張海春， 周圓圓， 龔 斌， 吳劍華， 張 靜

(1.長春中車軌道車輛有限公司， 吉林 長春 130052；2.沈陽化工大學 遼寧省化工新技術(shù)轉(zhuǎn)移推廣中心， 遼寧 沈陽 110142)

車輛清洗是提高軌道服務質(zhì)量的一項重要措施.洗車污水的濁度較高，含有大量的較細泥沙顆粒.一般要對沙水進行重力分離，以達到污水排放標準.分層器是一種應用廣泛的沙水重力分離設備，通常會在分層器入口添加防沖擊結(jié)構(gòu)，吸收流體介質(zhì)的動能，改善分層器內(nèi)已分層物料流場的分布狀況.在非均相重力分離的實際應用中，進料口處設置擋板可以明顯減小流場內(nèi)的回流面積，增大有效流動區(qū)域，提高分離效率，這為分層器的設計和運行提供了參考[1].擋板的最佳位置是在回流區(qū)域，可用來破壞回流區(qū)，提高分層器的運行效率[2].在入口布置一塊徑向擋板和兩塊軸向擋板，以三塊擋板構(gòu)成的出口截面作為分層器主流場入口，其流動狀態(tài)對分離效率至關(guān)重要.張靜等[3]運用模擬的方法對擋板局域內(nèi)沖擊射流受擋板曲率和沖擊間距的影響進行分析，預測了滯點壓力和沖擊力，并利用速度場解釋了局域壓力場成因.然而，對于擋板局域和分層器內(nèi)關(guān)聯(lián)的重要環(huán)節(jié)——擋板出口截面沒有進行詳盡分析.

沖擊射流具有獨特的流動現(xiàn)象.Cooper[4]、Craft[5]和Ashforth-Frost等[6]對沖擊射流的流動結(jié)構(gòu)進行了精確的實驗測量和數(shù)值計算，發(fā)現(xiàn)在剪切層和噴嘴入口附近產(chǎn)生漩渦，其形成與射流出口雷諾數(shù)、是否受限和沖擊高度相關(guān).Ozmen等[7]利用熱線風速儀研究發(fā)現(xiàn)，近壁面徑向湍流強度存在兩個峰值，徑向擋板徑向壓力系數(shù)分布與沖擊寬度相關(guān).毛軍逵等[8]通過煙線流動可視化方法研究了柱面擋板，其中，凹柱面隨沖擊雷諾數(shù)Re的增加，在沖擊滯止區(qū)域兩側(cè)形成穩(wěn)定的旋流結(jié)構(gòu)，高壓區(qū)逐漸增強；而凹柱面上的流動不穩(wěn)定性降低并易形成回流[9-10]. Madarame 等[11]研究表明，對于向上平面射流撞擊自由面的自感振蕩，脈線法是CFD模擬的有效驗證方法和可視化補充.Torré等[12-13]利用脈線法表示沖擊射流軌跡，實驗和CFD結(jié)果吻合度較高，使用統(tǒng)計分析建立的相關(guān)性表明，對于橫流模型中的射流，脈線法能很好地描述射流軌跡.

針對擋板局域范圍內(nèi)沖擊射流受限流動，本文采用脈線法與CFD模擬相結(jié)合，對擋板局域示蹤劑濃度及出口截面上流場分布特性進行分析.通過示蹤劑對沖擊射流軌跡的可視化演示，探討擋板作用下受限沖擊射流流動特性.分析凹柱面(K>0)、平面(K=0)、凸柱面(K< 0)三種擋板形式對擋板局域受限射流出口截面上流體力學性能的影響，為立式圓筒體分層器內(nèi)非均相分離提供基礎研究數(shù)據(jù).

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型

為分析擋板形式對擋板內(nèi)及出口局域示蹤劑濃度場的影響，本文的物理模型參照文獻[3]所示結(jié)構(gòu)，附加示蹤劑加料管，如圖1所示.示蹤劑加料管為壁厚1 mm圓管，出口與主流體入口平齊.分層器抽象模型具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1.其中，擋板相對曲率定義為

表1 分層器抽象模型結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 分層器抽象模型簡圖

K=d/2R.

