雙入口水力旋流器單相流場(chǎng)的數(shù)值模擬-鄒鑫

1、雙入口水力旋流器單相流場(chǎng)的數(shù)值模擬鄒 鑫（常州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 江蘇 常州 213016）摘要：對(duì)DN75型水力旋流器進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，確立邊界條件，基于雷諾應(yīng)力模型( RSM)，采用CFD 軟件FLUENT對(duì)水力旋流器的切向和軸向速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并與理論、實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。關(guān)鍵字：水力旋流器；單相流場(chǎng)；數(shù)值模擬；FLUENT1 前言水力旋流器是一種用途非常廣泛的分離、 分級(jí)、分選的設(shè)備，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用低等特點(diǎn)被廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中。自20 世紀(jì)60年代以來(lái)，許多學(xué)者應(yīng)用N- S 方程以及流體連續(xù)性方程在旋流器的流場(chǎng)、顆粒運(yùn)動(dòng)行為、分離機(jī)理等

2、方面做了大量的工作，建立了許多描述湍流的模型。其中較為成熟的模型有：零方程模型、單方程模型、雙方程模型、代數(shù)應(yīng)力模型和雷諾應(yīng)力模型等，但是受到計(jì)算機(jī)性能的限制，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難，僅限于單一流體的運(yùn)動(dòng)情況。20世紀(jì)80 年代以來(lái)，隨著現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)和計(jì)算與模擬技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值模擬的準(zhǔn)確度和可靠性不斷提高，模擬值與實(shí)際值更為接近。本文采用雷諾應(yīng)力（RSM）模型，對(duì)雙入口水力旋流器的單相流場(chǎng)進(jìn)行模擬，同時(shí)分析其切向速度和軸向速度以及壓力場(chǎng)的分布，對(duì)溢流管外壁與柱段壁面之間的旋渦數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而為更好的分析多相流場(chǎng)，抑制短路流提供參考意見(jiàn)。2 水力旋流器的計(jì)算模型與數(shù)值解法2.1 水力旋流器的計(jì)算模

3、型本文所選用的水力旋流器計(jì)算模型如圖1所示，其主要尺寸為D=Ds=68mm，Di=8.5mm，Do=16mm，Du = 12.5 mm，Ls= 81mm，L= 357 mm，Lu= 4mm，Lo=27mm，= 11.65°。采用FLUENT中的六面體/楔形網(wǎng)格方法劃分網(wǎng)格，共產(chǎn)生194828個(gè)六面體單元，207515個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。圖1 水力旋流器的計(jì)算模型圖2 水力旋流器網(wǎng)格示意圖2.2 邊界條件的設(shè)定邊界條件是控制方程有確定解的前提,控制方程與邊界條件的組合構(gòu)成對(duì)一個(gè)物理流動(dòng)過(guò)程完整的數(shù)學(xué)描述。FLUENT提供了多種邊界條件,本算例具體設(shè)置如下。（1）進(jìn)口邊界：實(shí)驗(yàn)中的進(jìn)口流

4、量為，進(jìn)口條件可以用進(jìn)口切向速度表示為： 根據(jù)以上條件可以計(jì)算出旋流器的進(jìn)口Reynolds 準(zhǔn)數(shù) Re式中d、u分別為進(jìn)口管的水力直徑和速度由此可以看出水力旋流器內(nèi)為強(qiáng)湍流流動(dòng)，湍流參數(shù)為水力直徑，湍流強(qiáng)度。（2）出口邊界：假設(shè)溢流口和底流口的流動(dòng)均是充分發(fā)展的情況，以壓力出口形式給出邊界條件，溢流口和底流口均設(shè)定為與大氣相連通,即相對(duì)壓力為零，即。（3）固壁邊界：固壁邊界按無(wú)滑移邊界條件處理。2.3 數(shù)值求解基于有限差分法，將控制方程轉(zhuǎn)換為可以用數(shù)值方法求解的代數(shù)方程，采用QUICK格式的離散方法，壓力速度耦合采用 SI MPLEC 算法, 壓力插值格式為PRESTO!格式。3 數(shù)值模擬結(jié)

