王杰葉長(zhǎng)青孟祥瑋

（惠州出入境檢驗(yàn)檢疫局廣東惠州516006）

沙塵試驗(yàn)箱內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值仿真與分析

王杰葉長(zhǎng)青孟祥瑋

（惠州出入境檢驗(yàn)檢疫局廣東惠州516006）

為了設(shè)計(jì)出符合標(biāo)準(zhǔn)要求的沙塵試驗(yàn)箱，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵試驗(yàn)條件的準(zhǔn)確控制，有必要對(duì)沙塵在試驗(yàn)箱內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行研究。采用FLUENT軟件，建立二維數(shù)學(xué)模型，對(duì)循環(huán)吹沙塵試驗(yàn)箱內(nèi)部流場(chǎng)（空氣-沙塵兩相流）進(jìn)行數(shù)值模擬，得出了沙塵試驗(yàn)箱內(nèi)部風(fēng)速和沙塵濃度分布情況。結(jié)果表明，氣流在試樣周圍產(chǎn)生繞流和漩渦，沙塵在試樣背風(fēng)面發(fā)生沉積。該結(jié)果對(duì)自行設(shè)計(jì)與研制沙塵試驗(yàn)設(shè)備具有重要的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。

沙塵試驗(yàn)；數(shù)值模擬；氣固兩相流；流場(chǎng)分布

1 前言

沙塵試驗(yàn)是環(huán)境試驗(yàn)之一，是評(píng)價(jià)產(chǎn)品對(duì)沙塵環(huán)境適應(yīng)能力的重要手段。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2423.37-2006將沙塵試驗(yàn)的類型劃分為5種：交變氣壓（La1）、恒定氣壓（La2）、自由降塵（Lb）、循環(huán)吹沙塵（Lc1）以及自由吹沙塵（Lc2）。其中吹沙塵試驗(yàn)條件較為復(fù)雜，試驗(yàn)箱內(nèi)部風(fēng)速和沙塵濃度的大小及均勻性是影響吹沙塵試驗(yàn)結(jié)果一致性的主要因素之一[1]。為了設(shè)計(jì)出符合標(biāo)準(zhǔn)要求的沙塵試驗(yàn)箱，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵試驗(yàn)條件的準(zhǔn)確控制，有必要對(duì)沙塵在試驗(yàn)箱內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行研究。本文重點(diǎn)研究吹沙塵試驗(yàn)箱內(nèi)部的流場(chǎng)，為敘述簡(jiǎn)便，下文“沙塵試驗(yàn)箱”特指循環(huán)吹沙塵試驗(yàn)箱。

由于流場(chǎng)的計(jì)算需要應(yīng)用流體力學(xué)等專業(yè)知識(shí)，對(duì)人員的要求較高，相關(guān)的研究還比較少。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件及仿真應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，簡(jiǎn)稱CFD）仿真技術(shù)在流體力學(xué)領(lǐng)域中得到很大發(fā)展[2]。其中FLUENT就是最具代表性的仿真軟件之一，它使用方便，可靠性高，已經(jīng)在工程實(shí)踐中得到較廣泛的應(yīng)用。本研究將采用FLUENT軟件對(duì)沙塵試驗(yàn)箱的風(fēng)速和沙塵濃度分布進(jìn)行模擬，從而為沙塵試驗(yàn)箱的設(shè)計(jì)與制造提供參考。

2 數(shù)學(xué)原理

沙塵在沙塵試驗(yàn)箱內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)為典型的氣固兩相流運(yùn)動(dòng)。對(duì)于氣-固兩相流，可以采用的數(shù)值模擬模型主要包括歐拉雙流體模型和拉格朗日模型。歐拉雙流體模型將兩相視作不同的兩種連續(xù)介質(zhì)，忽略單個(gè)顆粒之間的受力情況，從整體的角度對(duì)顆粒進(jìn)行受力分析，此時(shí)不考慮單個(gè)顆粒對(duì)整體的影響。拉格朗日模型將氣體視作連續(xù)介質(zhì)，固粒視作離散介質(zhì)，分析每個(gè)單元的運(yùn)動(dòng)情況和彼此之間的碰撞情況[3]。

