259 横向气流和障碍物对锥面射流作用下吸气流动影响的数值模拟研究

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1、横向气流和障碍物对锥面射流作用下吸气流动影响的数值模拟研究沈阳建筑大学贾瑜林豹摘要：传统排风罩（接受罩除外）仅以吸气流作为控制气流，随着控制点距离增大气流吸入速度衰减极快，有效作用距离短。新型的Aaberg排风罩以射流作用下吸气流动作为控制气流，完全克服了传统排风罩的缺点，不但作用距离远，且吸气具有定向性。锥面射流作用下吸气流动，是吹气流从锥面排风罩的喇叭型条缝喷口射出，和吸气流迭加形成的吸气流动。本文利用CFD对锥面射流作用下的吸气流动进行数值模拟，研究了横向气流和障碍物对锥面射流作用下吸气流动的影响。关键词：Aaberg排风罩；锥面射流；吸气流动；数值模

2、拟0引言Aaberg排风罩：在吸风口增加一射流装置，利用射流与吸气流的新型结合，形成射流作用下的吸气流动，此气流控制方式是由丹麦制造商C.P.Aaberg首先提出，故将采用该种控制气流的排风罩称为Aaberg排风罩。在这种新型控制气流中，整个控制气流是以吸气流为主。射流一方面起到屏蔽作用，使吸气流控制在一定空间区域内，另一方面射流的卷吸作用在吸气区域生成射流诱导流，并与吸风口的吸气流复合而成Aaberg气流。Aaberg排风罩最显著的特点是沿着吸风口轴线的气流速度衰减慢，控制距离远，吸气具有定向作用，且排风量小，不影响工艺操作。在实际应用中经常碰到有横向气流

3、和各种障碍物的情况，通过对横向风速和障碍物对锥面射流作用下吸气流动影响的研究，对三维锥面Aaberg排风罩在实际应用中有更深入的了解，不但对污染物的控制与捕集更有效、节能，而且安装与操作也很方便。1锥面射流作用下吸气流动的数值模拟及验证应用FLUENT软件，采用两方程模型与连续性方程、动量方程组成控制方程组，有限体积法对方程离散，SIMPLE算法，选取少数工况对锥面射流作用下吸气流动的速度场进行数值计算，并与实验方法得到的速度场进行对比，验证数值计算方法的正确性。1.1模拟对象模拟对象是一个锥形Aaberg排风罩，计算区域为一个半径1.5m的球体，锥形Aab

4、erg排风罩位于整个计算区域的中心，尺寸与实验设备相同，罩下连接风管。1.2模拟过程1.2.1数值计算方法具体方法如下：（1）对计算区域采用四面体网格进行划分，为了改善网格质量，对网格进行光顺与交换单元面并对网格进行局部细化，喷口处是25mm*25mm,其他网格为85mm*85mm,共有近共有近200000个节点；（2）应用SIMPLE方法求解动量方程，结合壁面函数法求解方程和其它控制方程；（3）由于各个变量之间的强烈的非线性耦合关系，在求解过程中采用欠松弛技术以避免发散；（4）流动方程的收敛准则为。1.2.2边界条件的处理（1）入口边界：排风罩喷口设置为质

5、量入口边界。（2）出口边界：吸气口边界设置为速度出口边界条件，计算域外围设置自由流出口（3）固体壁面其他未提及面设置为壁面，壁面设为无滑移边界条件，壁面是光滑的，所以其粗糙度的厚度值为零。值取来流入口动能的0.5％~1.5％计算；(3-1)入口截面上的为：(3-2)其中：u——入口平均流速l——湍流长度尺度，l=0.07L,L为水利直径1.3数值模拟的结果与实验结果比较本文排风罩尺寸有多种组合，其中吸气口直径保持300mm不变。模拟了排风罩喷口宽度11mm,吸气量800m3/h，三种轴向倾角工况下的轴线速度，工况如下：表1-1工况工况ABC轴向倾角60°60

6、°80°射流量（m3/h）0688352数值模拟方法选择的是否合理，所得结果是否正确必须通过实验验证。对各工况进行实验测量，然后对实验数据进行相应的整理与分析，将其与模拟的结果进行对比分析，验证数值模拟的正确性。1.3.1吸气流动的轴线速度的比较图1-1A工况下模拟值和实验值对比图1-2B工况下模拟值和实验值对比图1-3C工况下模拟值和实验值对比1.3.2临界射流量比较射流作用下吸气流动的临界射流速度有上、下两个临界射流速度。本文的锥面射流作用下吸气流动的临界射流速度取下临界射流速度。定义为：在锥面Aaberg排风罩的定型尺寸、喷口宽和吸气量一定，且射流的初

7、始射流速度足以形成Aaberg效应的前提下，逐渐降低射流的出口速度，直至降低到某一速度值，射流轴线刚好不弯曲，此时的射流出射速度为下临界射流速度。实验所得临界射流速度如下：图1-4临界射流量模拟值和实验值比较由各个图表可以看出，临界射流量模拟值均小于实验值，轴线吸气速度模拟值均大于实验值出现这种状况主要因为：实测时，由于实验条件的限制及环境气流的影响，室内的空气有一定的流速，数值模拟时，不存在这种影响；另一方面，在进行数值模拟的时候，本身得出的解不是精确的解，在计算过程中都作了近似的处理，必然会导致一系列的误差。综合看来，数值模拟所得的轴线速度曲线与实验所得

8、的轴线速度曲线变化规律相同。1.3.3吸气流场的速度