5、果及分析流體的流動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的現(xiàn)象，至今還不能用數(shù)學(xué)來(lái)確切地描述。實(shí)踐中，往往在很多假設(shè)的基礎(chǔ)上解N-S方程，得到近似解，再用試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)修正得到一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)的數(shù)學(xué)描述。旋流器內(nèi)的流動(dòng)是一個(gè)三維不對(duì)稱(chēng)螺旋湍流流動(dòng)，比一般的流動(dòng)更為復(fù)雜，按照流動(dòng)形態(tài)和流動(dòng)區(qū)域的不同也可以把旋流分離器內(nèi)液體的流動(dòng)分為外旋流、內(nèi)旋流、短路流和循環(huán)流。由于認(rèn)識(shí)旋流分離器內(nèi)液體流動(dòng)是了解旋流分離器分離機(jī)理的最基本知識(shí)點(diǎn)之一，所以人們?cè)谶@方面進(jìn)行了大量的理論分析和實(shí)測(cè)研究。迄今對(duì)旋流分離器內(nèi)液相流動(dòng)的三維速度分布已經(jīng)取得了具有共識(shí)性的一致結(jié)論，這些結(jié)論日前已被廣泛接受。但不同尺寸結(jié)構(gòu)的旋流器里面的流場(chǎng)也會(huì)有所不同，以前主要

6、是通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)對(duì)某種用途的旋流器進(jìn)行優(yōu)化，要花費(fèi)大量的人力、物力以及時(shí)間。采用數(shù)值模擬的方法更改一定的結(jié)構(gòu)參數(shù)、操作參數(shù)和物性參數(shù)就可以得到旋流器內(nèi)部流場(chǎng)，再根據(jù)不同類(lèi)型旋流器的不同工作機(jī)理就可以對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)、優(yōu)化。3.1 水力旋流器內(nèi)切向速度的數(shù)值模擬在水力旋流器內(nèi)的三維液流運(yùn)動(dòng)中，切向速度具有最重要的地位。這不僅是因?yàn)榍邢蛩俣仍跀?shù)值上要大于其余兩向速度，更重要的是切向速度產(chǎn)生的離心力是旋流器固液分離的基本前提。一般認(rèn)為，水力旋流器內(nèi)液流的切向速度分布符合準(zhǔn)自由渦規(guī)律，但不同的研究者曾提出不同的數(shù)學(xué)表達(dá)式。在所有描述水力旋流器準(zhǔn)自由渦區(qū)液流切向速度的公式中，以 Bradley 和 Pul

7、ling 根據(jù) Kelsall 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所提出的表達(dá)式最為簡(jiǎn)單，也最為常用式中 C 常數(shù)，與旋流器操作條件及結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān) n 指數(shù)，其數(shù)值一般在 0.40.9之間數(shù)值模擬結(jié)果如圖 3-1所示，為距水力旋流器底部200mm截面處（位于錐段）切向速度分布圖。圖中曲線表示在旋流器的錐段位置上，切向速度與徑向位置的相互關(guān)系。由圖3-1可以得到，切向速度分布大致符合準(zhǔn)自由渦規(guī)律，模擬結(jié)果與前人的理論成果以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖3-2吻合良好；在接近柱體的切向流動(dòng)中，切向速度呈雙峰狀分布，而且隨流動(dòng)在旋流管中向下游的不斷推進(jìn)，逐漸減弱。圖3-1 水力旋流器內(nèi)切向速度的分布示意圖圖3-2 切向速度沿徑向分布的實(shí)驗(yàn)結(jié)

8、果3.2 水力旋流器內(nèi)軸向速度的數(shù)值模擬軸向速度的分布反映了流體向兩個(gè)軸向出口的流動(dòng)情況，影響流體在旋流器內(nèi)停滯的時(shí)間，停滯時(shí)間越長(zhǎng)，越有利于分離。其中溢流管外壁與柱段壁面之間軸向速度分布決定了該區(qū)域的旋渦數(shù)。圖4-1 水力旋流器內(nèi)軸向速度的分布示意圖圖4-2 軸向速度沿徑向分布的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 從距水力旋流器底部340mm截面處（位于溢流管外壁與柱段壁面之間）的軸向速度分布圖圖4可以看到，軸向速度幾乎呈軸對(duì)稱(chēng)分布，由旋流器壁向內(nèi)，隨著半徑的減小，軸向速度逐漸增大，此時(shí)方向?yàn)樨?fù)，朝向底流口，并在某處升高到最大值1.7m/s左右，之后又隨半徑的減小而減小，減小到0 后，繼續(xù)反向增大直至0.5m/s，方

