弯管内小尺度颗粒运动的数值模拟与分析new

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1、第31卷第2期四川兵工学报2010年2月【制造技术】弯管内小尺度颗粒运动的数值模拟与分析许峰，王彤，傅耀(上海交通大学动力机械及工程教育部重点实验室，上海200240)摘要：针对直升飞机进1：3惯性粒子分离器中小尺度固体颗粒的分离难点，从惯性粒子分离器中流道的结构形式出发，使用FLUENT和EDEM软件耦合，细致分析弯曲通道扇角为30。、60。、9O。及110。和不同速度条件下方截面弯管流场中的气固两相流动和小尺度颗粒(10m级)运动规律．根据数值计算结果，得到了小尺度固体颗粒沿弯管随气流运动的规律，并给出弯管出1：3截面上颗粒浓度分布判别指标

2、．计算结果显示，当颗粒密度(2600kg／in)和颗粒直径(1Om)一定，随着扇角的增加，颗粒将会聚集在弯管出口外壁，即越容易分离；同时气流速度越大，弯管出口截面外侧壁面的聚集程度越高．颗粒在流动截面的固定区域聚集，形成局部高浓度区域，可以为小尺度颗粒的分离提供依据．关键词：直升飞机发动机；EDEM；小尺度颗粒；弯管；气固流动中图分类号：V11文献标识码：A文章编号：1006—0707(2010)02—0074—04直升机由于常常近地面飞行，地面尘土、砂石、杂草及故压力损失小，同时设备成本及维护费用低、易于安装调冰雪等杂物不可避免地随着空气被吸

3、入发动机，导致直升节．本文中以其为研究对象，将其结构进一步简化为弯曲机发动机叶片损坏、功率降低、机动性变差等，直接影响直通道，并针对不同弯曲扇角通道分析不同气流速度下，小升机的综合能力和飞行安全．为了保护发动机，必须对直尺度颗粒(10m)的运动特点进行细致分析．升机加装进气防护装置”J．目前直升机进气防护装置主要有阻拦式过滤器和惯性粒子分离器2类．对于大尺度固体颗粒往往可以通过筛网或惯性作用实现有效的分离，分离效率可以达到96％以上，但是对于小尺度颗粒，如10m级的颗粒，由于惯性小、流动跟随性好，分离效率往往低于60％．这些小尺度的颗粒随气流容

4、易进人发动机内部，易粘附于叶片表面，破坏转子动平衡，或者堵塞油孔和密封，引发事故．因此小尺度颗粒的分离问题对于粒子分离器而言，同样是不容忽_Z．nsine．_C．_e．n_t．re．_L．in．e_．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．视的．图1o0发动机分离器示意图RAH一66直升机的LHTEC公司的的0o发动机以无预旋叶片惯性粒子分离器为标准配置，其流动通道的结构形式如图1所示．含尘空气由进口流道流入，通过弯曲的流动通道，小部分含有大量固体颗粒的气体在弯道惯性作用下流向清除流，由清除风机排出，而仅带有微量颗粒的大部分气体则进

5、人发动机通道．可见，固体颗粒的分离在结构上仅仅依靠弯曲通道来实现．可将图1中流动通道简化为图2的流动模型j，其中，流道的内外壁面的弯曲扇角分别为0、．该流动通道结构紧凑、体积较小、质量轻，无运动部件图2惯性分离器通道结构示意图葺}收稿日期：2009一l2—07基金项目：国家自然科学基金资助项目(50776056)．作者简介：许峰(1985一)，男，硕士研究生，主要从事气固分离研究许峰，等：弯管内小尺度颗粒运动的数值模拟与分析7511物理模型与数值计算1O’1．1小尺度颗粒受力模型通常，小颗粒所受的力可分为2类，第1类是与流体、皇10司颗粒的相对

6、运动无关的力，如重力F、浮力、压差力，；第2类力依赖于流体、颗粒的相对运动，如曳力、视质量1O力FSaffman力、Magnus力等．以常压下空气为流动介质，固体颗粒密度为>P，可以忽略，、、、1O：FM；另外由于颗粒尺度小，占据空间小，其表面压差小，可图3不同气流速度下10m颗粒加速规律以忽略压力梯度力F。．对于小尺度颗粒，为了简化求解过程，可以假设根据上述计算结果，建立弯曲管道模型，分析小尺度如下：颗粒在弯曲扇角的管道中运动情况．因此计算模型为边长1)气流在流动过程中不可压缩，气固两相具有相同的a=100mm的方截面弯管，弯管曲率半径R=3

7、00mm，其水温度场；力直径Dh=100mm．扇角分别为3O。、60。、90。和110。．为2)固体颗粒是具有相同直径、均匀密度的球体；了保证流动充分发展和混合，并且考虑到前面减少计算量3)固体颗粒占流场体积的比例小于10％，认为颗粒的要求，弯管前沿程长度L1=300mm，弯管后直管道长的存在对气流参数的影响很小；L2=1000mm，为管道水力直径的l0倍，以保证出口流动4)颗粒在气流中受到的力主要是气体曳力和重力，其充分发展，物理模型如图4．他力可以忽略不计．经过上述简化后，小尺度颗粒在气流中的运动方程为：d=+(1)I．2计算模型建立气固丽

8、相流数值计算过程中，颗粒在气流中场中的运动是从静止开始计算的．为了得到颗粒与气流混合充分均匀后流动，往往需要延长进口通道的长度，这导致计算区域和时间的