基于大涡模拟的旋风分离器锥体结构影响研究.pdf

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1、第35卷第1期东北电力大学学报V01．35．No．12015年2月JournalOfNortheastDianliUniversityFeb．，2015文章编号：1005—2992(2015)0卜0030—07基于大涡模拟的旋风分离器锥体结构影响研究高聚，王韶韵(中机国能电力工程有限公司，上海200061)摘要：采用数值模拟方法比较研究两种几何尺寸旋风分离器内流场和颗粒运动。对单相流场采用湍流各向异性的大涡模型(LargeEddySimulation)，对气、固两相流场采用相间耦合的随机轨道模型。研究锥

2、体下口直径对旋风分离器速度分布，压力分布，和对颗粒运动轨迹的影响，为进一步研究旋风分离器的分离机理理论及实验研究打下基础。关键词：旋风分离器；大涡模拟；离散相模型；流场中图分类号：TK124文献标识码：A旋风分离器在工业中是常用的分离、除尘设备，是利用气固两相流体旋转产生的离心力使固体颗粒从气流中分离出来的装置。旋风分离器内部流场是极其复杂的三维强旋转湍流，伴随着两相分离运动，且涉及到现代流体力学中尚未解决的难题，使得理论研究相当困难。随着计算流体力学不断的发展和计算机应用技术的不断提高，旋风分离器的设

3、计水平和质量有所提高，使深人研究旋风分离器内部流场成为可能。旋风分离器内部是三维强旋、具有明显各向异性湍流的特点J，文献[3—6]采用大涡模型对旋风分离器内流场进行数值模拟，数值结果符合理论预测，文献[7]采用大涡模型对旋风分离器内流场进行数值模拟，数值结果与实验结果相吻合。1数学模型笔者联合质量守恒方程、N-S方程和大涡旋控制方程，在拉格朗13坐标系下应用相间耦合的离散相模型对风分离器内气固流场进行数值模拟。对两种不同锥体下口直径旋风分离器内流场，颗粒分布及运动规律进行比较分析，为旋风分离器的高效低阻

4、设计优化提供参考。2数值模拟2．1几何模型模拟采用的旋风分离器几何模型结构如图1，其基本结构几何参数见表1。本文对两种不同锥体下口直径的旋风分离器进行分析。旋风分离器的几何结构收稿日期：2014—1l_25作者简介：高聚(1982一)，男，吉林省吉林市人，中机国能电力有限公司助理工程师，硕士，主要研究方向：气固两相流的理论和应用．第1期高聚等：基于大涡模拟的旋风分离器锥体结构影响研究3l2．2网格划分表1旋风分离器模型的几何参数(mm)采用Gambit2．2．30软件进行三维分区组合网格处理，使模型能够

5、针对旋风分离器内流场的特性，进行区域离散化，将计算域划分为进口段、出口段、环形空间、圆柱段分离空间和其余部分五个子域，生成多块结构化网格。网格划分如图2所示。2．3控制方程和边界条件2．3．1控制方程所有流动问题都首先需要满足质量守恒定律与动量守恒方程(N-S方程颗粒运动方程)：+蠹(，(1)去()+毒()一蚩+蠹(一p+毒詈+薏一]，c2，式中：P为流体密度；为流体速度。应用大涡模型对旋风分离器内复杂的三维强旋转湍流流动进行数值模拟。将Ⅳ一S方程在波数空图2旋风分离器数值模型网格划分间或物理空间进行过

6、滤得到大涡模拟的控制方程m】：业+螋，(3)OtOx去cp+毒cp毒一考一善，4为分子粘性而产生的应力张量：警+专，㈩亚格子(Sub—gridScale，SGS)应力，需要封闭模型：=pu一~ui—p‘百，(6)对于涡粘模型，丁与滤波后的应变速率张量关系式：一：一(7)，其中，／．e为亚格子涡粘系数，=(薏+，㈦在计算时，采用Smagorinky—Lily模型，=J口ll，为网格的混合长度，lf=。在nuent中L：min(K，C11，其中K为yonKdrmdn常数，d为到最近的壁面的距离，为计算单元3

7、2东北电力大学学报第35卷的体积，在计算时取C=0．1_1。2．3．2控制方程的离散控制方程的对流项采用二阶迎风格式离散，压力方程的差分格式为PRESTO!，采用SIMPLEC作为压力速度耦合求解方式。2．3．3边界条件(1)气体密度P=1．205kg／m，气体黏度／J=18×10N／m，人El气速30m／s；人口湍流强度，=3．9％和水力直径DH=0．543m；(2)排气口边界：假设各变量的法向梯度为零，即出口处湍流流动为充分发展状态；(3)排尘口边界：假设排尘口位置的气流流通量为零；(4)固壁边界：

8、壁面设置为无滑移边界，壁面粗糙度默认为0．5。湍流计算应用标准壁面函数法。2．4数值解法采用包括LES模型，SIMPLEC算法，QUICK和PRESTO压力插补格式等数值模拟技术对两种旋风分离器进行比较分析。3模拟结果分析模拟结果符合文献'¨中的实测结果：切向速度呈分布呈双涡分布，以其最大值为界，分为准自由涡和准强制涡；轴向速度以零轴速包络面为界，分为下行流和上行流。笔者在排气管下分离空间内，根据不同旋风分离器锥体下口直径对气相流场速度、内