fluent算例 (18)

单入口水力旋流器单相流场的数值模拟
摘要：对水力旋流器进行了网格划分，确立边界条件，基于雷诺应力模型( RSM)，采用CFD 软件FLUENT对水力旋流器的切向和轴向速度场、压力场进行了数值模拟研究，并与理论、实验结果进行了对比分析。

关键字：水力旋流器；单相流场；数值模拟；FLUENT
1前言
水力旋流器是一种用途非常广泛的分离、分级、分选的设备，由于其结构简单、操作方便、运行和维护费用低等特点被广泛用于工业生产过程中。

自20 世纪60年代以来，许多学者应用N- S 方程以及流体连续性方程在旋流器的流场、颗粒运动行为、分离机理等方面做了大量的工作，建立了许多描述湍流的模型。

其中较为成熟的模型有：零方程模型、单方程模型、双方程模型、代数应力模型和雷诺应力模型等[]1，但是受到计算机性能的限制，实现起来比较困难，仅限于单一流体的运动情况。

20世纪80 年代以来，随着现代测试技术和计算与模拟技术的飞速发展，数值模拟的准确度和可靠性不断提高，模拟值与实际值更为接近。

本文采用雷诺应力（RSM）模型，对单入口水力旋流器的单相流场进行模拟，同时分析其切向速度和轴向速度以及压力场的分布，对溢流管外壁与柱段壁面之间的旋涡数进行预测，从而为更好的分析多相流场提供参考意见。

2 水力旋流器的计算模型与数值解法
2.1 水力旋流器的计算模型
本文所选用的水力旋流器计算模型如图1所示，其主要尺寸为D=100mm，Di=30mm，Do=38mm，Du =12 mm，Ls= 100mm，L= 500 mm。

采用FLUENT中的六面体/楔形网格方法划分网格，共产生194828个六面体单元，207515个节点，如图2所示。

图1 水力旋流器的计算模型
图2 水力旋流器网格示意图
2.2 边界条件的设定
边界条件是控制方程有确定解的前提,控制方程与边界条件的组合构成对一个物理流动过程完整的数学描述。

FLUENT 提供了多种边界条件,本算例具体设置如下。

（1）进口边界：实验中的进口流量为h m Q /6.33
，进口条件可以用进口切向速度表示为：
s m A Q u u i /8.82
36001025.46.3362=⨯⨯⨯⨯===-π 根据以上条件可以计算出旋流器的进口Reynolds 准数 Re
400074665001.02.9988.8105.8Re 3>>=⨯⨯⨯==-μρ
du 式中d 、u 分别为进口管的水力直径和速度
由此可以看出水力旋流器内为强湍流流动，湍流参数为水力直径mm D H 5.8=，湍流
强度%94.37466516.0)(Re 16.08/18/1=⨯==--H D I 。

（2）出口边界：假设溢流口和底流口的流动均是充分发展的情况，以压力出口形式给出边界条件，溢流口和底流口均设定为与大气相连通,即相对压力为零，即0==Po Pu 。

（3）固壁边界：固壁边界按无滑移边界条件处理。

2.3 数值求解
基于有限差分法，将控制方程转换为可以用数值方法求解的代数方程，采用QUICK 格式的离散方法，压力—速度耦合采用 SI MPLEC 算法, 压力插值格式为PRESTO!格式。

