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        污泥熱風(fēng)射流干化風(fēng)流場(chǎng)特性研究

        2015-04-29 00:00:00駱少澤黃宇峰

        【摘 要】介紹了研究太陽(yáng)能污泥干化室風(fēng)流場(chǎng)的重要性,提出基于Fluent軟件的RANS法的RNG k-epsilon湍流模型,建立單個(gè)風(fēng)機(jī)和群機(jī)的局部對(duì)稱模型模擬干化室近地面流場(chǎng)速度特征,結(jié)合物模試驗(yàn)和原型觀測(cè)對(duì)模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證,最后提出了比較合理的風(fēng)機(jī)布置方案。

        【關(guān)鍵詞】風(fēng)機(jī);湍流模型;風(fēng)流場(chǎng);污泥干化

        0.前言

        污泥熱風(fēng)射流干化作為一種新型的污泥干化技術(shù),結(jié)合了傳統(tǒng)的污泥干化手段,利用太陽(yáng)輻射熱能和射流技術(shù)對(duì)污泥進(jìn)行批量干化處理,在提高干化效率的同時(shí)減少了能耗。由于太陽(yáng)能利用的限制性,干化室內(nèi)部風(fēng)流場(chǎng)的控制研究就顯得尤為重要。目前關(guān)于氣流組織形態(tài)研究的主要方法是基于CFD軟件的數(shù)值模擬,它具有成本低,精度高,適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn),傳統(tǒng)的理論分析和模型試驗(yàn)因?yàn)樽陨淼木窒扌灾饾u成為輔助驗(yàn)證的手段。因此,本文結(jié)合流體力學(xué)等相關(guān)理論知識(shí)基于Fluent軟件對(duì)太陽(yáng)能干化室內(nèi)部風(fēng)流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,并進(jìn)行了相關(guān)模型試驗(yàn)和原型觀測(cè)作為對(duì)比驗(yàn)證。

        1.風(fēng)流場(chǎng)特性研究方法

        太陽(yáng)能干化室內(nèi),風(fēng)機(jī)架設(shè)在空間中上部垂直向污泥表面送風(fēng),送風(fēng)口斷面為的正方形,氣體出流認(rèn)為是具有一定速度的均勻射流。由于送風(fēng)口距離干化室地面的流程較短,而射流流速較大,所以氣體射流的擴(kuò)散主要受到垂直速度方向的地面邊界影響,認(rèn)為屬于非貼附型高雷諾數(shù)受限對(duì)稱紊動(dòng)射流。風(fēng)機(jī)頻率恒定時(shí)射流充分發(fā)展后的干化室內(nèi)部空間氣流是處于穩(wěn)定態(tài)的湍流。

        太陽(yáng)能干化室內(nèi)風(fēng)機(jī)布置方式的不同將顯著影響風(fēng)流場(chǎng)的特性,在干化室尺寸確定的情況下,改變風(fēng)機(jī)的高度、頻率、出風(fēng)口面積以及排列方式均會(huì)對(duì)風(fēng)流場(chǎng)的組織形態(tài)產(chǎn)生影響,而實(shí)際應(yīng)用中近污泥面的表面流速狀態(tài)是具有研究?jī)r(jià)值的。

        1.1建立湍流模型

        目前湍流的數(shù)值模擬方法主要有三種:直接數(shù)值模擬(DNS),雷平均NS方程(RANS)和大渦模擬(LES)。綜合考慮下選用RANS法的RNG k-epsilon三維湍流模型,該模型由標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon模型變化而來(lái),具有更廣的適用性和可靠度。在不顯著影響計(jì)算結(jié)果的前提下作如下接近實(shí)際情況的假設(shè):

        (1)干化室內(nèi)部為不可壓縮氣體并符合Boussinessq假設(shè),內(nèi)部氣密性良好。

        (2)充分發(fā)展后的空間內(nèi)風(fēng)流場(chǎng)為穩(wěn)定態(tài)湍流,氣體各向同性。

        (3)氣體流速較低,風(fēng)流場(chǎng)具有高雷諾數(shù)。

        (4)不考慮能量耗散。

        風(fēng)流場(chǎng)的湍流模型包括單機(jī)和群機(jī)的局部對(duì)稱模型,模型尺寸均按照實(shí)際尺寸建立。

        1.2物模及原型觀測(cè)

        計(jì)算得到單臺(tái)風(fēng)機(jī)的垂直輻射面積約33平方米,按1:1比例建立6×6×4m單風(fēng)機(jī)局部物理模型,采用LVFSC-11光電式風(fēng)速傳感器的風(fēng)杯風(fēng)速儀沿風(fēng)機(jī)中心水平發(fā)散方向布置測(cè)點(diǎn),變換頻率、高度進(jìn)行近地面風(fēng)速特征值測(cè)定。原型觀測(cè)為干化室現(xiàn)場(chǎng)的近地面風(fēng)速特征值測(cè)定。

        2.數(shù)值模擬結(jié)果及分析

        本文將單風(fēng)機(jī)物理模型測(cè)得的近地面風(fēng)速數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬相同工況下計(jì)算得到的風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,如下圖所示:

        圖 1 出風(fēng)口速度5m/s時(shí)近地面風(fēng)速值

        可以看出,模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果是比較一致的,在水平距離風(fēng)機(jī)中心約1.0m處風(fēng)速達(dá)到峰值,符合的比較好,因此認(rèn)為數(shù)值計(jì)算的結(jié)果是具有可信度的。

