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        單顆粒旋轉(zhuǎn)對(duì)氣體湍流變動(dòng)影響分析

        2017-01-09 08:15:11朱玉全王洪遠(yuǎn)煙臺(tái)南山學(xué)院
        電子制作 2016年22期
        關(guān)鍵詞:圓球雷諾數(shù)湍流

        劉 麗 朱玉全 王洪遠(yuǎn) 黃 杰 煙臺(tái)南山學(xué)院

        單顆粒旋轉(zhuǎn)對(duì)氣體湍流變動(dòng)影響分析

        劉 麗 朱玉全 王洪遠(yuǎn) 黃 杰 煙臺(tái)南山學(xué)院

        基于 Realize k-湍流模型對(duì)圓球繞流進(jìn)行數(shù)值模擬分析。改變顆粒雷諾數(shù)和旋轉(zhuǎn)速度系數(shù),獲得單顆粒旋轉(zhuǎn)作用所引起的氣體湍流變動(dòng)規(guī)律:顆粒旋轉(zhuǎn)速度系數(shù)越大,顆粒對(duì)尾跡區(qū)的湍流削弱作用越大,尾跡渦流區(qū)湍動(dòng)能越小,氣體湍流變動(dòng)相應(yīng)越?。粏晤w粒旋轉(zhuǎn)湍流變動(dòng)與顆粒雷諾數(shù)、顆粒旋轉(zhuǎn)速度系數(shù)呈二次多項(xiàng)式。

        圓球繞流;顆粒旋轉(zhuǎn);湍流變動(dòng)

        引言

        顆粒對(duì)氣相湍流變動(dòng)影響一直是多相流[1]研究領(lǐng)域的國(guó)際熱點(diǎn)問(wèn)題之一,目前已經(jīng)提出一些經(jīng)驗(yàn)或者半經(jīng)驗(yàn)的湍流變動(dòng)模型[2],但這些模型精度有待進(jìn)一步提高,最關(guān)鍵的問(wèn)題是對(duì)顆粒增強(qiáng)湍流的規(guī)律認(rèn)識(shí)不夠深入,其中并沒(méi)有考慮顆粒旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響,顆粒旋轉(zhuǎn)作用[3-5]對(duì)湍流變動(dòng)的影響是不可忽略的。

        對(duì)繞過(guò)圓球的氣體湍流流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬,研究單顆粒旋轉(zhuǎn)作用對(duì)氣體湍流變動(dòng)的影響規(guī)律,為構(gòu)建考慮顆粒旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的顆粒尾渦增強(qiáng)氣體湍流模型提供重要依據(jù)。

        1.計(jì)算模型

        1.1 幾何模型的建立

        單顆粒旋轉(zhuǎn)計(jì)算幾何模型如圖1所示。顆粒的旋轉(zhuǎn)角速度為ω(逆時(shí)針為正,順時(shí)針為負(fù)),為了計(jì)算方便引入一無(wú)量綱量顆粒旋轉(zhuǎn)速度系數(shù)α,定義為顆粒的旋轉(zhuǎn)切向速度ωD/2與來(lái)流速度ν之間的比值,即α=ωD/2ν。

        1.2 湍流模型選擇

        Realize k-ε湍流模型最大優(yōu)點(diǎn)是能夠比較精確地預(yù)測(cè)二維和圓形射流的擴(kuò)散率。該模型在旋流、較強(qiáng)逆壓梯度邊界層流動(dòng)、分離流動(dòng)以及回流等流動(dòng)中具有較好的性能。因此,本文選擇Realize k-ε湍流模型。

        1.3 邊界條件

        通過(guò)對(duì)圓球繞流來(lái)模擬計(jì)算顆粒旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)湍流變動(dòng)的影響。入口采用速度入口邊界,其大小根據(jù)雷諾數(shù)Re=ρνd/μ計(jì)算得到,選用空氣為介質(zhì), ρ=1.225kg/ m3, μ=1.789×10-5kg/m·s,圓球直徑為d=1mm。出口邊界采用自由出流邊界。圓球壁面采用無(wú)滑移邊界,圓球的旋轉(zhuǎn)通過(guò)其壁面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn),逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正旋,反則,順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為反旋。

        2.計(jì)算結(jié)果與分析

        研究單個(gè)顆粒旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)湍流變動(dòng)的影響規(guī)律,進(jìn)行單個(gè)顆粒的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)分析,對(duì)比無(wú)旋條件下湍流變動(dòng)情況,獲得單個(gè)顆粒旋轉(zhuǎn)湍流變動(dòng)規(guī)律。

        2.1 單顆粒旋轉(zhuǎn)湍流變動(dòng)分析

        圖2為Reρ=600時(shí)氣體湍流變動(dòng)隨顆粒旋轉(zhuǎn)速度系數(shù)的變化曲線。從圖中可以看出,對(duì)于顆粒旋轉(zhuǎn)速度系數(shù)為0時(shí),也就是顆粒無(wú)旋,顆粒引起的湍流變動(dòng)值為正,顆粒尾跡區(qū)處于湍流增強(qiáng)狀態(tài)。當(dāng)顆粒旋轉(zhuǎn)時(shí),顆粒所引起的尾跡區(qū)氣體湍流變動(dòng)還是大于0,顆粒旋轉(zhuǎn)作用并沒(méi)有改變顆粒尾跡區(qū)所處的湍流增強(qiáng)狀態(tài),只是相比較無(wú)旋情況,顆粒旋轉(zhuǎn)作用所引起的氣體湍流變動(dòng)值有所減小,顆粒旋轉(zhuǎn)作用削弱顆粒尾跡區(qū)的湍動(dòng)能。隨著顆粒旋轉(zhuǎn)速度系數(shù)的增大,顆粒旋轉(zhuǎn)作用加劇,顆粒引起的氣體湍流變動(dòng)逐漸減小。

