劉海豐 張國(guó)友 王振果 束珺

摘 要：以砂塵風(fēng)洞為研究對(duì)象，該風(fēng)洞采用氣流攜裹作用進(jìn)行吹砂吹塵試驗(yàn)，利用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT對(duì)砂塵風(fēng)洞內(nèi)顆粒的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，分別以砂和塵為研究對(duì)象，得到循環(huán)風(fēng)道內(nèi)含砂塵氣流流場(chǎng)分布特性，以及砂塵顆粒的沉降位置。研究結(jié)果有助于分析風(fēng)洞中的氣固兩相流流動(dòng)特征，并能根據(jù)顆粒分布情況合理采取回收措施，為砂塵風(fēng)洞的合理氣動(dòng)設(shè)計(jì)提供有效的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)洞;砂塵試驗(yàn);氣固兩相流;fluent;數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：O359 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）12-0240-02

隨著我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展和軍用裝備的改進(jìn)，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性要求越來(lái)越高，砂塵環(huán)境對(duì)軍用裝備非常重要，為了使軍用產(chǎn)品有很好的環(huán)境適應(yīng)性，必須進(jìn)行砂塵模擬試驗(yàn)。對(duì)于砂塵環(huán)境試驗(yàn)，依靠風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)回流道內(nèi)的氣流流動(dòng)，屬于氣固兩相流問(wèn)題，對(duì)于風(fēng)洞中氣固兩相流流動(dòng)特性是十分復(fù)雜的湍流，目前國(guó)內(nèi)研究相對(duì)比較少。

1 砂塵試驗(yàn)風(fēng)洞介紹

1.1 砂塵模擬試驗(yàn)介紹

砂塵模擬試驗(yàn)是由風(fēng)機(jī)推動(dòng)一定濃度的砂塵以一定的流速沿著循環(huán)的流道吹過(guò)試驗(yàn)樣品表面，主要用于評(píng)價(jià)可能暴露于干燥的吹砂、吹塵或降塵條件下，試驗(yàn)樣品的適應(yīng)能力。其中，小顆粒塵（直徑≤149μm）試驗(yàn)用于評(píng)價(jià)對(duì)試驗(yàn)樣品可能阻塞開(kāi)口、滲入裂縫、軸承和接頭的灰塵抵御能力，也可用來(lái)評(píng)價(jià)過(guò)濾裝置的工作效能;吹砂（直徑150μm～850μm）試驗(yàn)用于評(píng)價(jià)試驗(yàn)樣品能否在吹砂條件下貯存和工作。

1.2 砂塵風(fēng)洞總體介紹

本風(fēng)洞主要用途為砂塵環(huán)境模擬試驗(yàn)，采用閉口回流風(fēng)洞構(gòu)型立式放置。風(fēng)洞由穩(wěn)定段、收縮段、試驗(yàn)室、第一拐角、第一過(guò)渡段、第二拐角、沙塵過(guò)濾室、離心風(fēng)機(jī)、擴(kuò)散段、等直段、第三拐角、第二過(guò)渡段和第四拐角等部分組成，氣動(dòng)外形如圖1所示。

氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)采用立式回流式風(fēng)洞構(gòu)型，回流風(fēng)洞的優(yōu)勢(shì)在于流場(chǎng)受周?chē)h(huán)境影響很小，長(zhǎng)度方向所占空間小，并且易于溫濕度控制。回流風(fēng)洞還可調(diào)節(jié)風(fēng)洞內(nèi)壓力，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)段微負(fù)壓控制，減少塵的外漏，減小對(duì)環(huán)境的污染。