9、向指向溢流口，之后又隨著半徑的減少而增大，直至0.5m/s，方向指向底流口，之后又隨著半徑的減少而減少，減小到0后，繼續(xù)反向增至最大，方向指向溢流口，大小為3.5m/s左右。從圖中可以在溢流管外壁與柱段壁面之間共形成三個(gè)漩渦，靠近溢流管外壁的漩渦方向指向溢流口，可以抑制短路流。通過(guò)數(shù)值模擬得到的軸向速度的分布趨勢(shì)與Kelsall圖4-2得到的分布趨勢(shì)在容器壁附近稍有不同。3.3 水力旋流器內(nèi)壓力場(chǎng)分布的數(shù)值模擬圖5所示為用RSM 模型對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬得到的旋流器內(nèi)x = 0 剖面的壓力等值線分布圖。 從圖5中可以看到，旋流形成的壓力在入口處達(dá)到最大，溢流管附近壓力很小。圖5 剖面壓力等值線分

10、布圖( x = 0)圖6 壓力沿徑向分布圖圖 6 所示為距旋流器底部200mm截面處（位于錐段）x 方向的壓力分布，從圖 6 可以看到，隨著半徑的減小，壓力逐漸降低，在軸心處壓力降到0Pa左右，為壓力最低點(diǎn)，通過(guò)模擬得到的壓力變化規(guī)律與旋流器內(nèi)部周向壓力場(chǎng)分布相一致。 另外，從圖5還可以看到，旋流器中心附近壓力梯度較大，靠近壁面附近壓力梯度較小。4 結(jié)論 本文對(duì)雙入口水力旋流器進(jìn)行了初步的數(shù)值模擬研究，研究使用了 Fluent 軟件，選用 RSM模型，著重分析了旋流器內(nèi)的切向速度場(chǎng)和靜壓力場(chǎng)的分布，得到幾點(diǎn)結(jié)論：(1) 水力旋流器內(nèi)切向速度的模擬結(jié)果與以前的理論成果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，總體的變

11、化趨勢(shì)是從外向內(nèi)逐漸升高，在空氣柱附近達(dá)到最大值，然后以很大的幅度降低，同理論分析中的強(qiáng)制渦和自由渦相對(duì)應(yīng)；(2)水力旋流器內(nèi)軸向速度的模擬結(jié)果與以前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，在溢流管外壁與柱段壁面之間共形成三個(gè)漩渦，靠近溢流管外壁的漩渦方向指向溢流口，可以抑制短路流；（3）運(yùn)用 RSM 模型對(duì)旋流器中的壓力場(chǎng)分布進(jìn)行模擬，與理論壓力場(chǎng)分布相一致；(4) 文章僅對(duì)介質(zhì)為水的水力旋流器流場(chǎng)進(jìn)行了初步研究，但通過(guò)上述工作可以證明，利用計(jì)算流體力學(xué)方法，選取雷諾應(yīng)力湍流模型進(jìn)行旋流器流場(chǎng)的數(shù)值模擬可以得到較為理想的計(jì)算結(jié)果。參考文獻(xiàn)1 李玉星，馮叔初，張勁松. 液液水力旋流器流場(chǎng)數(shù)值模擬技術(shù)研究J. 化工裝備技術(shù), 2000, 21 ( 1) :913.2 李坤，李正興，袁惠新. 單入口水力旋流器內(nèi)速度分布特性的數(shù)值模擬J. 礦山機(jī)械，2006，4.3 褚良銀，陳文梅. 旋轉(zhuǎn)流分離理論M. 北京：冶金工業(yè)出版社，2002.4 徐繼潤(rùn)，羅 茜. 水力旋流器流場(chǎng)理論M. 北京：科學(xué)出版社，1998.5 Kelsall D F. A Study of the Motion of Solid Particle in a Hydraulic Cyclone J.Trans. , Instn. Chem. Eng. , 1952