90°弯管管道螺旋流的数值模拟

　　螺旋流是指同时存在轴向、径向及切向速度分量的一种特殊流动，其中切向速度的存在可以使固粒悬浮在流场中，达到传质、掺混的作用。螺旋流在工业方面的应用范围很广，如射流技术、燃烧技术、气力输送、旋风分离及涡管排沙等。在燃烧器中利用螺旋流可以稳定火焰同时强化燃料和空气的混合来加强热量和质量的交换，这样可以使燃料充分燃烧以达到节能的目的。此外龙卷风也是自然界中常见的一种螺旋流现象[1]。

　　一般来说，螺旋流的产生方法有3种：切向进流、安装导流片以及旋转管道[2]。对于旋转管道中的螺旋流，西安交通大学对立式和卧式螺旋管内气液两相流研究比较全面，特别是对螺旋管流的流型做了大量的研究，并建立了流型图[3]。在涡管排沙方面，石河子农学院的张开泉从能量角度解释了螺旋流具有强大输沙能力的原因[4]。太原理工大学的兰雅梅等对带有局部起旋器的圆管螺旋流进行了数值模拟，并用实验验证了模拟结果[5]。张洪军等采用激光多普勒测速仪对方形截面90°弯管内的气固两相流动进行了测量，并对单相气体流动和气粒流中的气相流动进行了具体分析[6]。而K.Mo-hanarangam等运用了欧拉模型模拟了方形截面90°弯管内的气固两相流，由此验证了激光多普勒测速仪对其的测量结果[7]。对弯管处的淤积问题很少有人涉及，故本文采用切向进流及90°弯管对螺旋流进行数值模拟。

　　1　管道几何模型及数值方法

　　为了研究弯管内螺旋流产生后的流动规律，本文使用计算流体力学软件FLUENT进行数值模拟，图1是CFD的具体计算流程，采用了标准k-ε模型作为湍流模型，并采用稳态、显式求解方法，以便较快得到收敛的结果，用SIMPLE算法求解速度和压力的耦合关系，动量、能量、湍动能和耗散率的离散格式均取一阶迎风差分格式，壁面附近采用标准壁面函数方法处理[8]。

　　连续性方程：

　　动量守恒方程：

　　标准k-ε模型中湍动能k和耗散率ε，与之相对应的输运方程为：

　　在式 (1)至 (5)中，ρ是密度，t是时间，u是速度矢量，u、v、w是速度矢量在x、y、z向的分量。在式 2)中，Su、Sv和Sw是动量守恒方程的广义源项。式 (3)、(4)、(5)中，Gk是由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项，模型常数C_1ε、C_2ε、C_3ε、σ_k、σ_ε的 取 值 分 别 为：1.44、1.92、0.09、1.0、1.3。

　　1.1　管道模型的建立

　　在FLUENT的前处理软件GAMBIT中，对管道模型建模。首先在笛卡尔坐标系中建立弯管3维模型，管径为0.1m，弯管段的弧半径为1m，对应的中心角为90°，直管段的长度为1m。网格质量对CFD计算精度和效率有着重要的影响，本文采用结构化、六面体网格，以便快速得到正确的模拟结果。在划分网格时，首先在入口端面划分边界层，对壁面网格进行加密，再划分面网格，间隔尺寸0.15，最后划分体网格，间隔尺寸0.5，如图2所示。