孔板后流場的數(shù)值模擬研究

1、孔板后流場的數(shù)值模擬研究郭婷婷，鄒曉輝，王坤玉 (東北電力大學能源與機械工程學院，吉林省 吉林市 132012)摘 要：本文采用基于雷諾時均N-S方程標準k-紊流模型結(jié)合SIMPLE算法對夾角150°正六邊形孔、180°圓孔和150°圓孔孔板的擋風特性進行了數(shù)值研究；對三種板型在Re=2.34×105時的速度場進行了比較，結(jié)果表明：在開孔率相近的情況下，各種板型板后附近都會有回流出現(xiàn)，夾角150°、正六邊形孔孔板板后的回流區(qū)沿主流方向會逐漸消失，速度也將達到一個比較穩(wěn)定的數(shù)值；結(jié)果表明：夾角150°正六邊形孔孔板的擋風效果最好。關(guān)鍵詞

2、：紊流模型；數(shù)值模擬；開孔率；回流Numerical simulation on the shelter effect of porous wind fencesGuo Tingting, Zou Xiaohui, Wang Kunyu (Department of Energy and Mechanical Engineering, Northeast Dianli University , Jilin 132012, Jilin Province, China; )ABSTRACT: Numerically simulation was performed to investigate t

3、he shelter characteristic of the shelter effect of porous wind fences which angle ()of 150°and 180°,hole shape of round and hexagon, using control volume method and standard k- model, integrated with SIMPLE algorithm. The velocity field of three fences at the same Re=2.34×105 have bee

4、n compared. The results suggest that as the close porosity, there was re-circulating flow region at downstream behind the fences, along with stream-flow, the re-circulating flow region of the angle ()of 150°and hexagon hole fences would disappear gradually and the velocity trended to a fix valu

5、e. The conclusion was that the angle =150°and hexagon hole fences had better shelter characteristic than others.Key word: turbulence model; numerically simulated; porosity; re-circulating flow引言近二十多年來，日本、美國、澳大利亞、英國、新西蘭等國都對孔板后流場進行了研究，其中日本將孔板用于港口露天煤堆場的防塵抑塵工程，其它方面的研究還包括孔板對抑制土壤起塵、飛雪和飛沙也有研究1-3，Bofah

6、和Alhinai4 研究孔板對流沙的防治，Lee5-8等人對POSCO露天煤堆安裝的孔板、流體流過孔板后有三角菱形物體的流場進行了數(shù)值模擬、風洞監(jiān)測孔板后沙粒的運動軌跡和實驗測量孔板后速度和湍動能場進行了研究，Kim9等人研究了在開孔率相同的情況時孔開孔率相同的情況時孔徑對尾跡區(qū)流動特性的影響，Park10作者簡介：郭婷婷（1973），女，博士，副教授，研究方向：葉輪機械內(nèi)部流動的空氣動力學和計算流體力學。等人研究了孔板對底部有間隙和不同開孔率情況下板后三角菱形物體表面壓力的影響。 本文采用基于雷諾時均N-S方程、標準k-紊流模型結(jié)合SIMPLE算法對不同工況下的孔板進行數(shù)值研究，并與實驗結(jié)果

7、進行比較。許多的學者在不同的研究方面運用了雷諾時均N-S方程、標準k-紊流模型來研究問題11-14。1物理模型和數(shù)值計算方法及邊界條件1.1幾何模型本文的幾何模型如圖1所示，其上設(shè)有正阻風面（101），側(cè)阻風面（102）；側(cè)阻風面（102）與正阻風面（101）形成角（如圖2所示），角為150°；側(cè)阻風面（102）上有通風孔（103），正阻風面（101）上有通風孔（104）。本文幾何模型的尺寸為長1400mm，寬40 mm，高875 mm，正阻風面的寬度為80 mm，側(cè)阻風面的寬度為150 mm，正阻風面底面開2排內(nèi)切圓直徑為25 mm的六邊形大孔，側(cè)阻風面上開8排內(nèi)切圓直徑8 mm的

8、六邊形小孔，開孔率18.79，開孔率關(guān)系式如下：×100式中：Ah開孔孔總面積； Ab板的總面積。圖1 幾何模型示意圖圖2 夾角Z101102102103104UXY103 1.2.1數(shù)值計算方法及邊界條件本文采用標準 k-紊流模型，通用控制方程的離散采用控制容積法，對流項差分格式采用二階迎風，流體壓力-速度耦合基于SIMPLE算法。根據(jù)幾何模型的特點，邊界條件包括主氣流速度入口邊界條件、壓力出口邊界條件、壁面為無滑移壁面。主氣流速度入口邊界， ， 壓力出口邊界給定沿流動方向各參數(shù)的一階導數(shù)等于零 Z/H孔103X/H圖3網(wǎng)格局部圖 孔104 1.2.2網(wǎng)格的劃分根據(jù)孔板幾何模型的特

9、點,使用一套網(wǎng)格計算比較困難,本文將計算區(qū)域分為若干個子區(qū)域,由于氣流流過孔板后擾動加劇,并存在回流現(xiàn)象,所以本文對孔板附近區(qū)域進行了網(wǎng)格局部加密,在孔板孔103部分采用楔形網(wǎng)格,在開孔104部分采用三角形網(wǎng)格,在板101未開孔部分采用三角形網(wǎng)格,板102未開孔部分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,板的網(wǎng)格劃分如圖3所示混合網(wǎng)格數(shù)目為263940個。數(shù)值計算值實驗值u/UY/H圖4 數(shù)值計算與實驗值的比較2計算結(jié)果的分析和討論2.1數(shù)值模擬與實驗值的比較文獻9中對夾角180°，圓孔，開孔率為20，Re=8360的孔板進行了實驗研究，本文對相同條件下的孔板做了數(shù)值模擬。圖4給出了X/H=1時實驗和數(shù)值模

