王艷芬, 禹言芳, 孟輝波, 王 豐, 吳劍華
(沈陽化工大學(xué) 遼寧省高效化工混合技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 沈陽 110142)
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圓形噴嘴射流特性模擬方法優(yōu)化選擇
王艷芬,禹言芳,孟輝波,王豐,吳劍華
(沈陽化工大學(xué) 遼寧省高效化工混合技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 沈陽 110142)
摘要:為提高圓形噴嘴射流特性數(shù)值模擬研究的準(zhǔn)確性、可靠性,分別采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε、RNG k-ε、SST k-ω、標(biāo)準(zhǔn)k-ω等4種湍流模型、3種網(wǎng)格劃分方案及2種控制方程離散格式對圓形噴嘴射流流場特性進(jìn)行數(shù)值模擬.研究結(jié)果表明:與標(biāo)準(zhǔn)k-ε、SST k-ω、標(biāo)準(zhǔn)k-ω三種湍流模型相比,RNG k-ε更能真實(shí)地反映圓形噴嘴射流流場特性;在網(wǎng)格劃分方案的比較中,方案1所得的平均扭曲率最小,為0.187;對QUICK和二階迎風(fēng)格式兩種控制方程離散格式的對比發(fā)現(xiàn),二階迎風(fēng)格式所得到的軸向速度分布模擬結(jié)果更接近實(shí)驗(yàn)值.
關(guān)鍵詞:圓形噴嘴;射流;數(shù)值模擬;湍流模型;網(wǎng)格劃分
化學(xué)工業(yè)是當(dāng)今世界各國重要的基礎(chǔ)工業(yè),它涉及大量的日用化學(xué)品和石油化工產(chǎn)品的生產(chǎn).而化工生產(chǎn)中的混合單元操作設(shè)備是化學(xué)工業(yè)過程中的核心設(shè)備,也是能源消耗的主要設(shè)備[1-2].在現(xiàn)有的技術(shù)中,混合器主要有靜態(tài)混合器和動態(tài)攪拌混合裝置兩類.靜態(tài)混合器采用的方法是在管道中置入擾流原件,以改變流動狀態(tài)使混合物與母液混合;動態(tài)攪拌混合裝置是利用攪拌器使混合物與母液混合[3].作為動態(tài)攪拌混合裝置的一種,射流攪拌具有結(jié)構(gòu)簡單,制造與安裝方便,節(jié)能降耗,噪音小等優(yōu)點(diǎn).文獻(xiàn)[4]曾報(bào)道,在化工行業(yè)相對發(fā)達(dá)的美國每年由于混合問題造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)幾十億美元.因此,設(shè)計(jì)高效的液-液混合設(shè)備,并實(shí)現(xiàn)液-液的初始快速混合,對于提高產(chǎn)品質(zhì)量、減少副產(chǎn)物收率、優(yōu)化整個(gè)生產(chǎn)過程具有重要意義[5].
近十幾年來,隨著現(xiàn)代流場測試技術(shù)的不斷發(fā)展,實(shí)驗(yàn)測量工具已經(jīng)從最初的畢托管、熱膜流速儀發(fā)展到近期的高精度測量儀器LDV、LIF和PIV.很多研究者采用不同的實(shí)驗(yàn)手段對射流進(jìn)行了研究.張勃等[6]通過熱線風(fēng)速儀對不同寬高比的圓轉(zhuǎn)矩形收斂噴管的射流湍流強(qiáng)度特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究;王長園等[7]在定容裝置上利用高速攝影紋影法對不同沖擊高度和沖擊角度下甲烷高壓碰壁射流的擴(kuò)散和卷吸特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究;Yildiz和Jill[8]采用LDV技術(shù)對等溫射流和浮射流在不同雷諾數(shù)范圍內(nèi)過渡區(qū)的流動特性進(jìn)行了研究;肖洋等[9]利用激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)對橫流中多孔射流的稀釋特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.陳慶光等[10]采用粒子圖像測速(PIV)技術(shù)對矩形管湍流沖擊射流場進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量,得到了主射流區(qū)和沖擊區(qū)附近測量截面上的平均速度和渦量分布.