考慮到試驗(yàn)沙塵尺寸極為微?。?100 μm），可以認(rèn)為在試驗(yàn)箱內(nèi)部為連續(xù)分布，因此研究采用氣固兩相流雙流體模型。

氣固兩相的連續(xù)性方程[4]：

動(dòng)量守恒方程：

式中：α為體積分?jǐn)?shù)，ρ為密度，u為速度，τ為黏性應(yīng)力，p為氣體壓力，g為重力加速度，β為拖曳系數(shù)，ρs*為固體壓力。下標(biāo)s表示固相，g表示氣相。

3 物理模型

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2423.37-2006，吹沙塵試驗(yàn)箱的結(jié)構(gòu)由鼓風(fēng)機(jī)、進(jìn)風(fēng)段（即前處理箱）、試驗(yàn)箱、回風(fēng)段等部分組成循環(huán)風(fēng)道，沙塵顆粒由儲(chǔ)塵罐注入，與空氣混合后在進(jìn)風(fēng)段經(jīng)導(dǎo)流葉片整流后，水平流過(guò)試驗(yàn)段，由回風(fēng)段流出。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 吹沙塵試驗(yàn)箱結(jié)構(gòu)圖

本文主要研究進(jìn)風(fēng)段、試驗(yàn)段及回風(fēng)段的流場(chǎng)特性，為便于計(jì)算，將問(wèn)題簡(jiǎn)化為二維模型。采用FLUENT附帶的GAMBIT軟件，建立仿真模型。確定幾何尺寸如下：左側(cè)漏斗形區(qū)域?yàn)檫M(jìn)風(fēng)段，其中水平部分為0.1 m×1.0 m（W×L），擴(kuò)張部分長(zhǎng)度為0.25 m，最小寬度為0.1 m，最大寬度為0.6 m；中間為試驗(yàn)段，尺寸為0.6 m×1.0 m（W×L）；右側(cè)為出口段，尺寸與進(jìn)口段相同。在進(jìn)風(fēng)口之后安裝有導(dǎo)風(fēng)板，尺寸為0.02 m×0.1 m（W×L）。試驗(yàn)樣品尺寸為0.2 m× 0.1 m（W×L）。圖2是采用簡(jiǎn)化模型的示意圖。劃分網(wǎng)格，生成網(wǎng)格總數(shù)約為43萬(wàn)。經(jīng)檢查，等角失真（EquiAngle Skew）小于0.4的網(wǎng)格比例超過(guò)99%，網(wǎng)格質(zhì)量較高，可以進(jìn)行仿真。

圖2 計(jì)算區(qū)域示意圖

4 軟件設(shè)置及邊界條件

將計(jì)算網(wǎng)格導(dǎo)入FLUENT求解器，選擇多相流模型（Multiphase Models）中的歐拉模型（Eulerian Model），將空氣作為第一相，固體顆粒作為第二相；在材料（Materials）中設(shè)置材料特性。第一相空氣密度為1.225 kg/m3，粘度為1.84×10-5Pa·s；第二相沙塵密度取3000 kg/m3，體積分?jǐn)?shù)為10-5，顆粒直徑為10 μm。試驗(yàn)箱內(nèi)氣流流動(dòng)為二維穩(wěn)態(tài)定常流動(dòng)模型，采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型。

顆粒運(yùn)動(dòng)時(shí)受力比較復(fù)雜。在氣固兩相流運(yùn)動(dòng)中，顆粒粒徑很小、濃度很稀，顆粒所受的流體曳力是最主要的，其次是重力，其他力在量級(jí)上與之相比非常小，一般可以忽略不計(jì)[5]。

邊界條件包括入口速度邊界、自由出口邊界、模型外邊界和壁面邊界，近壁區(qū)模擬采用壁面函數(shù)法。初始條件：氣流和沙塵均以20 m/s速度從進(jìn)風(fēng)口沿X軸正方向均勻進(jìn)入。

5 仿真結(jié)果及分析

經(jīng)過(guò)仿真運(yùn)算，得到試驗(yàn)箱內(nèi)部風(fēng)速分布圖，如圖3。圖4為樣品前方0.1 m、0.2 m、0.3 m截面的氣流速度分布。