3 数值模拟结果及分析
流体的流动是一个复杂的现象，至今还不能用数学来确切地描述。

实践中，往往在很多假设的基础上解N-S 方程，得到近似解，再用试验实测数据修正得到一个半经验的数学描述。

旋流器内的流动是一个三维不对称螺旋湍流流动，比一般的流动更为复杂，按照流动形态和流动区域的不同也可以把旋流分离器内液体的流动分为外旋流、内旋流、短路流和循环流。

由于认识旋流分离器内液体流动是了解旋流分离器分离机理的最基本知识点之一，所以人们在这方面进行了大量的理论分析和实测研究。

迄今对旋流分离器内液相流动的三维速度分布已经取得了具有共识性的一致结论，这些结论日前已被广泛接受[]3。

但不同尺寸结构的旋流器里面的流场也会有所不同，以前主要是通过大量的实验来对某种用途的旋流器进行优化，要花费大量的人力、物力以及时间。

采用数值模拟的方法更改一定的结构参数、操作参数和物性参数就可以得到旋流器内部流场，再根据不同类型旋流器的不同工作机理就可以对其进行设计、优化。

3.1 水力旋流器内切向速度的数值模拟
在水力旋流器内的三维液流运动中，切向速度具有最重要的地位。

这不仅是因为切向速
度在数值上要大于其余两向速度，更重要的是切向速度产生的离心力是旋流器固液分离的基本前提。

一般认为，水力旋流器内液流的切向速度分布符合准自由涡规律，但不同的研究者曾提出不同的数学表达式。

在所有描述水力旋流器准自由涡区液流切向速度的公式中，以Bradley 和Pulling 根据Kelsall 的实验数据所提出的表达式最为简单，也最为常用[]4
v n=
r
C
θ
式中C —常数，与旋流器操作条件及结构参数有关
n —指数，其数值一般在0.4~0.9之间
数值模拟结果如图3-1所示，为距水力旋流器底部200mm截面处（位于锥段）切向速度分布图。

图中曲线表示在旋流器的锥段位置上，切向速度与径向位置r的相互关系。

由图3-1可以得到，切向速度分布大致符合准自由涡规律，模拟结果与前人的理论成果以及实验结果[]4图3-2吻合良好；在接近柱体的切向流动中，切向速度呈双峰状分布，而且随流动在旋流管中向下游的不断推进，逐渐减弱。

图3-1 水力旋流器内切向速度的分布示意图
图3-2 切向速度沿径向分布的实验结果
3.2水力旋流器内轴向速度的数值模拟
轴向速度的分布反映了流体向两个轴向出口的流动情况，影响流体在旋流器内停滞的时间，停滞时间越长，越有利于分离。

其中溢流管外壁与柱段壁面之间轴向速度分布决定了该区域的旋涡数。

图4-1 水力旋流器内轴向速度的分布示意图
图4-2 轴向速度沿径向分布的实验结果
从距水力旋流器底部340mm截面处（位于溢流管外壁与柱段壁面之间）的轴向速度分布图图4可以看到，轴向速度几乎呈轴对称分布，由旋流器壁向内，随着半径的减小，轴向速度逐渐增大，此时方向为负，朝向底流口，并在某处升高到最大值1.7m/s左右，之后又随半径的减小而减小，减小到0 后，继续反向增大直至0.5m/s，方向指向溢流口，之后又随着半径的减少而增大，直至0.5m/s，方向指向底流口，之后又随着半径的减少而减少，减小到0后，继续反向增至最大，方向指向溢流口，大小为3.5m/s左右。

从图中可以在溢流管外壁与柱段壁面之间共形成三个漩涡，靠近溢流管外壁的漩涡方向指向溢流口，可以抑制短路流。

通过数值模拟得到的轴向速度的分布趋势与Kelsall图4-2得到的分布趋势在容器
壁附近稍有不同。

3.3水力旋流器内压力场分布的数值模拟
图5所示为用RSM 模型对流场进行数值模拟得到的旋流器内x = 0 剖面的压力等值线分布图。

从图5中可以看到，旋流形成的压力在入口处达到最大，溢流管附近压力很小。

图5 剖面压力等值线分布图( x = 0)
图6 压力沿径向分布图
图 6 所示为距旋流器底部200mm截面处（位于锥段）x 方向的压力分布，从图 6 可以看到，随着半径的减小，压力逐渐降低，在轴心处压力降到0Pa左右，为压力最低点，通过模拟得到的压力变化规律与旋流器内部周向压力场分布相一致。

另外，从图5还可以看到，旋流器中心附近压力梯度较大，靠近壁面附近压力梯度较小。

4结论
本文对双入口水力旋流器进行了初步的数值模拟研究，研究使用了Fluent 软件，选用RSM模型，着重分析了旋流器内的切向速度场和静压力场的分布，得到几点结论：
(1) 水力旋流器内切向速度的模拟结果与以前的理论成果和实验结果吻合良好，总体的
变化趋势是从外向内逐渐升高，在空气柱附近达到最大值，然后以很大的幅度降低，同理论分析中的强制涡和自由涡相对应；
(2)水力旋流器内轴向速度的模拟结果与以前的实验结果基本吻合，在溢流管外壁与柱段壁面之间共形成三个漩涡，靠近溢流管外壁的漩涡方向指向溢流口，可以抑制短路流；
（3）运用RSM 模型对旋流器中的压力场分布进行模拟，与理论压力场分布相一致；
(4) 文章仅对介质为水的水力旋流器流场进行了初步研究，但通过上述工作可以证明，利用计算流体力学方法，选取雷诺应力湍流模型进行旋流器流场的数值模拟可以得到较为理想的计算结果。