(1)

1.2 網(wǎng)格分布

本文是在文獻[3]的基礎上作進一步研究，網(wǎng)格方案、邊界條件及模型選擇均沿用該文獻的結(jié)論.立式分層器內(nèi)流場整體劃分邊長為8 mm的四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格.利用四面體網(wǎng)格邊上增加節(jié)點的方法，對入口局域長×寬×高=120 mm×120 mm×120 mm的正方體區(qū)域進行網(wǎng)格加密.對平擋板結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格無關(guān)性研究表明，未加密、一次加密、二次加密網(wǎng)格與三次加密網(wǎng)格的入口中心線上速度偏差分別為14.7 %、5.4 %、2.3 %.選擇二次加密網(wǎng)格作為網(wǎng)格劃分方案，三種擋板結(jié)構(gòu)水平對稱面上網(wǎng)格分布及對應單元網(wǎng)格體積如圖2所示.計算域內(nèi)總網(wǎng)格為240～279萬，細化區(qū)域單元網(wǎng)格體積范圍在0.338～2.47 mm3.

圖2 網(wǎng)格分析

1.3 模型選擇及邊界條件

研究介質(zhì)為不可壓縮流體水(ρ=998.2 kg/m3，μ=1.003×10-3Pa·s)，湍流雷諾數(shù)范圍為Re=3 000～11 000，定性尺寸為入口管直徑d=30 mm.采用Realizablek-ε湍流模型對研究對象進行模擬計算.入口為均勻速度入口，所有壁面為光滑無滑移壁面，圓筒體上下截面設置為壓力出口邊界，上下截面表壓分別為100 mm(979.2 Pa)和1 000 mm(9 792.3 Pa)水柱.

為了與實驗做對比研究，對Re=7 000(uin=0.234 m/s)條件下進行示蹤劑擴散數(shù)值模擬.其中，水循環(huán)入口中心位置設置直徑為1.0 mm的圓截面作為示蹤劑入口，在穩(wěn)態(tài)單相流計算過程中，該圓截面設置為壁面，數(shù)值計算的收斂極限設置為10-4.穩(wěn)態(tài)計算收斂結(jié)束，模型修改為非穩(wěn)態(tài)兩相流混合模型.基礎相和第二相(示蹤劑)均為不可壓縮水，直徑為1.0 mm的圓截面修改為速度入口，速度為0.234 m/s，第二相含率為1.第二相離散采用二階迎風格式，時間步為0.001 s，最大迭代次數(shù)20次，每隔1 s保存一個計算結(jié)果.

2 實驗驗證

2.1 實驗裝置

為減小分層器出口對流體流動的影響，將圖1結(jié)構(gòu)放置于1 000 mm×1 000 mm×1 000 mm方箱體中，上下留出100 mm空間，如圖3(a)所示，使流體出口設置在圓筒體上下截面上，對擋板局域流體影響最小.為節(jié)約成本，三種形式徑向擋板利用UPBOX 3D打印機制作，并增加護板，擋板與護板如圖3(b)所示.在安裝三種徑向擋板時，通過護板保持出口截面寬度b=35 mm，而且保證徑向擋板受流體沖擊時位置穩(wěn)定.

2.2 實驗流程及方法

實驗流程由水循環(huán)系統(tǒng)、示蹤劑添加系統(tǒng)、拍攝系統(tǒng)3部分組成，如圖4所示.水循環(huán)系統(tǒng)中，先在箱體中注滿水，再啟動循環(huán)泵，閥門全開以排凈循環(huán)系統(tǒng)中空氣.調(diào)整閥門，控制入口流量.在方箱外側(cè)局域出口對應位置，下軸向擋板外表面均貼附亞光白紙，降低背景對拍攝的影響，為后處理提供最佳圖像.同時，出口側(cè)上軸向擋板和護板側(cè)面貼附刻度尺[如圖3(b)]，為定量判定示蹤劑分布提供輔助參考.

圖4 實驗流程裝置

選擇酸性墨水藍溶液作為示蹤劑.示蹤劑添加系統(tǒng)由示蹤劑容器、蠕動泵、輸送管線組成.水循環(huán)系統(tǒng)流量穩(wěn)定后，啟動蠕動泵，流量控制在10 mL/min，與模擬示蹤劑速度保持一致，水循環(huán)系統(tǒng)流量計測量誤差為5‰.一定時間后可見示蹤劑流出，關(guān)閉蠕動泵，等待拍攝.