針對(duì)氣固兩相流流場(chǎng)特點(diǎn)及環(huán)境試驗(yàn)特色，該風(fēng)洞設(shè)計(jì)采用在第一拐角和第二拐角處未設(shè)置拐角導(dǎo)流片，第三、四拐角設(shè)置導(dǎo)流片的方式。這主要是因?yàn)榈谝还战翘幮柙O(shè)置試驗(yàn)件進(jìn)出試驗(yàn)段的門(mén)，拐角導(dǎo)流片的存在會(huì)將試驗(yàn)件的進(jìn)出通道堵塞;另外，第一拐角不設(shè)置導(dǎo)流片氣流可急劇拐彎上升，同時(shí)在第一拐角下部產(chǎn)生死水區(qū)，有利于砂粒在此處的沉積，而在第一拐角下方也設(shè)置有砂?；厥昭b置，導(dǎo)流片的存在也會(huì)對(duì)回收裝置產(chǎn)生不利影響。第二拐角對(duì)試驗(yàn)單元內(nèi)砂粒的沉積具有較大的影響，且具有導(dǎo)流片的構(gòu)型沉砂效果也不是最好，所以第二拐角的形式選擇由最終的沉砂效果選定。第三、四拐角設(shè)置導(dǎo)流片主要是降低風(fēng)速模擬系統(tǒng)能量損失和增加流經(jīng)拐角氣流的均勻性。

2 風(fēng)洞模型的建立

解決復(fù)雜流動(dòng)數(shù)值模擬中，將氣固兩相流模型分為四種，即隨機(jī)離散模型（Euler-Lagrange Model）、歐拉模型（Eulerian Model）、VOF模型（Volume of Fluid Model）和混合模型（Mixture Model）。

解決多相流問(wèn)題的第一步，就是從各種模型中挑選出最能符合實(shí)際流動(dòng)的模型。依據(jù)砂粒與空氣的體積比率與10%的比較結(jié)果，針對(duì)砂塵風(fēng)洞中砂塵運(yùn)動(dòng)軌跡的模擬本文采用歐拉模型。

2.1 幾何模型

本次計(jì)算中軌跡模擬從投放點(diǎn)模擬到風(fēng)機(jī)入口，此段風(fēng)洞為軸對(duì)稱(chēng)模型，故可只進(jìn)行半模計(jì)算，采用辦模模型作流場(chǎng)計(jì)算，完全按風(fēng)洞圖紙生成數(shù)值計(jì)算域，但為了更好地模擬實(shí)際的風(fēng)洞流道內(nèi)的流動(dòng)，對(duì)流道模型進(jìn)行了修正，經(jīng)過(guò)修模后得到的半模模型如圖2所示。

另外，本分析采用半個(gè)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，因?yàn)樵撃Ｐ偷恼麄€(gè)內(nèi)流道無(wú)論是流道的形狀還是流體的流動(dòng)都是對(duì)稱(chēng)的。即采用對(duì)稱(chēng)邊界條件，選取Z=0截面作為對(duì)稱(chēng)面，施加對(duì)稱(chēng)邊界條件，對(duì)稱(chēng)面的法向速度為零，對(duì)稱(chēng)面所有變量的法向梯度為零。

網(wǎng)格分布是流動(dòng)控制方程數(shù)值離散的基礎(chǔ)，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接影響到計(jì)算的斂散性及結(jié)果的精度。本次計(jì)算采用ICEM劃分的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為69.3萬(wàn)，計(jì)算網(wǎng)格如圖3所示：

2.2 數(shù)值模型

歐拉模型中將兩相視作不同的兩種連續(xù)介質(zhì)（用歐拉方法描述），多相流動(dòng)的控制方程的通用形式為：

式中，，分別代表各相的體積含量和密度;和則分別是交換系數(shù)和源項(xiàng);代表任意的守恒特性。對(duì)兩相紊流進(jìn)行模擬時(shí)，必須引入，并考慮速度、密度、以及其它量之間的關(guān)系，從而求解各變量的時(shí)均值。

具體到本文采用的氣固兩相流雙流體模型，氣固兩相的連續(xù)性方程為：

動(dòng)量守恒方程：

式中：為體積分?jǐn)?shù)，為密度，為速度，為黏性應(yīng)力，為氣體壓力，為重力加速度，為拖曳系數(shù)，為固體壓力。下標(biāo)表示固相，表示氣相。其中是用來(lái)描述氣固兩相間動(dòng)量交換的物理量，表達(dá)式為：

3 模擬仿真與結(jié)果分析

由于本次計(jì)算中砂和塵的體積比均小于10%，現(xiàn)階段采用DPM法對(duì)砂塵軌跡進(jìn)行求解，采用Fluent軟件實(shí)現(xiàn)。

