湍球塔气体流动的数值模拟

湍球塔气体流动的数值模拟 0 前言 用湍球塔进行烟气脱硫 其脱硫效率在很大程度上取决于塔内发生的流体 力学行为 通过前一阶段的实验发现 空塔气速分布 支撑板 挡板 漩流板 的压 降及塔的总压降对湍球塔的高效连续运行有直接影响 这些参数是湍球塔最基 本的特性参数 反映出塔板结构的合理性及操作过程中所需消耗的能量 1 2 为 减少实验次数并更详尽地了解湍球塔内气体流动状况 很有必要对湍球塔内的 气体流动进行数值模拟 1 方法简介 计算流体力学 简称 CFD 是 20 世纪 60 年代伴随计算机技术迅速崛起的学 科 CFD 的应用使实验次数减少 节省了大量资金和时间 并能解决某些由于 实验技术所限难以进行测量的问题 它是研究各种流体现象 设计 操作和研 究各种流动系统和流动过程的有利工具口 所以 尝试采用这种方法进行湍 球塔内的气体流动模拟 分析塔内的气速分布及压力损失 为湍球塔的优化设 计提供依据 目前国外有很多发展成熟的商业 CFD 软件 这些软件一般包括 3 个主要部 分 前处理器 解算器 后处理器 现采用 Fluent6 0 进行计算 它的解算器 采用完全的非结构化网格和控制体积法 适用于低速不可压流动 跨音速流动 乃至可压缩性强的超音速和高超音速流动等各种复杂的流场 也完全适合于湍 球塔内的气体流动模拟 2 几何建模与网格划分 在 Fluent 中 求解区域是用网格分割成有限个控制体 ControlVolumes CVs 同有限差分不同的是 网格为控制体积的边界 而不 是计算节点 为保证守恒 CVs 必须是不重叠的 因此网格生成质量对计算精 度与稳定性影响极大 在几何形状复杂的区域上要生成好网格也是相当困难的 现采用 Gambit2 0 进行几何建模与网格划分 该软件包含全面的几何建模 能力和功能强大的网格划分工具 可划分出包含边界层等 CFD 特殊要求的高质 量的网格 三维几何模型的建立及网格划分在整个模拟过程中是非常重要也是 非常困难的一步 图 1 为用 Gambit2 0 建立的湍球塔三维几何模型 基本上与实际实验装置 在尺寸及结构上完全一致 仅湍球层塔板间距比实验装置中的间距要短些 实 验装置中湍球层塔板间距为 1 5 m Gambit2 0 建立的湍球塔几何模型中湍球 层塔板间距为 0 5 m 这主要是从减少生成网格数量和运算时间的角度考虑 且这样简化对不模拟湍球层小球的情况并没有影响 由于实验装置为一塔设备 支撑板 挡板及漩流板的结构较复杂 且都存 在极小的截面尺寸 这对网格的整体划分带来很多困难 图 1 所示的湍球塔模 型总高 2 85 m 塔径 0 4m 最大截面尺寸为 1 m 最小截面尺寸仅为 0 004 m 为保证几何形状复杂且截面尺寸较小的几块塔板的网格质量 在尝 试了多种方法后 利用 Gambit2 0 的网格自适应功能 对截面尺寸大的地方先 用大尺度进行面网格划分 然后对整体用适合于最小截面尺寸处的小尺度进行 划分 总共生成体的数量为 206 550 个 图 1 Gambit 建立的湍球塔几何模型 3 在 FI uent 中边界条件的设置及求解 为使问题简化 便于计算及边界条件的设置 对湍球塔内的气体流动作了 以下几点假设 假设一 流体的各运动参数与时间无关 将流体流动看作定常 流动 假设二 因为是冷态实验 所以认为整个模拟过程为等温过程 假设三 湍球塔内的气体流速较低 其 Ma 0 3 所以在数值模拟时 将湍球塔内的气 体流动看作不可压缩流动 在以上假设的基础上 F1uent 中边界条件的设置主要涉及以下方面 1 定义所求解的模型方程 Fluent6 0 中提供了以下湍流模型 Spalart Allmaras 模型 标准 k e 模型 标准 k 一 模型 但没有一个湍流模型对所有 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 精度要求 计算机的能力及时间的限制 Spalart Allmams 模型是设计用于航空领域的 主要是墙壁束缚流动 且已 显示出很好的效果 在透平机械中的应用也愈加广泛 标准 k e 模型是最简单且完整的湍流模型 它是 2 个方程的模型 要解 2 个变量 即速度和长度 在 Fluent 中 标准 k e 模型自从被 Launder 