拍攝系統(tǒng)由兩個攝像機及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，相機1得到Z軸法向面圖像，相機2得到X軸法向面即擋板出口截面圖像，由軟件控制兩個攝像機同步.先啟動攝像機，再啟動蠕動泵，連續(xù)拍攝.對拍攝圖像取數(shù)值模擬對應時刻進行后處理.

2.3 模擬與實驗比較

圖5對入口Re=7 000，t=1 s，2 s，3 s，4 s四個時間點的實驗和CFD模擬的示蹤劑濃度分布作出描述.從X軸法向面圖像可以看出：示蹤劑經(jīng)歷了噴出t=1 s→撞擊徑向擋板t=2 s→向上下軸向擋板流動，受軸向擋板限制沿平擋板表面向圓筒體壁面流動t=3 s→遇壁面再向入口流動，與入口流體匯合再流向徑向擋板t=4 s.從三種類型擋板t=4 s圖像可以看出：擋板內(nèi)流體以入口水平對稱面為基準形成上下兩個對稱的旋流結(jié)構(gòu)，在擋板沖擊區(qū)流動趨勢相同，壁面射流區(qū)差異不明顯.濃度分布規(guī)律與文獻[3]對速度場的研究結(jié)論一致.

圖5 擋板出口截面示蹤劑濃度分布(Re=7 000)

圖5中多個時間點示蹤劑濃度分布云圖與CFD模擬結(jié)果類似.運用matlab對實驗圖像進行處理，不同濃度所占面積的數(shù)值模擬與實驗數(shù)據(jù)吻合程度達到90 %，從側(cè)面說明了該模擬方案對擋板內(nèi)流場預測的可行性.

3 擋板形式對出口截面流動特性的影響

擋板出口截面是流體在擋板內(nèi)流動與分離器內(nèi)流動的分界面，該截面上的流動特性直接決定了分離器內(nèi)流體的流動特性.現(xiàn)針對不同結(jié)構(gòu)擋板進行數(shù)值模擬分析，深入探究出口截面上流動參數(shù)的差異，為分離器入口擋板設計提供理論依據(jù).

3.1 靜壓力

對三種形式徑向擋板出口截面靜壓力進行分析，定義靜壓力系數(shù)為

(2)

圖6描述了擋板形式對出口截面靜壓力系數(shù)分布的影響.在出口截面上，以水平對稱面為基準形成上下兩個對稱的負壓區(qū)域.通過比較發(fā)現(xiàn)：隨著徑向擋板曲率減小，負壓中心向上下兩側(cè)軸向擋板趨近.其中，K=0.1的Cp≤-0.1區(qū)域面積最大，占出口截面總面積的69.3 %；K=0面積最小，Cp≤-0.1區(qū)域面積占總面積的48.4 %；K=-0.1的Cp≤-0.1區(qū)域面積占總面積的57.5 %.出口截面壓力低于設備入口壓力的主要原因是流動受上下軸向擋板的限制，形成對稱旋流結(jié)構(gòu)，出口截面上兩個對稱的低壓區(qū)成為回流形成的主要誘因.

圖6 靜壓力系數(shù)分布(Re=7 000)

3.2 回流比

在立式圓筒體分層器中，物料在徑向擋板的作用下，進入罐體后形成壁面射流.擋板出口截面上速度分布決定了罐體內(nèi)壁面射流流動結(jié)構(gòu)，是分層效率的關(guān)鍵因素.不同形式擋板內(nèi)沖擊射流的差異決定了出口截面上的流場特性.

圖7描述了三種形式擋板出口截面上的法向速度分布，以水平對稱面為基準形成上下對稱結(jié)構(gòu).在徑向擋板附近有明顯的出流速度(ux>0)分布；在水平對稱面兩側(cè)形成回流(ux<0).

圖7 法向速度分布(Re=7 000)

在圖7中可看出明顯的回流范圍，盡管回流速度相對較低，卻增加了阻力和擾動，對后續(xù)流動有較大影響.同時，隨著K值減小，回流區(qū)向徑向擋板移動，對分層器內(nèi)中心區(qū)域的擾動也增大.

圖8對Re=3 000～11 000范圍內(nèi)不同形式擋板出口截面上回流面積比S(回流面積與出口截面積比)進行比較，K=-0.1的回流區(qū)域面積高出平板23 %，比K=0.1高出30 %.

圖8 回流面積比例與雷諾數(shù)的關(guān)系

3.3 渦量

圖9為不同形式擋板出口截面上的二次流流線.