雖然實(shí)驗(yàn)研究能綜合考慮影響流動的各種因素,結(jié)果客觀可靠.但實(shí)驗(yàn)測量有投資大、結(jié)果的精度和可靠性受測量儀器和環(huán)境的影響等問題.而數(shù)值模擬分析即計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法具有投資小和精度易于提高等特點(diǎn),是一種研究流體流動的有效方法.因此,隨著計(jì)算機(jī)水平和計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展,用數(shù)值方法研究流動與傳熱,已成為當(dāng)前國際上最活躍的研究領(lǐng)域之一.而且CFD的興起促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)研究和理論分析方法的發(fā)展,為簡化流動模型提供了更多的依據(jù),使得很多分析方法得到完善和發(fā)展,它可以在非常廣泛的流動參數(shù)范圍內(nèi),對所有的流場參數(shù)進(jìn)行定量分析,而這往往是采用實(shí)驗(yàn)手段和理論分析方法所無法做到的[11].Fluent是一款應(yīng)用非常廣泛的流體流動模擬軟件,要實(shí)現(xiàn)對一個(gè)特定流動過程的精確模擬,必須選用適當(dāng)?shù)臄?shù)值方法,這要求從湍流模型、網(wǎng)格劃分、控制方程離散格式等方面進(jìn)行優(yōu)化選取分析.為了對軸對稱射流有一個(gè)更完整、全面的理解,本文采用數(shù)值模擬的方法對圓形噴嘴射流流場特性進(jìn)行了數(shù)值模擬,同時(shí),對標(biāo)準(zhǔn)k-ε、RNG k-ε、SST k-ω、標(biāo)準(zhǔn)k-ω等4種湍流模型、3種網(wǎng)格劃分方案及2種控制方程離散格式進(jìn)行優(yōu)化選擇,為今后圓形噴嘴射流流場特性的數(shù)值研究提供更為可靠的依據(jù).
1物理模型與計(jì)算方法
1.1數(shù)值模型的建立
余常昭等[12]采用熱膜流速儀對圓形斷面自由湍動純水射流的流場進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,為保持本文數(shù)值模型與該文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)?zāi)P偷囊恢滦?,本文?shù)值模擬模型與文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)設(shè)備尺寸完全相同,數(shù)值模型結(jié)構(gòu)與尺寸參數(shù)如圖1所示.
1 長方體水槽 2 小長方體柱 3 圓形噴嘴 4 流場出口
長方體水槽長×寬×高=2 500 mm×400 mm×600 mm;在距離長方體坐標(biāo)原點(diǎn)490 mm處建立一個(gè)小長方體柱,并將圓形噴嘴建立在小長方體柱表面上,該噴嘴距離底面高度為250 mm,圓形噴嘴直徑D=10 mm.
1.2邊界條件
模擬介質(zhì)為水,密度為998.2 kg/m3,黏度1.003×10-3Pa·s.模擬過程中邊界設(shè)定:噴嘴出口面設(shè)為速度入口,速度大小為4.50 m/s,與實(shí)驗(yàn)值相同;長方體水槽右端面上部分100 mm高的面設(shè)定為自由出口.由于靠近固體壁面區(qū)域流體流速較低,處于層流狀態(tài),層流底層的黏性作用占優(yōu),湍流擴(kuò)散相對減弱,高雷諾數(shù)下的湍流輸運(yùn)方程已不能嚴(yán)格有效,因此在Fluent中,近壁處用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)計(jì)算.
1.3網(wǎng)格劃分
由于數(shù)值模型尺寸較大,且本文主要研究射流流動方向的流動特性,故綜合考慮網(wǎng)格劃分對計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精度的影響,采取分區(qū)劃分網(wǎng)格的方法.對湍流模型的優(yōu)化選擇中,首先對噴嘴前方直徑×高=Φ200 mm×500 mm的圓柱體區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化,而其他區(qū)域的流場對射流區(qū)域流場特性的影響較小,所以其他區(qū)域的網(wǎng)格選取了較大的網(wǎng)格尺寸,以節(jié)省計(jì)算時(shí)間,網(wǎng)格劃分如圖2所示.
