内置翼片管式静态混合器流场和浓度场的大涡模拟

内置翼片管式静态混合器流场和浓度场的大涡模拟

内置翼状静态混合装置是近年来提出的一种新型在线静态混合设备。与传统的传统静态混合装置相比，它具有流量大、投资少、混合效果好、压力损失小等优点。在相同的混合效果中，压力损失通常仅为传统静态混合装置的1.12倍。近年来，尽管对这种混合装置的研究还处于初步阶段，但该方法主要集中在实验研究上。近年来，虽然有一些关于这种混合装置的数值模拟工作，但使用的诺尔平均方法通常很难准确反映出这种复杂的内流结构。这种结构在混合效果中起着重要作用。随着计算机硬件技术的不断发展,使用湍流高级数值模拟方法解决工程问题已逐渐成为可能.本文采用大涡模拟方法,对3种不同结构尺寸的翼片管式静态混合器的流场和浓度场进行了研究,分别计算和比较了混合效果及压力损失.通过对混合器内部大尺度流动的直接数值模拟,更为准确地展示了此类混合器的流动结构与混合机理.1横向流场均匀布置混合器的结构形式如图1所示,它由圆管和一系列翼片组成,翼片呈梯形,以一定角度附在管道的内壁,每4个翼片组成一排,沿管道圆周方向均匀布置.与其他静态混合器相比,该种混合器可避免大的膨胀和收缩.翼片的排数依据混合效果而定,文中混合器的管道长径比L/D=5,共布置了3排翼片,翼片与管道之间的倾角为45°.3种不同结构尺寸的翼片分别是大翼片、小翼片、长翼片,其结构形式如图2所示,各翼片的参数(H1、H2、H3)值见表1.两排翼片间的距离为管道直径D,由于翼片的空间占有率小于1%,所以在计算中忽略了翼片厚度.2数值模拟2.1网格划分的确定静态混合器剖面的网格划分如图3所示,整体网格划分如图4所示.在采用大涡模拟的方法时,为了满足壁面网格尺度y+≈1的要求,对翼片表面及管道壁面处的网格进行了加密处理.对3种结构尺寸的翼片混合器分别在Re=5000,10000,20000,50000四种工况下进行了计算,网格数范围为583000～974000.2.2浓度输运方程的滤波和自适应识别在大涡模拟中,任意一个瞬时的流动变量A(x,t)的大尺度量,可用其在物理空间区域上的加权积分来表示ˉA(x,t)=∫G(|x-x′|)A(x′,t)dV′(1)A¯¯¯(x,t)=∫G(|x−x′|)A(x′,t)dV′(1)其中权函数G(|x-x′|)也称为滤波函数,其形式为G(|x-x′|)={1Δx1Δx2Δx3,|x′i-xi|≤Δxi20,|x′i-xi|>Δxi2i=1,2,3(2)G(|x−x′|)=⎧⎩⎨1Δx1Δx2Δx3,|x′i−xi|≤Δxi20,|x′i−xi|>Δxi2i=1,2,3(2)式中:xi为任一网格节点的坐标;Δxi为第i个方向的网格尺度.将上述滤波运算用于流动控制方程后,得到∂ˉui/∂xi=0(3)∂ˉui∂t+∂ˉuiˉuj∂xj=-1ρ∂ˉp∂xi+ν∂2ˉui∂xj∂xj-∂(¯uiuj-ˉuiˉuj)∂xj(4)∂u¯i/∂xi=0(3)∂u¯i∂t+∂u¯iu¯j∂xj=−1ρ∂p¯∂xi+ν∂2u¯i∂xj∂xj−∂(uiuj¯¯¯¯¯¯¯−u¯iu¯j)∂xj(4)方程(4)和雷诺方程有类似的形式,右端含有亚格子应力不封闭项ˉτij=-(¯uiuj-ˉuiˉuj)(5)τ¯ij=−(uiuj¯¯¯¯¯¯−u¯iu¯j)(5)若采用Smagorinsky亚格子应力模式,则式(5)变为ˉτij=(CsΔ)2ˉSij(2ˉSklˉSkl)12-13ˉτijδij(6)τ¯ij=(CsΔ)2S¯¯ij(2S¯¯klS¯¯kl)12−13τ¯ijδij(6)式(6)相当于假定亚格子湍涡的尺度等于Δ,亚格子黏性系数νt=(CsΔ)2ˉSij(2ˉSklˉSkl)12νt=(CsΔ)2S¯¯ij(2S¯¯klS¯¯kl)12,利用各向同性湍流的能谱截断可确定系数Cs,本文取Cs=0.1.