3.1 邊界條件建立

3.1.1 砂試驗(yàn)計(jì)算狀態(tài)

試驗(yàn)段入口（入口）速度30.21m/s;離心風(fēng)機(jī)入口（出口）速度12.77m/s;砂的平均粒徑377um、初速度30.21m/s、密度2600kg/m3、砂濃度2.2g/m3（換算成質(zhì)量流量為0.6kg/s）。

3.1.2 塵試驗(yàn)計(jì)算狀態(tài)

試驗(yàn)段入口（入口）速度10m/s;離心風(fēng)機(jī)入口（出口）速度10m/s;砂的平均粒徑100um、初速度10m/s、密度2330kg/m3、砂濃度10.6g/m3（換算成質(zhì)量流量為3.3kg/s）。

采用分離求解器（Segregated）進(jìn)行求解，采用DPM算法，離散格式全部采用二階迎風(fēng)格式，對(duì)砂塵風(fēng)洞進(jìn)行模擬分析，迭代2000次達(dá)到收斂。

3.2 仿真分析

砂試驗(yàn)結(jié)果分析，如圖4所示。

如圖5所示，可以看出，由于砂的粒徑取值較大，其平均粒徑為377um，所有的砂在第一拐角之前大部分就已經(jīng)沉降了，從圖中可以的得到沉降范圍。

對(duì)于砂試驗(yàn)，在試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)段及其后部就是一個(gè)自然沉降室，氣流攜裹砂粒在層流或者接近層流的狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)，通過(guò)重力作用使砂粒從氣流中分離的，根據(jù)國(guó)軍標(biāo)規(guī)定，18m/s的風(fēng)速才能吹動(dòng)砂粒，也就是18m/s以上的風(fēng)速才能攜帶沙粒，所以試驗(yàn)過(guò)程中經(jīng)試驗(yàn)件后大部分的砂會(huì)沉降在風(fēng)道內(nèi)底部。只有少量的小粒徑的砂以及砂之間相互撞擊形成的小粒徑的砂不會(huì)沉降。也就是說(shuō)小顆粒的砂灰隨著氣流流經(jīng)至風(fēng)機(jī)。

塵試驗(yàn)結(jié)果分析，如圖6所示。

從圖6可以得到塵的運(yùn)動(dòng)軌跡，其結(jié)果顯示塵的沉降主要還是集中在砂塵過(guò)濾室。原因是塵的粒徑較小，不易沉降，經(jīng)第一拐角仍會(huì)有大部分塵進(jìn)入風(fēng)機(jī)段，所以設(shè)計(jì)時(shí)要考慮風(fēng)機(jī)的容塵功能，以降低沙塵顆粒對(duì)風(fēng)機(jī)葉片等關(guān)鍵部件的磨蝕沖蝕等不利影響。

根據(jù)砂塵試驗(yàn)的特點(diǎn)，吹砂試驗(yàn)時(shí)重力影響明顯，大部分砂會(huì)沉降而被回收，系所以統(tǒng)需要不斷提供試驗(yàn)所需求的砂，而吹塵試驗(yàn)時(shí)，塵會(huì)隨著氣流在整個(gè)風(fēng)道內(nèi)循環(huán)，沉降的塵很少，小部分塵會(huì)附著在風(fēng)道上，所以，塵采用總量控制，即按照風(fēng)洞容積以及塵的濃度要求進(jìn)行配比，而砂試驗(yàn)則需要不斷補(bǔ)充沉降的砂，以保證滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

采用數(shù)值模擬的辦法研究氣固兩相流是一個(gè)十分有效而又具有重大意義的手段，通過(guò)仿真模擬可以看到砂塵風(fēng)洞內(nèi)砂塵顆粒分布以及沉降情況：（1）通過(guò)分析砂塵顆粒的分布有利于：對(duì)砂塵的回收位置的布置提供理論依據(jù);（2）通過(guò)顆粒的沉降情況分析，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中砂塵的投放提供更合理的方案;（3）通過(guò)沉降情況可以更合理的優(yōu)化風(fēng)洞流道，便于砂塵沉降，降低沙塵顆粒對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的磨蝕。

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