基于大渦模擬的旋風(fēng)分離器錐體結(jié)構(gòu)影響研究.pdf

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1、第35卷第1期東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)V01．35．No．12015年2月JournalOfNortheastDianliUniversityFeb．，2015文章編號(hào)：1005—2992(2015)0卜0030—07基于大渦模擬的旋風(fēng)分離器錐體結(jié)構(gòu)影響研究高聚，王韶韻(中機(jī)國(guó)能電力工程有限公司，上海200061)摘要：采用數(shù)值模擬方法比較研究?jī)煞N幾何尺寸旋風(fēng)分離器內(nèi)流場(chǎng)和顆粒運(yùn)動(dòng)。對(duì)單相流場(chǎng)采用湍流各向異性的大渦模型(LargeEddySimulation)，對(duì)氣、固兩相流場(chǎng)采用相間耦合的隨機(jī)軌道模型。研究錐

2、體下口直徑對(duì)旋風(fēng)分離器速度分布，壓力分布，和對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的影響，為進(jìn)一步研究旋風(fēng)分離器的分離機(jī)理理論及實(shí)驗(yàn)研究打下基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：旋風(fēng)分離器；大渦模擬；離散相模型；流場(chǎng)中圖分類號(hào)：TK124文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A旋風(fēng)分離器在工業(yè)中是常用的分離、除塵設(shè)備，是利用氣固兩相流體旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力使固體顆粒從氣流中分離出來(lái)的裝置。旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)是極其復(fù)雜的三維強(qiáng)旋轉(zhuǎn)湍流，伴隨著兩相分離運(yùn)動(dòng)，且涉及到現(xiàn)代流體力學(xué)中尚未解決的難題，使得理論研究相當(dāng)困難。隨著計(jì)算流體力學(xué)不斷的發(fā)展和計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的不斷提高，旋風(fēng)分離器的設(shè)

3、計(jì)水平和質(zhì)量有所提高，使深人研究旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)成為可能。旋風(fēng)分離器內(nèi)部是三維強(qiáng)旋、具有明顯各向異性湍流的特點(diǎn)J，文獻(xiàn)[3—6]采用大渦模型對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，數(shù)值結(jié)果符合理論預(yù)測(cè)，文獻(xiàn)[7]采用大渦模型對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。1數(shù)學(xué)模型筆者聯(lián)合質(zhì)量守恒方程、N-S方程和大渦旋控制方程，在拉格朗13坐標(biāo)系下應(yīng)用相間耦合的離散相模型對(duì)風(fēng)分離器內(nèi)氣固流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。對(duì)兩種不同錐體下口直徑旋風(fēng)分離器內(nèi)流場(chǎng)，顆粒分布及運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行比較分析，為旋風(fēng)分離器的高效低阻

4、設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。2數(shù)值模擬2．1幾何模型模擬采用的旋風(fēng)分離器幾何模型結(jié)構(gòu)如圖1，其基本結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)見(jiàn)表1。本文對(duì)兩種不同錐體下口直徑的旋風(fēng)分離器進(jìn)行分析。旋風(fēng)分離器的幾何結(jié)構(gòu)收稿日期：2014—1l_25作者簡(jiǎn)介：高聚(1982一)，男，吉林省吉林市人，中機(jī)國(guó)能電力有限公司助理工程師，碩士，主要研究方向：氣固兩相流的理論和應(yīng)用．第1期高聚等：基于大渦模擬的旋風(fēng)分離器錐體結(jié)構(gòu)影響研究3l2．2網(wǎng)格劃分表1旋風(fēng)分離器模型的幾何參數(shù)(mm)采用Gambit2．2．30軟件進(jìn)行三維分區(qū)組合網(wǎng)格處理，使模型能夠

5、針對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)流場(chǎng)的特性，進(jìn)行區(qū)域離散化，將計(jì)算域劃分為進(jìn)口段、出口段、環(huán)形空間、圓柱段分離空間和其余部分五個(gè)子域，生成多塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分如圖2所示。2．3控制方程和邊界條件2．3．1控制方程所有流動(dòng)問(wèn)題都首先需要滿足質(zhì)量守恒定律與動(dòng)量守恒方程(N-S方程顆粒運(yùn)動(dòng)方程)：+蠹(，(1)去()+毒()一蚩+蠹(一p+毒詈+薏一]，c2，式中：P為流體密度；為流體速度。應(yīng)用大渦模型對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)復(fù)雜的三維強(qiáng)旋轉(zhuǎn)湍流流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬。將Ⅳ一S方程在波數(shù)空?qǐng)D2旋風(fēng)分離器數(shù)值模型網(wǎng)格劃分間或物理空間進(jìn)行過(guò)

6、濾得到大渦模擬的控制方程m】：業(yè)+螋，(3)OtOx去cp+毒cp毒一考一善，4為分子粘性而產(chǎn)生的應(yīng)力張量：警+專，㈩亞格子(Sub—gridScale，SGS)應(yīng)力，需要封閉模型：=pu一~ui—p‘百，(6)對(duì)于渦粘模型，丁與濾波后的應(yīng)變速率張量關(guān)系式：一：一(7)，其中，／．e為亞格子渦粘系數(shù)，=(薏+，㈦在計(jì)算時(shí)，采用Smagorinky—Lily模型，=J口ll，為網(wǎng)格的混合長(zhǎng)度，lf=。在nuent中L：min(K，C11，其中K為yonKdrmdn常數(shù)，d為到最近的壁面的距離，為計(jì)算單元3

7、2東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)第35卷的體積，在計(jì)算時(shí)取C=0．1_1。2．3．2控制方程的離散控制方程的對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式離散，壓力方程的差分格式為PRESTO!，采用SIMPLEC作為壓力速度耦合求解方式。2．3．3邊界條件(1)氣體密度P=1．205kg／m，氣體黏度／J=18×10N／m，人El氣速30m／s；人口湍流強(qiáng)度，=3．9％和水力直徑DH=0．543m；(2)排氣口邊界：假設(shè)各變量的法向梯度為零，即出口處湍流流動(dòng)為充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)；(3)排塵口邊界：假設(shè)排塵口位置的氣流流通量為零；(4)固壁邊界：

8、壁面設(shè)置為無(wú)滑移邊界，壁面粗糙度默認(rèn)為0．5。湍流計(jì)算應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法。2．4數(shù)值解法采用包括LES模型，SIMPLEC算法，QUICK和PRESTO壓力插補(bǔ)格式等數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)兩種旋風(fēng)分離器進(jìn)行比較分析。3模擬結(jié)果分析模擬結(jié)果符合文獻(xiàn)'¨中的實(shí)測(cè)結(jié)果：切向速度呈分布呈雙渦分布，以其最大值為界，分為準(zhǔn)自由渦和準(zhǔn)強(qiáng)制渦；軸向速度以零軸速包絡(luò)面為界，分為下行流和上行流。筆者在排氣管下分離空間內(nèi)，根據(jù)不同旋風(fēng)分離器錐體下口直徑對(duì)氣相流場(chǎng)速度、內(nèi)