气垫防磨叶栅内固体颗粒的运动特性

本文结合风机的实际运行状况,通过对风机 内气固两相流动特性的研究,从空气动力学的角 度提出了风机“气垫防磨”理论。所谓“气垫叶片” 就是在叶片表面开有一定数量、大小和倾斜角度 的缝隙,并在叶片内部通入压缩空气,压缩气流从 这些缝隙中以射流的形式喷出,被紧贴壁面的横 向主气流吹斜并与之相混合,在壁面附近形成气 垫薄层,从而通过改变叶片表面附近的气流条件, 来降低粒子与叶片的撞击几率和粒子冲击叶片的 速度,这样既可以防磨又能有效地防止尘粒的沉 积与粘附,从而达到从根本上解决含尘风机的磨 损问题。

本文的计算区域为二维平面,其物理模型如图1所示,其中AB是主气流的进口边界,速度定义为u;BC是叶片壁面(射流的进口),此方向的速度定义为v;CD是出口边界;AD是对称边界。

    1　模型的建立

在本文的流动计算中,根据研究对象的流动特点,作如下基本假定:

    (1)流动为二维、定常、不可压缩粘性流动;

    (2)横流与射流为同种气体,且密度保持恒定;

    (3)流动属于稀薄悬浮流,固相的体积浓度(αV)远远小于1;

    (4)粒子是具有相同的直径、均匀的密度的圆球体,沿轨道没有破碎和聚集;

    (5)粒子的密度与气流的密度之比在1000以上;

    (6)粒子受力只考虑两相间的速度差所引起的气动粘性阻力及离子本身所受的重力;

    (7)粒子与当地流场的温度始终保持一致;

    (8)不存在任何形式的热交换。

由于所研究的是一种紊流流动,结合前人的 经验以及本文所要研究的具体问题[1],采用高雷 诺数k-ε紊流模型计算紊流核心区;对于壁面附 近的区域,采用壁面函数法。k-ε紊流模型方程 如下:

    2　斜交曲线坐标系下通用控制方程

本文采用斜交曲线坐标系来编制通用计算程 序,计算具有不规则(或规则)的物理边界问题。 根据基本假定,对直角坐标系下的通用控制微分 方程进行坐标变换,得到斜交曲线坐标系下的通 用控制微分方程为:

式中的各个项仍然保持了直角坐标系中相应 各项的意义,其中源项SΦ完全是由直角坐标中 的源项转换而来的,其它各项在变换过程中并不 给源项增添新的成分。

压力修正方程如式(4),其推导过程及具体表达式参见文献[2]。

    3　颗粒项的运动方程

根据牛顿第二定律及本文基本假定,粒子的运动方程可以写成:

按颗粒相对运动的Reynolds数范围的不同而 有不同的规律,本文采用文献[3]给出的关系式。 假设在积分时间Δt内,气流的参数为常数,