对浓度扩散输运方程进行滤波运算,可以得到浓度输运的大涡数值模拟方程∂ˉc∂t+ˉui∂ˉc∂xi=a∂2ˉc∂xk∂xk+∂∂xi(ˉuiˉc-¯uic)(7)∂c¯∂t+u¯i∂c¯∂xi=a∂2c¯∂xk∂xk+∂∂xi(u¯ic¯−uic¯¯¯¯¯)(7)ˉuiˉc-¯uic属于亚格子浓度输运,是需要封闭的量,与亚格子动量输运的黏性系数模型相对应,可认为亚格子浓度输运和亚格子动量输运的机制相同,故取ˉuiˉc-¯uic=at∂ˉc∂xi(8)借用分子输运模型,定义亚格子湍流施密特数Sct=νtat来封闭式(8),计算中取Sct=0.6.计算中非稳态时间项采用二阶隐式格式,对流项差分格式采用具有守恒形式的中心差分格式,算法采用SIMPLE算法.2.3加标回用按文献推荐的同心圆方式,对任意两种流体采用比例混合,质量比为13∶87,即完全混合后质量分数应为13%.入口条件按充分发展入口边界条件给出,出口条件按照能够处理有回流条件的压力边界条件给出,壁面条件按照无滑移条件确定.3计算与分析3.1流速场分布取l为由混合器入口到任意断面的长度,图5～图7分别显示了Re=50000、l/L=0.5时小翼片、长翼片、大翼片在时均速度场的剖面,图8～图10则为时均浓度场的计算结果,流动方向由下向上.其他工况的计算结果与Re=50000的计算结果基本相似.从l/L=0.5断面处的时均速度分布可以看出,流体在流经翼片时受到翼片扰动,速度场发生了变化.由于翼片的存在,过流断面的面积减小,流体在流经翼片的过程中在混合器轴线位置附近产生加速流动,部分流体旋转绕过翼片,在翼片背后产生回流,并产生两个逆向旋转的大涡,使得静态混合器轴线位置处的流体向壁面附近流动.从图5～图7可以明显看出:小翼片对于混合器内的流体扰动较小,尤其是对于中心位置高浓度的流体扰动很小;大翼片和长翼片对于整个混合器内流体的扰动均较大,长翼片对混合器中心位置高浓度流体的扰动更为强烈,而大翼片则对混合器壁面区域附近流体的扰动较大,在翼片后部所形成的涡也较大.3.2大翼片和大翼片之间的混合机理从图8～图10的浓度场分布来看,由于小翼片对流场中心位置扰动比较小,中心区域的高浓度流体仅有很少一部分流向壁面,以至于出口位置的浓度分布与进口的相差不大,混合效率低下.长翼片的浓度场分布表明,翼片的存在能有效地驱使混合器轴线位置的高浓度流体流向壁面.从混合机理上来说,这无疑增大了高浓度流体与低浓度流体的接触面积,增强了混合效果.此外,由于长翼片细长,已延伸至静态混合器管道径向的0.33D处,使得在混合器的中心处和翼片附近速度梯度增大,剪切作用明显,湍流强度增强,对混合产生了积极的作用,因此在出口处两种流体已经基本混合均匀.大翼片对流场中心位置的扰动比小翼片强,但比长翼片弱.由于大翼片的尺寸相对较大,故在混合器内也形成了较大的扰动.从出口处的浓度分布来看,对于整个静态混合器的混合效果,大翼片比长翼片略差,但比小翼片明显要好.3.3局部阻力系数图11和图12给出了Re=5000,20000时静压沿混合器轴线的分布情况,从图中可以清楚地看到静压的变化趋势:当流体流经第1排翼片时,压力急速下降,这是由于翼片的存在减小了过流断面的面积,使流动在这个区域加速;流体在第1排与第2排翼片之间时,由于过流断面面积增大,流速减小,压力又得到了部分恢复.这一现象在流体流经第2排和第3排翼片时反复出现,其他Re下也有相似的结果.从数值模拟所得到的定量结果来看,小翼片压力损失最小,长翼片压力损失其次,大翼片压力损失最大.经过计算得到的局部阻力系数分别为:小翼片ξs=0.52;长翼片ξl=2.31;大翼片ξb=3.