圖9 二次流流線(Re=7 000)

比照圖5、6、7可以看出：在水平對稱面兩側(cè)形成對稱漩渦結(jié)構(gòu)，漩渦的中心處示蹤劑濃度(t=4 s)最低，局域靜壓力最低，并產(chǎn)生回流.

為評價出口截面上二次流漩渦的強度，對該截面的法向渦量進行計算，如圖10所示.渦量定義為

(3)

由圖10可以看出：忽略壁面影響，高渦量集中在靠近分層器壁面和上下軸向擋板區(qū)域，水平對稱面附近渦量較低.高渦量區(qū)域隨擋板曲率的減小而收縮，|ωx|≤2 s-1的區(qū)域相應擴大.K=0.1，0，-0.1三種擋板|ωx|≥10 s-1的面積分別占出口截面的30.0 %、25.3 %、18.3 %.

圖10 渦量分布(Re=7 000)

圖11為Re=3 000～11 000范圍內(nèi)三種形式出口截面渦量絕對值的均值比較.隨著雷諾數(shù)的增大，不同形式擋板渦量絕對值逐漸升高.平擋板出口截面的渦量最高，凹柱面擋板略低于平擋板，凸柱面擋板遠低于其他兩種情況.K=0.1比K=0出口截面的渦量僅低2.3 %，而K=-0.1比K=0低19.8 %.

圖11 絕對渦量平均值

3.4 湍流強度

擋板出口截面(分層器入口)流體的湍流強度是設備內(nèi)流體擾動的前提條件.圖12對Re=7 000條件下三種形式擋板出口截面湍流強度分布進行描述.湍流強度定義為

(4)

由圖12可以看出：三種形式擋板出口截面上，徑向擋板近壁面湍流強度較高，出口截面中心靠近分層器壁面處偏低.凹柱面相對其他兩種擋板湍流強度分布更均勻，凸柱面最高和最低湍流強度差異最大.K=0.1，0，-0.1三種擋板I≥15 %的面積分別占出口截面的12.0 %、14.0 %、19.3 %.

圖12 湍流強度分布

圖13為出口截面上湍流強度均值計算結(jié)果.擋板形式對出口截面湍流強度均值影響較低，凹柱面板略高于其他形式擋板.雷諾數(shù)對湍流強度均值影響較大，Re=3 000～11 000范圍內(nèi)三種形式出口截面湍流強度隨雷諾數(shù)線性增長.

圖13 湍流強度均值

4 結(jié) 論

在立式圓筒體分層器入口處設置凹柱面、平板和凸柱面三種擋板，在Re=7 000、分別采用三種結(jié)構(gòu)擋板的條件下，對示蹤劑分布隨時間變化進行實驗與數(shù)值模擬，并進行比對分析.對分層器入口Re=3 000～11 000范圍內(nèi)的流場進行數(shù)值模擬，研究擋板結(jié)構(gòu)對局域流場和出口截面流體力學性能的影響.具體結(jié)論如下：

(1) 示蹤劑在擋板內(nèi)流體以水平對稱面為基準形成上下兩個對稱的旋流結(jié)構(gòu)，擋板出口截面水平對稱面兩側(cè)形成對稱漩渦和對稱的回流區(qū)域.

(2) 擋板出口截面漩渦中心的示蹤劑濃度、靜壓力系數(shù)最低，并存在較低速度的回流；出口截面上水平對稱面附近渦量較低，湍流強度較低.

(3) 凸柱面擋板出口截面上的回流面積比其他兩種擋板高出很多，絕對渦量平均值卻低很多，三種擋板出口截面湍流強度差異不大.

(4) 凹柱面擋板使出口截面上的回流面積最小，對湍流強度也起到了限制作用，相對平擋板渦量也略有下降.而凸柱面盡管導致渦量大幅度下降，但回流面積卻大幅度上升.

符號說明：

CP—壓力系數(shù)；

I—湍流強度；

K—相對曲率；

P—靜壓力，Pa；

Pin—入口靜壓力，Pa；

t—時間，s；

Vc—網(wǎng)格體積，m3；

ρ—密度，kg/m3；

uin—入口管內(nèi)平均流速，m·s-1；

ux—出口截面法向速度，m·s-1；

uy—出口截面y軸速度，m·s-1；

uz—出口截面z軸速度，m·s-1；

ωx—出口截面法向渦量，s-1.