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离心式通风机内部气粉两相流场整机全三维数值模拟

作　者: 田贵昌
导　师: 李宝宽
学　校: 东北大学
专　业: 工程热物理
关键词: 离心式通风机气固两相流拉格朗日颗粒轨道模型数值模拟
分类号: TH432
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

广泛运用于工业、农业中的离心式通风机是一种高效率的流体机械。由于通风机在工作环境中不可避免有固体颗粒进入,从而导致了颗粒对风机的摩擦、碰撞、反弹、磨损和积聚等问题,影响了叶轮机械的可靠性和使用寿命。为了提高风机效率、延长风机寿命,所以掌握风机内部气固两相流动规律是十分必要的。目前利用数值模拟是研究叶轮内部流场的一种主要方法。本文对离心式通风机分别对气体单相流和气固两相流进行数值模拟。首先运用风机实际尺寸在软件PRO/E中建立物理模型,在GAMBIT中划分网格,对叶轮和蜗壳较复杂区域采用小尺度的非结构化网格。在进口和蜗壳上采用了分区域划分,部分采用了大尺度划分结构化网格。在FLUENT中采用三维时均N-S方程和标准K-E两方程湍流模型为基础,利用SIMPLE算法,叶轮区域采用旋转参考系,边界条件分别为速度进口和压力出口,对离心式通风机进行气体单相流数值模拟。当气流场的计算收敛后,对气固两相流的数学模型采用与单相流相同的边界计算条件,在进口处设定离散相射源,采用拉格朗日颗粒轨道模型单相耦合法跟踪固体颗粒在风机内部的运动轨迹。通过数值模拟的计算结果与相关实验文献结论一致,得到了风机内部很多特殊现象,如：二次流,涡流,以及粒径为0.03mm,0.05mm,0.1mm的颗粒的运动轨迹。模拟结果显示,固体粒子在进入叶轮和叶片的流道中时被分成两股气流。由于在进入叶轮时有一个90°的转弯,所以较大的粒子将冲击在叶轮的后盘上,而后即沿着后盘流动。较小的粒子被气流带着转动,并从向着叶轮后盘流动的较大粒子中分离出来。在模拟结果中还发现了一些新的现象：粒子进入叶轮后,管道对固体粒子不再起抽吸作用,粒子将或多或少的弹跳于叶片的工作面上,并且会反弹回来或继续着滑动或滚动着过去；较大的粒子直接沿叶片的工作面流动,而非常小的粒子则沿非工作面滑动或粘附于叶片非工作面上,所以这些小粒子有可能沉积在叶片表面的凹坑中；沉积在叶片非工作面上的较小粉尘,开始只有少数几处沉积粒子以后沉积区逐渐变大,直至叶片的非工作面上全部覆盖上粒子。但是由于流体会在此处形成小的漩涡,微小的粒子在这里是朝相反的方向运动,所以叶片非工作面受到的磨损是滑动磨损。而在工作面上由于是较大的粒子依照其惯性的冲击,所以在叶片的工作面上受到的冲蚀磨损较严重。本文数值模拟结果和现场检测结果对比,发现用本文的方法对风机模拟可以很好的预测风机的内部流动现象,对风机的优化设计具有指导意义。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章绪论  10-16
  1.1 课题研究背景  10
  1.2 对离心叶轮机械数值模拟的意义  10-11
  1.3 离心通风机CFD研究现状及发展趋势  11-15
  1.4 本文主要研究工作  15-16
第2章离心式通风机数值模拟理论基础  16-38
  2.1 对计算流体力学的简要介绍  16-17
  2.2 商业软件FLUENT概述  17-25
    2.2.1 FLUENT中常用的网格类型  21-24
    2.2.2 离散格式的选用  24
    2.2.3 湍流模型的分类  24-25
  2.3 离心式通风机内部湍动流场的基本方程  25-27
  2.4 湍流模型  27-32
    2.4.1 标准k-ε模型  27-29
    2.4.2 RNG k-ε模型  29-30
    2.4.3 Realizable k-ε模型  30-32
  2.5 求解器的选取  32-33
  2.6 边界条件的设置  33
  2.7 控制方程的离散化  33-34
  2.8 压力与速度的耦合方式  34-35
  2.9 计算收敛的判断  35-38
第3章离心通风机气相流数值模拟结果及分析  38-56
  3.1 离心式通风机物理模型的建立  38-39
  3.2 网格划分  39-40
  3.3 流场控制方程的建立  40-41
  3.4 计算方法及假定  41
  3.5 边界条件  41-42
  3.6 压力场结果分析  42-48
    3.6.1 静压分析  42-47
    3.6.2 全压分析  47-48
  3.7 流场结果分析  48-53
  3.8 本章小结  53-56
第4章离心通风机气固两相流数值模拟结果及分析  56-76
  4.1 气固两相流的基本理论  56-57
  4.2 气固两相流的研究方法  57-58
  4.3 固体颗粒的基本理论  58-62
    4.3.1 颗粒直径  58-59
    4.3.2 密度、体积分数与质量负载  59-60
    4.3.3 颗粒间距  60-62
  4.4 拉格朗日模型理论  62-67
    4.4.1 离散相模型的基本方程  62-64
    4.4.2 离散相模型颗粒轨道方程的积分  64
    4.4.3 离散相边界条件  64-65
    4.4.4 拉格朗日模型中颗粒的湍流扩散  65-66
    4.4.5 基本假设及边界条件的设置  66-67
  4.5 数值模拟结果及分析  67-76
    4.5.1 固体颗粒在风机内运行轨迹模拟结果  67-68
    4.5.2 固体颗粒在叶轮内运行轨迹模拟结果  68-70
    4.5.3 固体颗粒在蜗舌处的运行轨迹模拟结果  70-71
    4.5.4 固体颗粒在风机壁面上的磨损分布  71-76
第5章结论和展望  76-78
  5.1 本文结论  76-77
  5.2 展望  77-78
参考文献  78-84
致谢  84-86
攻读学位期间发表的论文  86

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