10、擬的速度分布，主流方向為X軸方向，板高方向為Y軸方向，u是流向速度，U是主流入口平均速度, H為孔板高，從圖中可以得到數(shù)值計算的結(jié)果和實驗結(jié)果吻合較好，發(fā)展趨勢基本相同，平均誤差為25.7%，結(jié)果表明：數(shù)值計算的結(jié)果是可靠的。2.2三種板型數(shù)值計算結(jié)果的比較表1給出了三種板的板型及板型參數(shù)：表1：孔板類型和板型參數(shù)孔板類型夾角孔型開孔率Re文獻9中的孔板：板180圓孔202.34×105國內(nèi)常用孔板：板150圓孔17.04%2.34×105新型孔板：板150正六邊型孔18.79%2.34×105圖5為三種板型在X/H=1時X軸方向上的速度分布，從圖中可以得到板和板

11、在X方向上的速度分布曲線基本一致。在Y/H在00.2之間時，板后u/U范圍在00.5之間，板后u/U范圍在-1.2 -0.9之間，板的u/U范圍在-0.85-0.7之間，速度值都大于板的速度值；在Y/H范圍為0.40.9之間時，板的u/U范圍在-0.20.2, 板和板的u/U范圍在-0.70.5，板、板和板后都會有回流出現(xiàn)，相比之下板后的回流不太明顯，結(jié)果表明：在X/H=1、X軸方向上板的擋風效果最好。圖6是三種板型在X/H=1時Z軸方向上的速度分布，從圖中可以得到Y(jié)/H的范圍在01時，板的v/U范圍在-0.00010.00062之間，板的v/U范圍在-0.00090.0011之間，板的v/U

12、范圍在-0.000670.00062之間，這幾種板型都出現(xiàn)了反向速度，但板的v/U正值最小，負值最大，結(jié)果表明：在X/H=1、Z軸方向上板的擋風效果最好。圖7是三種板型在X/H=1.5時X軸方向上的速度分布，從圖中可以得到Y(jié)/H在00.2之間時，板的u/U范圍在0.250.9之間，板的u/U范圍在-1.4-1.2之間，板的u/U范圍在-1-0.8之間，當Y/H在0.20.9之間時板的u/U數(shù)值達到一個比較穩(wěn)定的狀態(tài)，不再變化，為0.25左右，即速度達到一個比較穩(wěn)定的狀態(tài)，板和板的u/U范圍在-0.850.5之間，有回流現(xiàn)象存在，板在這個區(qū)域不再有回流，速度也較小，結(jié)果表明：在X/H=1.5、X

13、軸方向上板的擋風效果最好。圖8是X/H=1.5時Z方向上的速度的分布圖，從圖中可以得到，板的v/U范圍在-0.000440.00028之間，板的v/U的范圍在-0.000280.00022之間，板的v/U范圍在-0.000150.00025之間,結(jié)果表明：在X/H=1.5、Z軸方向上板的擋風效果最好。比較圖5和圖7，從圖中可以得到，隨著孔板后流場的發(fā)展，板的Y/H在0.20.9之間時，u/U將趨近一個定值，結(jié)果表明：流場趨于穩(wěn)定；在圖5中有回流現(xiàn)象，但在圖7中不再回流現(xiàn)象，板和板的u/U的變化趨勢不太明顯，結(jié)果表明：板的回流現(xiàn)象逐漸消失，板和板的回流現(xiàn)象一直存在。比較圖6和圖8，我們可以得到，

14、圖8中板v/U的負值最小值小于圖6中負值最小值，圖8中板v/U的正值最大值小于圖6中正值最大值，板和板v/U的負值和v/U的正值成減小的趨勢。3結(jié)論(1)夾角180°、圓孔孔板，Re=8360時的數(shù)值模擬得出的結(jié)果與實驗值吻合的較好，結(jié)果表明：數(shù)值計算的結(jié)果是可靠的。(2)夾角150°、正六邊形孔孔板風速的變化沿主流方向逐漸趨近于一個穩(wěn)定值，其它兩種板型則會維持一個比較穩(wěn)定狀態(tài)，局部風速沒有明顯的變化。(3)當風通過夾角150°、正六邊形孔孔板，會有回流現(xiàn)象出現(xiàn)，沿主流方向，回流逐漸消失。圖6 三種板型在Z軸方向上v/U的速度分布v/UY/H150度、圓孔150度

15、、正六邊型孔180度、圓孔150度、圓孔150度、正六邊型孔180度、圓孔u/UY/Hv/UY/H150度、圓孔150度、正六邊型孔180度、圓孔圖7 三種板型X/H1.5時的u/U分布圖8 X/H1.5時Z方向上v/U的速度分布u/UY/H150度、圓孔150度、正六邊型孔180度、圓孔圖5 三種板型在X/H=1時X方向上的u/U分布(4)在開孔率相近的情況下，夾角150°、正六邊形孔孔板的擋風效果好于其它兩種板型的擋風效果。參考文獻：1 D.A. Gillette. On the production of soil wind erosion aerosols having th

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