和 Spalding 提出后 就变成工程流场计算中主要的工具了 适用范围广 经济 合理的精 度 这就是它在工业流场和热交换模拟中有广泛应用的原因 这是个半经验的 公式 是从实验现象中总结出来的 标准 k 一 I 模型是基于 Wilcoxk 一 1 模型 是为考虑低雷诺数 可压缩性 和剪切流传播而修改的 wilcoxk 一 1 模型预测了自由剪切流传播速率 像尾 流 混合流动 平板绕流 圆柱绕流和放射状喷射 因而可应用于墙壁束缚流 动和自由剪切流动 考虑湍球塔内的气体流动状况及以上的 3 点假设 本文选取了标准 k e 模 型 标准 k e 模型的方程包括湍流动能方程 k 和扩散方程 e 方程 1 2 中 G 表示由层流速度梯度而产生的湍流动能 C 是由浮力 产生的湍流动能 y 由于在可压缩湍流中过渡的扩散产生的波动 C c2 C 是常量 盯 k 和 是 k 方程和 e 方程的湍流 Prandtl 数 S 和 s 是用户定义的 方程中的 M 为湍流速度 由式 3 确定 模型常量 C1 1 44 c2 1 92 G 0 09 crk 1 0 矿 1 3 Fluent 中这些常量是从试验中得来的 包括空气 水的基本湍流 这些 常量对于大多数情况是适用的 用户可在粘性模型面板中修改 本文在计算时 均选取默认值 2 定义流动介质属性 实际操作时是用空气进行实验 所以在 Fluent 中把 流体性质也定义为空气 空气的各物性参数取默认值 3 定义边界条件值 在 Gambit 中已定义好压力入口及压力出口 在 Fluent 中找到相应的面 根据不同的实验工况 定义出总压 静压及入口的坐标方向 Fluent 本身会在初始化时自动计算出入口速度值 4 定义松弛因子和离散方程的格式 F1uent6 0 采用压力校正法 SIMPLE 法 作为其低速计算模块 同时也提供其他算法 如 SIMPLER SIMPLEC 和 PISO 等 选取 SIMPLE 法 压力 动量 能量 密度方程的松弛因子均取默认 值 5 定义收敛精度 Fluent6 0 中默认的收敛精度为 10 经多次计算结果 与实验结果对比 并考虑节省计算时间 取连续性方程的收敛精度为 104 6 计算 把迭代次数设为 1 000 计算到 396 步即收敛 4 计算结果 图 2 为空塔气速分布曲线 该工况进风管处静压为 1 000Pa 全压为 1 118 Pa 塔内气速数据是用烟道分析仪在湍球层顶部沿塔径方向的 9 个测点依次测 得 图 3 为用 Fluent 在和实验工况完全相同的边界条件下计算出的塔内气速分 布 通过对比可看出 在塔径 一 0 05 0 05 范围内 Fluent 模拟数据与实 验数据吻合较好 在 一 O 20 一 0 05 及 0 05 0 20 范围内误差较大 这主要是由实验装置中粗糙的璧面及开孔对靠近璧面处的气体流动有较大影响 而模型中的璧面是完全理想化的也没有开孔的影响 塔径中心处的速度波谷是 由其上部的莲蓬头 见图 1 造成的 气体通过塔板的压降是塔板的主要流体力学特性 它不仅影响塔板的操作 还决定塔内轴向压力分布和全塔压降 表 l 给出不同工况下总压降 支撑板 挡板 漩流板实验值与模拟值的对比 通过对比可发现 最大误差为 155 8 最小误差仅为 2 4 个工况的总压降平均误差为 26 6 最小的 误差在挡板处 较大的误差都是发生在漩流板处 主要是由于档板结构较简单 但旋流板结构非常复杂 旋流板处的气流变化较大 造成在数据测量时产生一 定的误差 参考文献 1 李爱民 楚华 魏励宏 等 湍球塔脱硫的冷态试验研究 J 中国电力 2002 36 2 57 59 2 楚 华 李爱民 魏励宏 等 脱硫湍球塔阻力特性试验及因次分析 J 环境工程 2003 增刊 140 143 3 吴子牛 计算流体力学基本原理 M 北京 科学出版社 2001 4 美 WF 休斯 JA 布赖顿 流体力学 M 麦格劳一希尔教育出版集团 北京 科学出版社 2002 5 P JWitt JHPerry MPSchwarz A numericalmodelforpredictingbubble formation in a 3D Fui dized bed J Applied MathematicalModelling 1998 22 1071 10