274一种直入旋风子气粒分离特性的数值模拟.doc

一种直入式旋风子气粒分离特性的数值模拟湖南大学土木工程学院 龚光彩 朱少林 焦俊军摘要：对这种直入式旋风子通过CFD数值模拟分析其阻力性能与效率性能。将气体相作为连续介质，采用k-湍流模型，对流场进行数值模拟；将颗粒相作为离散体系，采用随机轨道模型，根据已算出的流场来计算颗粒轨道，分析其阻力与效率性能。计算时选用不同粒径的颗粒相进行模拟，从而得到不同工况下的阻力性能与效率性能。对模拟结果作比较和分析，阐明利用CFD技术在工程设计实施前或产品生产（改造）前预测方案的实际效果与产品性能的可行性。关键字：直入式 k-湍流模型 随机轨道模型 离散相Numerical Simulation of Gas-particle Separation Property of the straight-in cyclone equipment (filter) Civil Engineering College of Hunan University Gong Guangcai Zhu Shaolin Jiao JunjunAbstract: The straight-in cyclone was investigated by CFD numerical simulation, and its resistance performance and efficiency performance were analyzed using k- turbulence model for the gas phase, and investigated with the flow field; using random orbit for particles phase, and calculated its track with the flow field, then analyzed the resistance performance and efficiency performance using different size particle for the numerical simulation, and got different conditions of the resistance performance and efficiency performance. Comparison of simulation result and related analysis concerning the discrepancy between the two were made. At the end of the paper, some advice concerning CFD application is put forward for the further study in this field.Key words: straight-in , k-model , random orbit model , disperse phase旋风气粒分离过程是利用气流旋转过程中作用在尘粒上的惯性离心力，使尘粒从气流中分离的。它主要用于10um以上的粉尘，一般用作多级除尘过滤中的第一级。旋风子内气流运动十分复杂，除了切向和轴向运动外，还有径向运动，是一个典型的三维流动，并且气流流动是湍动的。近年来随着计算机技术的高度发展，空气动力学理论的逐步完善，CFD技术也被广泛应用于模拟含尘气流的气粒分离特性。目前处理气粒两相流的常用方法有欧拉欧拉法和欧拉拉格朗日法。前者是将流体相和颗粒相均作为连续介质且颗粒的动量方程也是基于欧拉框架；而后者是将流体相作为连续介质，而颗粒则是根据基于拉格朗日框架下的颗粒运动方程来追踪其轨迹。本文所研究的直入式旋风子与传统的旋风子在构造上有所不同，其入口并非沿旋风子外筒切向，而是将旋风子外筒与内筒之间的环形断面作为入口断面，速度方向大致垂直于此断面。采用欧拉拉格朗日法，即将流体作为连续介质，采用k-模型来模拟，对颗粒采用随机轨道模型。1 数学模型不可压缩流体和颗粒的控制方程在文献10中有详细的阐述，在此仅给出其简化形式（流体相基于欧拉框架，颗粒相基于拉格朗日框架）。流体相连续方程： (1) 式中，为流体的质量密度，kg/m3；vj为流体j向速度分量，m/s；xj为j向坐标分量, m。颗粒相连续方程： (2)式中，k为颗粒的质量密度，kg/m3；, vkj为颗粒j向速度分量，m/s；xj为j向坐标分量, m。流体相动量输运方程： (3)式中，vki、vkj分别为流体i、j向速度分量，m/s；xi、xj分别为i、j向坐标分量, m；p为流体相压强，Pa；e为有效黏性系数 ()；gi为重力加速度，m/s2；k为颗粒的质量密度，kg/m3；vki为颗粒i向速度分量，m/s；rk为颗粒扩散弛豫时间，s。颗粒相动量输运方程： (4)流体相能量输运方程： (5)式中，cp为流体定压比热，J/(kgS)；T为流体温度，K；为分子黏性系数；T为流体湍流黏性系数 ()；k为颗粒的普朗克数; T为流体的能量普朗克数; q为流体内部热源的单位体积发热量，w/m3。入口速度采用Dirichlet边界条件，即入口是确定变量值的边界；壁面采用无滑移边界条件,默认壁面粗糙度为0.5,采用标准壁面函数法处理边界湍流。