圖2 網(wǎng)格劃分
1.4數(shù)值解法
先選取網(wǎng)格劃分方案1進(jìn)行網(wǎng)格劃分,對4種不同的湍流模型進(jìn)行比較;然后選用較好的RNG k-ε湍流模型對3種不同網(wǎng)格劃分方案的圓形噴嘴射流流場進(jìn)行計(jì)算,選出較好的網(wǎng)格劃分方案.計(jì)算過程中,控制方程中離散格式先用二階迎風(fēng)格式,設(shè)定收斂條件后求解計(jì)算,保存計(jì)算結(jié)果,并在此基礎(chǔ)上,改用控制方程中QUICK離散格式,初始化流場,重新求解計(jì)算,以對控制方程中這兩種離散格式進(jìn)行對比分析.
2模擬結(jié)果對比及分析
2.1不同湍流模型的對比
采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε、RNG k-ε、SST k-ω、標(biāo)準(zhǔn)k-ω等4種湍流模型對圓形噴嘴射流特性進(jìn)行模擬,并將4種不同湍流模型下軸向速度分布與文獻(xiàn)[12]中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,4種不同湍流模型下軸向速度與實(shí)驗(yàn)所測軸向速度值的對比如圖3所示,該圖所選取截面位置為沿射流軸向截面Z=720 mm處.從圖3可以看出:4種湍流模型下的射流軸向速度分布具有一定程度的相似性,均為在射流中心線位置附近軸向速度達(dá)到最大,并隨徑向位置的改變而減小.由圖3可直觀得出,采用RNG k-ε湍流模擬所得出的軸向速度與實(shí)驗(yàn)數(shù)值最為接近.由于文獻(xiàn)中本次實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)點(diǎn)較少,模擬數(shù)據(jù)較多,使模擬與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)兩者之間物理空間位置并不能完全一致,故本文僅對4種不同湍流模型計(jì)算結(jié)果的軸向分布最大速度與實(shí)驗(yàn)所測最大速度值進(jìn)行對比分析,計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)k-ε、RNG k-ε、SST k-ω、標(biāo)準(zhǔn)k-ω與文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差分別為38.42 %、5.75 %、43.66 %、67.62 %,其中標(biāo)準(zhǔn)k-ε、SST k-ε、標(biāo)準(zhǔn)k-ω湍流模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比偏離過大,可不予考慮.通過比較其他不同射流軸向位置處4種不同湍流模型的射流軸向速度分布與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差發(fā)現(xiàn),RNG k-ε數(shù)值模型的計(jì)算結(jié)果誤差均較小,因此認(rèn)為RNG k-ε湍流模型能夠較好地用于圓形噴嘴射流特性的流場預(yù)測.
圖3 四種不同數(shù)值模型下軸向速度與實(shí)驗(yàn)值的對比
2.2網(wǎng)格劃分方案對比
生成網(wǎng)格的質(zhì)量對于CFD模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性有很大影響,其中扭曲率是一項(xiàng)重要的表征網(wǎng)格質(zhì)量好壞的參數(shù),并且小的扭曲率能得到更精確的結(jié)果[13].用于圓形噴嘴射流的長方體槽網(wǎng)格的劃分可采用不同的區(qū)間劃分方式,為優(yōu)化網(wǎng)格的劃分方式,本實(shí)驗(yàn)共采用了3種較為典型的網(wǎng)格劃分方案.方案1:在Z=510 mm處射流噴嘴面正前方建立一個(gè)直徑為200 mm,高為500 mm的圓柱體,并從Z=510 mm和1 010 mm 處將整個(gè)長方體模型分割為3個(gè)區(qū)域,將整個(gè)長方體模型分為4個(gè)區(qū)域.圓柱體選取六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化,圓柱體外Z=510~1 010 mm區(qū)域選取相對較粗的六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分,其他兩個(gè)區(qū)域采用四面體網(wǎng)格劃分.該方案網(wǎng)格數(shù)目為5 983 799,網(wǎng)格劃分如圖4(a)所示;方案2:在Z=520 mm處將整個(gè)長方體模型分割為2個(gè)區(qū)域,Z=520 mm后端區(qū)域采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化,Z=520 mm前端區(qū)域采用較粗四面體網(wǎng)格劃分,該方案網(wǎng)格數(shù)目為4 636 898,網(wǎng)格劃分如圖4(b)所示;方案3:在Z=510 mm處射流噴嘴面正前方建立一個(gè)直徑為100 mm,高為400 mm的圓柱體,并從Z=490 mm和1 200 mm處將整個(gè)長方體模型分割為3個(gè)區(qū)域,將整個(gè)長方體模型分為4個(gè)區(qū)域.圓柱體選取較小尺寸四面體網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化,圓柱體外Z=490~1 200 mm區(qū)域和Z=490 mm前面區(qū)域選取相對較粗的四面體網(wǎng)格劃分,Z=1 200 mm后面區(qū)域采用更大尺寸四面體網(wǎng)格劃分,該方案網(wǎng)格數(shù)目為6 147 962,網(wǎng)格劃分如圖4(c)所示.