        表2為Reρ=600時(shí),顆粒旋轉(zhuǎn)作用下氣體湍流變動(dòng)相對(duì)變化值。從表中可以看出,隨著顆粒旋轉(zhuǎn)速度系數(shù)的增大,氣體湍流變動(dòng)相對(duì)值逐漸增大,最大為27.64%,說(shuō)明顆粒旋轉(zhuǎn)作用對(duì)顆粒尾跡區(qū)的氣體湍流變動(dòng)影響比較大。

        在實(shí)際情況中,氣體的湍流變動(dòng)與顆粒雷諾數(shù)和顆粒旋轉(zhuǎn)作用都有關(guān)系。所以,需要研究這兩個(gè)因素共同作用下氣體湍流變動(dòng)的規(guī)律。

        圖3為不同顆粒雷諾數(shù)條件下,氣體湍流變動(dòng)隨顆粒旋轉(zhuǎn)速度系數(shù)的變化曲線圖。從圖中可以看出:對(duì)于給定的顆粒雷諾數(shù),氣體湍流變動(dòng)隨著顆粒旋轉(zhuǎn)速度系數(shù)的增大而有減小,顆粒旋轉(zhuǎn)作用對(duì)顆粒尾跡區(qū)的湍流主要起削弱作用;顆粒雷諾數(shù)越大,氣體湍流變動(dòng)減小量越大,這說(shuō)明顆粒雷諾數(shù)越大,顆粒旋轉(zhuǎn)作用越容易削弱湍流;對(duì)于給定的顆粒旋轉(zhuǎn)速度系數(shù),無(wú)論是無(wú)旋還是正旋,氣體湍流變動(dòng)隨著顆粒雷諾數(shù)的增大而增大。

        綜合考慮顆粒雷諾數(shù)與顆粒旋轉(zhuǎn)速度系數(shù)這兩個(gè)因素對(duì)氣體湍流變動(dòng)的影響,提出氣體湍流變動(dòng)與顆粒雷諾數(shù)和顆旋轉(zhuǎn)速度系數(shù)的關(guān)系式為:

        通過(guò)數(shù)據(jù)擬合可以得到(1)中的各項(xiàng)系數(shù)分別為:C1=9.11×10-8;C2=14.89577;C3=-0.0 3 3 3 1; C4=0.0 0 6 8 0 3;C5=14.84371;C6=-2.33897。

        3.結(jié)論

        基于圓球繞流,研究單顆粒旋轉(zhuǎn)作用對(duì)氣體湍流變動(dòng)的影響規(guī)律。單個(gè)顆粒湍流變動(dòng)的影響分析結(jié)果表明:

        圖1 單顆粒旋轉(zhuǎn)計(jì)算幾何模型

        圖2 湍流變動(dòng)隨顆粒旋轉(zhuǎn)速度系數(shù)的變化曲線

        表2 顆粒旋轉(zhuǎn)作用下氣體湍流變動(dòng)相對(duì)變化值

        圖3 不同顆粒雷諾數(shù),氣體湍流變動(dòng)隨顆粒旋轉(zhuǎn)速度系數(shù)的變化曲線

        (1)顆粒旋轉(zhuǎn)作用對(duì)尾跡區(qū)的氣體湍流起到削弱作用,顆粒旋轉(zhuǎn)速度系數(shù)越大,顆粒對(duì)尾跡區(qū)的湍流削弱作用越大,尾跡渦流區(qū)湍動(dòng)能越小,氣體湍流變動(dòng)相應(yīng)越?。?/p>

        (2)單顆粒旋湍流變動(dòng)滿(mǎn)足關(guān)系:

        這些規(guī)律為后期多顆粒旋轉(zhuǎn)湍流變動(dòng)分析以及顆粒旋轉(zhuǎn)作用湍流增強(qiáng)模型的建立提供重要理論基礎(chǔ)。

        [1]胡曉,郜冶,彭輝等.湍流模型對(duì)空泡形態(tài)影響的數(shù)值研究[J].計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào),2015,(1):129-135.

        [2]Boulet P,Moissette S. Influence of the particle-turbulence modulation modelling in the simulation of a non-isothermal gas–solid flow[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2002,45:4201-4216.

        [3]劉叢林,郜冶,賀征等.相對(duì)流速對(duì)非球形鋁滴旋轉(zhuǎn)受力的影響[J].固體火箭技術(shù),2015,(2):214-219.

        [4]王勤輝,解桂林,楊秋輝等.鼓泡流化床內(nèi)顆粒旋轉(zhuǎn)速度的實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)粉體技術(shù),2014,20(4):8-12.

        [5]李斌,宋小龍.流化床內(nèi)顆粒旋轉(zhuǎn)特性的數(shù)值模擬[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào),2014,34(3):189-195.

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