用RSM模拟旋风分离器内的三维湍流流场

　　旋风分离器具有结构简单、设备紧凑、造价低、维修方便等优点,适用于高温、高压和腐蚀性环境,被普遍应用于化学、炼油、冶金、煤碳、电力等工业部门.旋风分离器是利用离心力从气体中除去粒子的设备,其内流场很复杂.

　　自旋风分离器的广泛使用以来,人们一直都在对其流动的机理进行探讨和分析,但是很长一段时间流场的计算仍停留在二维模式分析的基础上,再附加考虑轴向.最近十余年来国外学者开始着手从整体的三维观点研究流场的结构[1].目前常用的几种湍流计算模型有标准k-ε模型[2]、RNG模型、雷诺应力模型(RSM)以及代数应力模型(ASM).RSM可以计算出雷诺应力分量,因而更适用于强旋流旋风分离器流场[3].

　　1　三维湍流流场计算及RSM

　　1.1　基本方程组

　　对于完全气体和三维湍流,雷诺平均N-S方程组为

　　式中:

　　这里Sij为变形率张量.

　　1.2　雷诺应力模型(RSM)

　　雷诺应力方程模型化后可表达为

　　式中Πij为压强应变项[4].

　　湍动能量方程和湍流耗散率方程为

　　在式(1)～式(7)中,下标i,j,k,m=1,2,3.

　　1.3　守恒方程组的通用形式及算法

　　为了便于计算,将上述流体力学基本方程组式(1)～式(3)及相应的雷诺应力湍流模型式(5)～式(7)归纳成如下通用形式,对于直角坐标系(x,y,z)或(x1,x2,x3)有

　　对于曲线坐标系(x1,x2,x3),需将上述方程组进行坐标变换,变换之后有

　　式中:v1,v2,v3分别为速度沿曲线坐标系(x1,x2,x3)的协变分量;φ为相应的变量.很显然,式(8)或式(9)可以借助于SIMPLEC算法进行统一求解.

　　2　典型算例

　　2.1　结构尺寸与计算网格

　　算例采用文献[5]中所给出的旋风分离器试验模型,其具体结构如图1a,而图1b是计算时所采用的贴体曲线网格,该网格属于结构网格.

　　具体的几何参数为a=95 mm,b=38 mm,h=285 mm,d1=72.5 mm,D=190 mm,d=64 mm,H=760 mm,h1=95 mm;取入口处气体的速度为7.5 m/s.

　　2.2　计算结果与分析

　　本算例采用式(9)进行求解,湍流模式分别采用标准k-ε模型与RSM进行计算,并将计算结果与实验值作比较[5].由图2可以看出,采用RSM的计算结果与实验值最接近,它清楚地给出了涡的结构:中心附近的强制涡和外层的自由涡[6].而采用标准k-ε模型计算的结果明显没能给出这种涡结构.

　　图3给出了两种模型的计算结果与实验数据在各截面上轴向速度的比较.由图可以看出,在圆柱段,雷诺应力模型得到的计算结果与实验值基本吻合,从图中还可以看出采用RSM与实验得到的速度等于零时的位置基本相同,而且两者最大速度值也基本吻合.在r为0～0.04 m段,采用标准k-ε模型的计算结果与实验值有很大的偏差,但采用雷诺应力模型的计算结果与实验值比较接近.