各網(wǎng)格劃分方案下的網(wǎng)格扭曲率如圖5所示.從圖5可看出:方案1下的網(wǎng)格扭曲率在0~0.1區(qū)間所占百分比取得最大值為66.64 %,并隨著網(wǎng)格扭曲率的升高,其所占百分比逐漸降低;方案2下的網(wǎng)格扭曲率亦在0~0.1區(qū)間所占百分比取得最大值為51.75 %,但其最大值相比于方案1要小14.89 %;方案3下的網(wǎng)格扭曲率在各區(qū)間所占百分隨網(wǎng)格扭曲率的增加先增加后減少,并且網(wǎng)格扭曲率所占百分比在區(qū)間0.3~0.4取得最大值,其網(wǎng)格扭曲率主要分布在區(qū)間0.2~0.5.三種方案下的平均網(wǎng)格扭曲率分別為0.187、0.235、0.360,網(wǎng)格劃分方案1所得到的平均扭曲率最小,由此說明其網(wǎng)格質(zhì)量最佳.因此,選取網(wǎng)格劃分方案1為本次數(shù)值模擬的網(wǎng)格劃分方案可使計(jì)算結(jié)果更為可靠.
圖4 不同網(wǎng)格劃分方案
圖5 不同網(wǎng)格劃分方案的網(wǎng)格扭曲率
2.3離散格式對比
為選擇較好的控制方程離散格式對圓形噴嘴射流流場特性進(jìn)行數(shù)值研究,選取前面已驗(yàn)證過的精度較高的RNG k-ε湍流模型,并采用網(wǎng)格方案1進(jìn)行網(wǎng)格劃分,對數(shù)值模擬控制方程離散格式中的QUICK格式和二階迎風(fēng)格式進(jìn)行比較分析,并將控制方程離散格式中這兩種離散格式計(jì)算所得數(shù)值模擬結(jié)果的射流軸向速度分布與實(shí)驗(yàn)所測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,依然選取截面位置為沿射流軸向截面Z=720 mm處,所得控制方程離散格式中不同離散格式下軸向速度與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比如圖6所示.從圖6可以看出:控制方程離散格式中兩種不同離散格式計(jì)算所得的軸向速度分布及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)一個(gè)縱向波峰分布,并在射流中心線附近位置達(dá)到軸向速度分布最大值.從圖6還可看出:由二階迎風(fēng)格式所得到的軸向速度分布模擬結(jié)果比QUICK離散格式更接近實(shí)驗(yàn)值,二階迎風(fēng)格式和QUICK離散格式所得到的軸向速度分布與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比,最大軸向速度誤差分別為5.75 %和9.04 %.由此得出,二階迎風(fēng)格式比QUICK離散格式更能真實(shí)地反映圓形噴嘴射流流場.這是因?yàn)?,盡管控制方程的QUICK離散格式具有近三階精度,但其一般適用于轉(zhuǎn)動及旋流流場的預(yù)測,對于圓形噴嘴水平射流流場,控制方程二階迎風(fēng)格式更能真實(shí)地反映其流場特性.
圖6 不同離散格式下軸向速度與實(shí)驗(yàn)值的對比
3結(jié)論
為了提高對圓形噴嘴射流流場特性數(shù)值模擬研究的準(zhǔn)確性,本文采用CFD方法分別從湍流模型選取、網(wǎng)格劃分策略、離散格式選取等3個(gè)方面對圓形噴嘴射流流場數(shù)值模擬方法的選取進(jìn)行優(yōu)化,并通過將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析得到了以下結(jié)論:
(1) 將標(biāo)準(zhǔn)k-ε、RNG k-ε、SST k-ω、標(biāo)準(zhǔn)k-ω四種湍流模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn),RNG k-ε最接近實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比誤差最小,為5.75 %.