出口按照湍流流动充分发展处理,给定出口静压为大气压,以及相应的湍流参数。出口采用齐次Neumann边界条件，即法向零梯度条件 ，见图1。图1齐次Neumann边界条件 Ui-2，j，k网格节点（i-2,j,k）处速度；Ui-1，j，k网格节点（i-1,j,k）处速度；Ui，j，k网格节点（i,j,k）处速度；x2网格面i-2与i-1之间的间距；x1网格面i-1与i之的间距采用SIMPLE算法12求解流体相方程组，有限体积法求解时均N-S方程13。动量方程的对流项采用QUICK格式14离散；而在湍流动能及其耗散率方程中采用一阶迎风格式。壁面流体相压力与出口法向速度采用二阶泰勒级数内插格式。对于湍流动能及其耗散率的入口值，我们采用以下关系式定义15： (12)式中，kinl为 入口湍能, m2/s2； uinl为入口流速,m/s；inl为入口湍能耗散率, m2/s3 ； cp1为经验常数，取0.002； cp2为经验常数，取0.3；D为特征长度，m。2 物理模型和网格旋风子的物理模型如图3所示，采用非均匀四面体网格离散，见图2所示。本文所研究的旋风子具有高对称性, 旋风子外部套筒总长142cm，圆柱段长95cm，漏斗总长长27cm；叶轮叶片为三片，三等分均匀分布，右旋，螺旋角为35，叶轮螺旋长度28cm；内部出风套筒为56cm，出口与空调过滤器内壁相连。气体入口为旋风子顶部整个外圆环，整个入口敞开，多个此类旋风子并联固定于空调过滤器内部（统称多管旋风），实现气体的统一进出。 计算区域采用统一的非结构化网格，整个三维计算区域划分为601731个四面体网格单元，1628个速度入口面，53894个三角形墙面，458个出口面。 图2 旋风子网格模型及局部放大图 图3 旋风子物理模型图 3 模拟结果模拟工况的确定：要求通过多管旋风的体积流量为300 m3/h。每个多管旋风由35个小旋风子组成，即通过每个旋风子的空气流速为3.24m/s，方向为垂直向下。根据要求设定发尘浓度为300 mg /h。图4、图5是在额定体积流量下采用粒径为40m的滑石粉时旋风子Y-Z平面上的压力场和速度场。图 6、图7是在额定体积流量下采用粒径为5m的滑石粉时旋风子Y-Z平面上的压力场和速度场。图8、图9分别是粉尘粒径为40m和粉尘粒径为5m的颗粒物轨迹模拟结果。 图4 d=40m时Y-Z平面的压力场分布 图5 d=40m时Y-Z方向的速度场 图6 d=5m时Y-Z平面的压力场分布 图7 d=5m时Y-Z方向的速度场 图8 d=40m时颗粒物轨迹模拟结果 图9 d=5m时颗粒物轨迹模拟结果从模拟结果可以看出，流场分布受来流颗粒物粒径影响不大，在不同的粒径下的速度以及压力分布、变化相似。在旋风叶轮处气体流速剧烈变化；在内筒入口处气流速度显剧增加，甚至达到十几米每秒的高速；气流到达旋风子底部时，速度基本保持在0 m/s左右。气流进入旋风子后，压力逐渐减小；在叶轮处变化比较剧烈；在旋风子底部气压维持在200pa左右；内筒入口处气压显著减小，甚至在内筒中心处局部地区出现负压。这些现象基本上都是符合流场定性分析的结果。由图8、图9知，随粉尘粒径的不同，其运动轨迹有明显区别：40m粒径的粉尘随着气流在叶轮的旋转作用下，到达旋风子底部时绝大部分速度极限接近于0 m/s，且在X、Y方向的速度分量已经可以忽略了，因此其沉积在旋风子底部的效果十分明显，除尘效果显著；对于5m的粉尘，由于粒径减小，惯性力的作用也减小，能够沉积在旋风子底部的粒子也相继减小，除尘效果降低。这些现象与理论基本一致。4 结论本文结合旋风子的实际使用情况，选择适当的数学模型，研究了旋风子内特定的气粒两相流动情况，其气相压力场和颗粒相的运动都符合流场定性分析的结果和实际运行情况的特征。（2）利用数值模拟结果，计算出压力损失和过滤效率，并对模拟结果进行比较和分析，以期总结出更好的模拟方法。（3）在本文中所研究的旋风子，如对其叶轮的螺旋角度、筒体高度与直径、叶轮的插入深度、内筒的深度等等进行一系列的变化，模拟出它在不同情况下的压力损失、过滤效率、气粒分离特性，就可为该系列旋风子的改进提供更好的支持。参考文献:1 龚光彩，任中俊，陈可，李孔清，马扬.列车用V型格栅气粒分离特性的数值模拟.铁道学报.2006.8，第28卷第4期.2 谭天佑.梁凤珍.工业通风除尘技术.中国建筑工业出版社.1984:205206.3 吴小林，时铭显.旋风分离器内颗粒运动规律的数值模拟.化工机械.1994，21（6）：3333374 Z.K.Chen（陈在康）,G.F.Tang（汤广发）,G.Y.Li,An experimental study on the aerodynamic and heat-proof characters of the catch-wind double-deck ventilating roof(CWDDVR),Recent advances in wnd engineering, Vol 1,1989.5 AEA Technology plc. CFX 5. 3 Reference Manual. AEA Technology Engineering Software M. 1999 Copyright. 6 Kaftori D, Hetsroni G