温度升高。之后遇到锥形壁面，这种压缩和摩擦作用进一步加强，温度不断升高。最后气流上升经过排气管，经排气口排除，这时压强有一定的降低，比锥体部分小，比入口及圆柱筒处大，因此温度居中。但是这种温度变化只是微小的，由左边颜色柱的数据表自始至终都是3.73e+2，也就是整个旋风分离器的温度都约为100，只是有小于一度的温度差异。因此，温度的变化是很小的。图5总温度场Fig. 5 Total Temprature图6和7分别为CLT/A型旋风分离器的静温和总温在Y=0截面上的温度分布图，通过截面图清楚的看到旋风分离器内部Y=0截面上各个部分的温度分布。Y=0截面上旋风分离器内部静温分布跟总温分布大致相同，且能够清楚的看到内部具体的温度变化区域，进气管和筒体部分温度最低，锥体部分温度最高，排气管次之，出气管温度进一步降低。在旋风分离器排气管两边以及排气管内部温度分布大致上都是对称的，只是在近壁处有一些温度差异，大致呈涡状。这是因为，旋风分离器内的流场为旋转流，同时伴有局部湍流，温度的这些小的差异都是由于局部湍流造成的。图6 Y=0静温度图 图7 Y=0总温度图Fig. 6 Y=0 Static Temprature Fig. 7 Y=0 Total Temprature图8和9分别为CLT/A型旋风分离器的静温和总温在X=0截面上的温度分布图，通过截面图清楚的看到旋风分离器内部X=0截面上各个部分的温度分布。X=0截面上旋风分离器内部温度分布跟总温度分布也大致相同，同Y=0截面上的温度分布相比，在排气管以下柱筒部分和下部锥体部分非常接近，只是在排气口以上部分有明显的不同。其原因主要是由于气流从单边入口所造成的不对称性引起的。图8X=0 静温度图 图9X=0 总温度图Fig. 8 X=0 Static Temprature Fig. 9 X=0 Total Temprature图10 Z=0.5， 0.75， 1， 1.25， 1.5， 1.75， 2截面处温度分布图Fig. 10 The temperature distribution on Z = 0.5, 0.75, 1, 1.25, 1.5, 1.75, 2 cross section 如图10所示，分别在Z=0.5，Z=0.75，Z=1，Z=1.25，Z=1.5，Z=1.75，Z=2截面处旋风分离器的温度分布图。由图可知，近壁面处的温度要稍高，这主要是由于气流跟壁面摩擦以及离心力引起的压缩作用造成的。各个截面温度梯度都大致呈现圆环形，对称性比较好，同时又各自有一定的不规则度，这是由于局部的不同湍流引起。6、结论经过模拟和结果分析可以得出CLT/A型旋风分离器内部温度分布，锥体部分温度最高，排气管处次之，出气管处温度又有所降低，进气管及分离器圆筒部分温度最低；同时近壁面温度稍高。但总体温度都是373C，只是不同区域有小于一度的温度差异，下部温度稍高是由于气流的压缩引起的，锥体部分温度最高，这是由于转速增大空间变小，气流压缩作用增强引起的，近壁面的温度稍高是由于气流与壁面摩擦造成的。旋风分离器内部的温度总体恒定变化不大，局部会有小的差异。参考文献1. F. Boysan, Ewan, J. Swithen bank. Experimental and Theoretical Studies of Cyclone S