(2) 對比3種不同網(wǎng)格劃分方案,發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格劃分方案1所得到的平均扭曲率最小,為0.187,由此說明該方案網(wǎng)格質(zhì)量最佳.
(3) 控制方程中二階迎風(fēng)格式和QUICK離散格式所得到的軸向速度分布與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比,最大誤差分別為5.75 %和9.04 %,由此得出,二階迎風(fēng)格式所得到的軸向速度分布數(shù)值結(jié)果比QUICK離散格式更接近實(shí)驗(yàn)值.
參考文獻(xiàn):
[1]Jin Y,Cheng Y.Chemical Engineering in China:Past,Present and Future[J].American Institute of Chemical Engineers Journal,2011,57(3):552-560.
[2]Luo P C,Cheng Y,Jin Y,et al.Fast Liquid Mixing by Cross-flow Impingement in Millimeter Channels[J].Chemical Engineering Science,2007,62(22):6178-6190.
[3]王明沖.高效射流混合裝置[J].油氣田地面工程,2009,28(9):87-88.
[4]Paul E L.Handbook of Industrial Mixing:Science and Practice[M].New York:John Wiley & Sons,2004:5-10.
[5]駱培成,程易,汪展文,等.液-液快速混合設(shè)備研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展,2005,24(12):1319-1326.
[6]張勃,吉洪湖,曹廣州,等.寬高比對矩形噴管射流湍流強(qiáng)度影響試驗(yàn)[J].航空動力學(xué)報(bào),2010,25(10):2244-2248.
[7]王長園,劉福水,吳文鋒.高壓甲烷氣體碰壁射流擴(kuò)散與卷吸特性的試驗(yàn)[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2012,30(5):423-428.
[8]Bayazitoglu Y,Peterson J.Modified Similarity Prediction of Jet and Buoyant Jet Entrainment in the Transition Region[J].Experimental Thermal and Fluid Science,1990,3(2):174-183.
[9]肖洋,唐洪武,阿衣丁別克·居馬拜.橫流中多孔射流的稀釋特性實(shí)驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)流體力學(xué),2011,25(5):35-39.
[10]陳慶光,徐忠,吳玉林,等.矩形管湍流沖擊射流場的PIV實(shí)驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)流體力學(xué),2005,19(1):87-93.
[11]蘆綺玲,陳 剛.多孔紊動射流的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展[J].水科學(xué)進(jìn)展,2008,19(1):137-146.
[12]余常昭,李春華.圓形斷面自由湍動射流卷吸的實(shí)驗(yàn)研究[J].氣動實(shí)驗(yàn)與測量控制,1996,10(1):31-38.
[13]Fluent.GAMBIT 2.2 Tutorial Guide[M].Lebanon:Fluent Incorporated,2004:16-18.
Optimization of Numerical Simulation for Characteristic of Circular Nozzle Jet
WANG Yan-fen,YU Yan-fang,MENG Hui-bo,WANG Feng,WU Jian-hua
(Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142, China)
Abstract:To improve the accuracy and reliability of the numerical study for circular nozzle jet,four turbulent models,three kinds of mesh generations and two discretization schemes were used to simulate the characteristic of the circular nozzle jet flow field in this paper.The result showed that RNG k-ε model could reflect the real circular nozzle jet flow field more accurately than another three turbulent models.It turned out that the average skewness of the first meshing scheme was the minimum.At last,taking the two discretization schemes into consideration,it was found that second order upwind got a closer result to the experimental value than QUICK discretization scheme.
Key words:circular nozzle;jet;numerical simulation;turbulence model;mesh generation
中圖分類號:TQ051.7
文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
doi:10.3969/j.issn.2095-2198.2016.01.011
文章編號:2095-2198(2016)01-0055-05
作者簡介:王艷芬(1988-),女,河南安陽人,碩士研究生在讀,國家獎(jiǎng)學(xué)金獲得者,主要從事高效化工設(shè)備的研究.通訊聯(lián)系人:吳劍華(1951-),男,遼寧沈陽人,教授,碩士,主要從事化工過程強(qiáng)化的研究.
基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金(21106086,21306115,21476142);遼寧省博士科研啟動基金(20131090);遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(LR2015051)
收稿日期:2013-12-20