        改變影響風(fēng)流場(chǎng)的各類條件進(jìn)行單機(jī)湍流模型的數(shù)值計(jì)算,結(jié)果表明:

        (1)風(fēng)機(jī)頻率越高,即轉(zhuǎn)速越大,風(fēng)機(jī)的風(fēng)速相應(yīng)也越大,此時(shí)近地面風(fēng)速的峰值呈線性遞增,峰值位置不變。

        (2)風(fēng)機(jī)高度的變化對(duì)近地面風(fēng)速的大小和分布形態(tài)基本無(wú)影響,根據(jù)自由射流相關(guān)理論解釋為出風(fēng)口距離地面較近,風(fēng)速較大時(shí),射流發(fā)展位于起始段,該段過(guò)程中卷吸周圍空氣導(dǎo)致速度衰減的變化量很小,因此射流沖擊地面輻散后的表面流速無(wú)顯著變化。

        (3)風(fēng)機(jī)出風(fēng)口面積對(duì)于近地面風(fēng)速影響較大,且出風(fēng)口面積相對(duì)于干化室有效斷面面積較小時(shí),速度峰值會(huì)顯著減小,而超過(guò)某個(gè)比例后則基本不增加,因此在保證近地面風(fēng)速較大的情況下,出風(fēng)口面積盡量減小是比較合理的選擇。另外,出風(fēng)口面積的增大會(huì)導(dǎo)致峰值位置遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)中心。

        與單機(jī)模型類似,將原型觀測(cè)數(shù)據(jù)與群機(jī)湍流數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,結(jié)果吻合的較好。群機(jī)湍流模型主要研究風(fēng)機(jī)的不同布置方式對(duì)近地面風(fēng)速的影響。理想條件下單個(gè)風(fēng)機(jī)對(duì)于近地面的風(fēng)流場(chǎng)輻射范圍必定是以射流方向?yàn)檩S旋轉(zhuǎn)對(duì)稱,呈圓形斷面向外發(fā)散,所以可以認(rèn)為干化室內(nèi)風(fēng)機(jī)的有效影響面為直徑相同的圓,有效面積指的是不小于某一近地面風(fēng)速最小值的最大圓面積,這樣才能夠使得污泥干化充分。另一方面,相鄰風(fēng)機(jī)的有效圓接觸的部分風(fēng)速必然受影響并減小,所以最合理最高效的風(fēng)機(jī)布置方式應(yīng)該是正三角形排布,這樣既能保證有效圓覆蓋的污泥面積最大,并且風(fēng)流場(chǎng)之間的相互抵消作用最小,減少能耗并提高干化污泥的產(chǎn)量。

        利用群機(jī)湍流模型模擬了不同正三角形邊長(zhǎng)情況下近地面的風(fēng)速分布情況,研究表明在風(fēng)機(jī)頻率、高度和出風(fēng)口面積一定時(shí),正三角形邊長(zhǎng)為6m左右時(shí)布置風(fēng)機(jī)得到的近地面風(fēng)流場(chǎng)是比較好的。近地面速度等值線圖如下:

        圖 2 風(fēng)機(jī)中心距6m時(shí)近地面風(fēng)速等值線圖

        圖2中給出了一張風(fēng)機(jī)風(fēng)速5m/s時(shí)具有代表性近地面風(fēng)速等值線圖,中心淺色的圓圈是風(fēng)機(jī)中心的垂直投影,輻射半徑不到0.5m,此處風(fēng)速受壁面影響很大,風(fēng)速在1.0m/s左右波動(dòng)。向外發(fā)展的環(huán)形區(qū)域風(fēng)速較大,影響半徑范圍在0.5-2.9m左右,速度域在2-3.2m/s,該環(huán)形區(qū)域?qū)τ谖勰喔苫募铀傩Ч鞘置黠@的。同時(shí)相鄰風(fēng)機(jī)間的風(fēng)流場(chǎng)抵消影響也降到了令人滿意的程度。所以這種形式的風(fēng)機(jī)布置方式得到了理論和數(shù)值驗(yàn)證的有力支持,對(duì)提高干化效率有很大幫助。

        4.結(jié)語(yǔ)

        本文對(duì)污泥太陽(yáng)能干化室的風(fēng)流場(chǎng)特性研究主要體現(xiàn)在近地面風(fēng)流場(chǎng)的影響控制,利用Fluent計(jì)算軟件建立湍流模型解算不同工況,并結(jié)合物模試驗(yàn)和原型觀測(cè)數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證,期望找到風(fēng)機(jī)的最優(yōu)設(shè)置及群機(jī)最優(yōu)布置方式用于提高污泥的整體干化效率,并提出了較為可靠的布置方案。而對(duì)于干化室大空間內(nèi)湍流發(fā)展情況的進(jìn)一步研究也是十分必要的,在考慮能量耗散的情況下,空間溫度場(chǎng)和濕度場(chǎng)的分布對(duì)于污泥干化的影響也十分顯著,此時(shí)空間內(nèi)風(fēng)流場(chǎng)的特性研究會(huì)比那得更為復(fù)雜,需要我們進(jìn)行更為深入的探究。 [科]

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