圖3 風(fēng)速矢量圖（風(fēng)速大小以灰度深淺表示）

圖4 樣品前方3個(gè)截面（x=0.65、0.75、0.85 m）上的速度分布

圖3 表明，氣流從進(jìn)風(fēng)口流入后，經(jīng)過(guò)擴(kuò)散，發(fā)展成為均勻的水平氣流，并在試件周圍改變了流動(dòng)方向。在試件正前方，風(fēng)速減弱，并從試樣周圍邊界繞流；在試樣后方，形成兩個(gè)漩渦。圖4表明，樣品對(duì)速度場(chǎng)的均勻性產(chǎn)生了影響，在較遠(yuǎn)的截面上風(fēng)速才基本均勻。在對(duì)風(fēng)速進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)測(cè)量點(diǎn)應(yīng)該遠(yuǎn)離試樣，距離應(yīng)為樣品最大幾何尺寸兩倍以上。

圖5為樣品后方0.00 m、0.01 m、0.03 m 3個(gè)截面（分別是x=1.05、1.06、1.08 m）上的沙塵濃度分布。

圖5樣品后方3個(gè)截面（x=1.05、1.06、1.08 m）上的濃度分布

圖5 表明，樣品背風(fēng)面的沙塵濃度遠(yuǎn)高于其他區(qū)域。這是因?yàn)闅饬髟诒筹L(fēng)面形成漩渦，沙塵運(yùn)動(dòng)速度下降，受重力影響，沙塵在此集聚并沉積。在對(duì)沙塵濃度進(jìn)行控制時(shí)，應(yīng)根據(jù)濃度的監(jiān)測(cè)結(jié)果，適時(shí)向試驗(yàn)箱內(nèi)注入沙塵，才能保證沙塵濃度的穩(wěn)定。

6 結(jié)語(yǔ)

本研究采用FLUENT軟件建立二維數(shù)學(xué)模型，對(duì)循環(huán)吹沙塵試驗(yàn)箱（Lc1）內(nèi)部流場(chǎng)特性進(jìn)行仿真分析，形象、直觀地得出了沙塵試驗(yàn)箱內(nèi)部風(fēng)速和濃度分布情況。仿真結(jié)果表明，氣流在試樣周圍產(chǎn)生繞流和漩渦，沙塵在試樣背風(fēng)面發(fā)生沉積。上述結(jié)果對(duì)自行設(shè)計(jì)與研制沙塵試驗(yàn)設(shè)備具有重要的指導(dǎo)意義。需要指出的是，本研究假設(shè)的邊界條件比較理想化，實(shí)際情況比較復(fù)雜，例如入口風(fēng)速通常不均勻[6]，試驗(yàn)箱內(nèi)壁面對(duì)沙塵有靜電吸附作用等。因此，對(duì)試驗(yàn)箱內(nèi)部流場(chǎng)更準(zhǔn)確的模擬，還需要進(jìn)一步的研究。

[1]GB/T 2423.37-2006電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)第2部分試驗(yàn)方法試驗(yàn)L：沙塵試驗(yàn)[S].

[2]張帥帥.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)及其應(yīng)用及CFD軟件的原理與應(yīng)用[M]．武漢：華中科技大學(xué)出版社，2011：1-3.

[3]林建忠.流-固兩相擬序渦流及穩(wěn)定性[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[4]張利珍，李運(yùn)澤，王俊.氣固兩相流風(fēng)洞內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)特性研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007，19（14）：3200-3202.

[5]高德真，李佳璐，李德臣，等.基于FLUENT氣固兩相流數(shù)值模擬與分析[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，35（4）：5-8.

[6]李紅文，張濤.文丘里管內(nèi)氣固兩相流離散相仿真模型優(yōu)化[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，31（1）：42-47.

The Stimulation and Analysis of the Gas-Solid Two-Phase Flow in Dust and Sand Test Chamber

WANG Jie，YE Changqing，MENG Xiangwei
（Huizhou Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，Huizhou，Guangdong，516006）

Stimulate the gas-solid two-phase flow in the dust and sand test chamber with Euler-Euler Model，using computational fluid dynamics software FLUENT.The stimulation results indicate that the air flows around the test sample and generates vortex behind it，and the sand particles concentrate in the back side of the test sample.The result provides useful information for the design and manufacture of the sand and dust test equipment.

Sand and Dust Test；Numerical Simulation；Gas-Solid Two-Phase Flow；Mass Distribution

O359

E-mail：wangj@hz.gdciq.gov.cn

國(guó)家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃項(xiàng)目（2015IK072）

20160-08-04