煤粉颗粒所受Magnus力的数值模拟

　　1前言

　　在气粒两相流场内，当颗粒存在旋转运动时，一般来讲，会使颗粒产生一个与运动方向垂直的升力，这就是Magnus力.Magnus力从被发现以来，已经有一个多世纪的研究历程。以往的研究更多的是局限于高R。数条件范围内进行的，只有少量文献中涉及低Re数条件下的Magnus力的研究。如文献1]中对于Re数为550、1600范围内的Mnus力进行了测量，并得到了该力与颗粒旋转速度的关系.对于低R。数条件，由于实验测量的难以实现，所以在小R。数范围内有关Magnus力尚缺少理论与实验研究结论。而在许多涉及气粒两相流动的实际工业过程中，其相应的R。数多处于该范围内。对于煤粉颗粒，其尺寸多小于100拼m，而速度接近于10m/s，此时其R。数小于100。当煤粉颗粒与壁面发生碰撞时会造成较大的旋转速度，文献[z]中采用激光全息技术测量了煤粉颗粒与船体燃烧器的壁面发生碰撞时，最大旋转速度可达1800转/分.由于缺少相应的Mag~力计算公式，所以文献中采用估算的办法来计算旋转煤粉颗粒所受的Magnus力.

　　随着计算流体力学的发展，许多流体流动问题都可以通过数值模拟的方法来解决。本文采用数值计算的方法模拟了旋转颗粒附近当有来流条件时的流体流动，通过积分颗粒表面的压力与粘性力得到颗粒所受到的气动力与Magnus力，并讨论了颗粒的旋转速度以及R。数对Magnus力的影响.

　　2数值模拟

　　本文的计算中，颗粒的凡数均在0、100的范围内，流体流动视为层流流动，其控制方程为:

　　采用流体力学计算软件FLUENTS实现流动的数值计算.计算域及边界条件如图1所示.考虑到整个流动的对称性，所以计算中取颗粒及流场的一半作为计算域.计算中颗粒尺寸保持为常数，100拼m，颗粒绕某一与流动方向垂直、且通过其中心的直线做旋转运动.由于边界条件的选取影响颗粒周围的流体流动，从而影响到颗粒的受力情况，所以图1中的尺寸均为在不影响颗粒受力的前提下通过计算选取的.

　　利用GAMBIT软件采用非正交网格对计算域进行空间离散，网格总数越为350，000个.为提高计算的精度，采用了具有三阶精度的QUICK差分格式进行方程的离散.采用SIMPLEC算法计算控制方程组.收敛判据为所有控制方程的残差和小于10-4数值计算是采用Pln450型计算机进行的，每一个条件下需要的计算时间约为6小时.

　　实际对于顺粒所受气动力与M摊卿uS力进行分析时，气动力系数与升力系数经常被采用.其定义式为:

　　其中。为颗粒旋转的角速度，rad/s.

　　3计算结果及分析