气固两相旋流中气粒两相流场特性数值模拟

　　气尘两相旋流已被普遍应用于动力工程和环境化学工程的旋转分离装置中,探索其气固多相流流动特性已越来越受到众多科研人员的重视[1]。研究旋转分离器的流动特性、降阻和提高其除尘效率,原来多用纯实验或半经验设计法。S.L. Soo曾提出简化的分析解。近年来Swithenbank等提出用数值模拟研究旋转分离器内部两相流场,以进行优化,改善其设计。考虑气固相间耦合,研究分离器内流场特性则少见报道[3～4]。

　　笔者认为,相间的相互作用可能会对其流场特性产生较大的影响,基于此,根据分离器特征,对气相采用κ-ε模型及代数应力模型,对颗粒相用随机轨道模型,考虑相间的耦合,应用SIMPLEC方法,成功地进行了气尘两相旋流中气粒两相流场及尘粒运动特性数值模拟.

　　1　物理模型

　　气尘两相旋流中尘粒在流道内不具有独立运动的能力,它依靠气流作用而发生运动;当含尘气流从下部切向进入旋转分离器后,气流带着尘粒旋转上升,同时尘粒因惯性而向壁面运动。分离装置内多相流体的流场特性直接影响尘粒分离效率,研究对象如图1所示。整个分离器外筒体高27 m,直径5.2 m;内锥体高11.49 m,直径2 m;内锥体顶部锥角度63.5°;方形入口段为渐缩、缩放,长度7.551 m;出口段渐缩,长度3.67 m。

　　2　数学模型

　　模拟对象的流场具有如下特点:

　　(1)整个流场计算绝对坐标原点定在入口截面中心点,圆柱坐标与出口段直角坐标采用相对坐标,求解坐标系采用混合坐标系,即分离器进出口管段采用直角坐标,分离器筒体采用圆柱坐标,气流和尘粒的速度分别用U和V表示。

　　(2)尘粒为球形,其初始径向、轴向速度为零,初始切向速度Vθ为分离器入口气流速度Uθ;气固两相旋流流场为稳定的等温流场,密度与粘性系数均为常数。

　　旋转分离器内流体流场特性的数学模型用张量的形式表示为

　　式中:ρ为流体密度;p为静压力项;μ为有效动力粘度,μ=μl+μT,其中:μl为层流动力粘度,μT为湍流动力粘度,在强湍流情况下,μT μl,则有μ=μT=Cuρκ2/ε;相对运动雷诺数Rek= (Vki-

　　3　离散差分与数值解法

　　为编程求解方便,方程可以描述为如下通用形式[5]

　　式中:ω为通用因变量;Γωz及Γωr分别为ω在z及r方向的运输系数;Sω、Skω为源项。各方程中ω、Γωz、Γωr、Sω、Skω的含义由式(1)～(4)确定。其计算要点是建立交错网格系统(见图2,网格划分时采用局部加密及段与段之间融合处理技术,划分网格单元数为136 160个,节点数150 379个),用控制容积法和全隐式、上风差分和源项线性化等措施获得拟线性差分方程组,利用压力校正方程对迭代计算进行不断校正,使其迭代解向真实解收敛。求解方法采用SIMPLEC方法进行,拟线性方程组运用ADI法在东北及西南向多交替迭代次扫描求解。