cfd計(jì)算速度的分析

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1、CFD計(jì)算旋轉(zhuǎn)流時(shí)旋轉(zhuǎn)中心與幾何中心不重合的速度變換賈繼斌陳功(中國石油大學(xué)(北京)化工學(xué)院，北京102249)摘要：基于CFD計(jì)算旋轉(zhuǎn)流的三維速度計(jì)算值是以空間的幾何中心為基準(zhǔn)給定的。但旋轉(zhuǎn)流由于流動(dòng)的不穩(wěn)定性或空間結(jié)構(gòu)的非軸對稱性導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)流的旋轉(zhuǎn)中心偏離空間的幾何中心。這就使參照旋轉(zhuǎn)中心為基準(zhǔn)的三維速度分布不同于基于CFD計(jì)算的三維速度分布，兩者之間存在著一定的差別。在實(shí)際應(yīng)用中一般分析問題是建立在以旋轉(zhuǎn)中心為基準(zhǔn)的三維速度分布上的，因此需要將參考幾何中心CFD計(jì)算的速度變換為參考旋轉(zhuǎn)中心的速度。本文

2、以旋風(fēng)分離器為實(shí)例分析了由于基準(zhǔn)不同所產(chǎn)生的速度變化，給出了CFD計(jì)算旋流時(shí)旋轉(zhuǎn)中心與幾何中心不重合的速度變換的方法。結(jié)論也同樣適用于其他類似旋轉(zhuǎn)流的計(jì)算分析。關(guān)鍵詞：CFD，旋流，旋轉(zhuǎn)偏心，速度變換，旋風(fēng)分離器中圖分類號：TQ051.8文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號引言旋轉(zhuǎn)流是一種工業(yè)上廣泛應(yīng)用的流動(dòng)形式，如旋風(fēng)分離器，水力旋流器，旋轉(zhuǎn)射流等。一般基于CFD計(jì)算旋轉(zhuǎn)流的三維速度計(jì)算值是以空間的幾何中心為基準(zhǔn)坐標(biāo)給定的。但由于旋轉(zhuǎn)流動(dòng)過程的不穩(wěn)定性或幾何結(jié)構(gòu)上非軸對稱等原因，旋轉(zhuǎn)流的旋轉(zhuǎn)中心偏離空間的幾何中心[1]

3、，存在著旋轉(zhuǎn)偏心的現(xiàn)象，即旋轉(zhuǎn)流的旋轉(zhuǎn)中心與幾何中心不在一個(gè)軸線上，兩個(gè)中心不重合。若以不同的中心為參考基準(zhǔn)，旋轉(zhuǎn)流在空間上同一點(diǎn)的三維速度是不同的，存在著一定的差別，互相直接對等替換必定為后續(xù)的計(jì)算或分析帶來較大的誤差。在實(shí)際應(yīng)用中，由于分析問題的特點(diǎn)，在對旋轉(zhuǎn)流流場進(jìn)行分析中有時(shí)需要以旋轉(zhuǎn)中心為基準(zhǔn)的三維速度分布，此時(shí)應(yīng)對基于CFD計(jì)算的旋轉(zhuǎn)流三維速度值進(jìn)行修正，將參考幾何中心計(jì)算的流場變換為參考旋轉(zhuǎn)中心的流場。本文以蝸殼式旋風(fēng)分離器流場為CFD計(jì)算對象，重點(diǎn)分析旋風(fēng)分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)流的旋轉(zhuǎn)中心與旋風(fēng)分離

4、器的幾何中心不在一個(gè)軸線上所導(dǎo)致的速度分量之間的差異，給出了將基于幾何中心計(jì)算的流場換算到參考旋轉(zhuǎn)中心的流場的方法。結(jié)論方法也同樣適用于其他有關(guān)類似旋轉(zhuǎn)流的計(jì)算分析。1基于幾何中心的CFD計(jì)算旋轉(zhuǎn)流時(shí)的速度分布1.1數(shù)學(xué)模型及方法1.1.1幾何模型模擬旋風(fēng)分離器尺寸如圖1所示，進(jìn)氣口尺寸176mm×73mm，筒體內(nèi)徑300mm，升氣管內(nèi)徑96mm。為保證充分發(fā)展條件的成立，將出口管路加長。圖1旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)示意圖1.1.2湍流模型旋風(fēng)分離器內(nèi)流場是復(fù)雜的三維、湍流、強(qiáng)旋流場，具有很強(qiáng)的各向異性特點(diǎn)，為此采

5、用Fluent軟件計(jì)算流場時(shí)，選擇能較好地反映湍流各向異性的RSM（Reynoldsstressmodel）模型。壓力梯度項(xiàng)采用PRESTO!（pressurestaggeringoption）方法進(jìn)行預(yù)處理1.1.3邊界條件1.1.3.1入口邊界條件旋風(fēng)分離器入口邊界條件采用速度入口條件。流體為常態(tài)的空氣,入口速度Vi＝=20m/s，湍流脈動(dòng)動(dòng)能＝0.735m2/s2，＝＝0.49m2/s2，m2/s2，=17.021m2/s3，其中，＝0.09，＝1.42，為入口處的平均流速，I是湍流強(qiáng)度，DH為入口

6、水力直徑，為湍流特征尺寸。取I=0.05，，DH=0.116m。1.1.3.2出口邊界條件出口邊界條件按充分發(fā)展管流條件處理，所有變量在出口截面處軸向梯度為零，即。這種處理方法對出口截面的選擇要求比較高,一般只有當(dāng)出口區(qū)域有一平直段且離開回流區(qū)已經(jīng)較遠(yuǎn)時(shí)采用。為此在計(jì)算中將旋風(fēng)分離器的出口管路加長，以保證充分發(fā)展條件的成立。1.1.3.3壁面邊界條件壁面處采用無滑移邊界條件，默認(rèn)壁面粗糙度為0.5。壁面效應(yīng)是旋渦和湍流的主要來源,因此近壁區(qū)的處理對數(shù)值求解結(jié)果的準(zhǔn)確性有顯著影響。由于在靠近固體壁面的區(qū)域內(nèi)

7、，流底層的粘性作用增強(qiáng)而湍流擴(kuò)散相對減弱，作用于高雷諾數(shù)下的湍流輸運(yùn)方程已不能嚴(yán)格有效。近壁網(wǎng)格點(diǎn)用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)近似處理。1.1.4差分格式在Fluent中，認(rèn)的差分格式是一階迎風(fēng)格式。論分析和計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn)，階迎風(fēng)格式只具有一階精度的截差，雖然具有良好的收斂穩(wěn)定性，但數(shù)值耗散過大，尤其對于強(qiáng)旋轉(zhuǎn)流，致使結(jié)果產(chǎn)生很大的誤差；二階格式具有較高的數(shù)值計(jì)算精度，但二階格式本身具有色散性,結(jié)果會產(chǎn)生非物理震蕩，不具有守恒性；QUICK差分格式比前兩種格式都有所改善，保留了結(jié)果的守恒，又使數(shù)值結(jié)果具有二階以上的精度

8、的截差。QUICK差分格式最能準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)旋風(fēng)分離器內(nèi)的流場,二階迎風(fēng)格式只能在某些方面給出好的結(jié)果，另一些方面卻遠(yuǎn)偏離實(shí)際情況，一階迎風(fēng)格式由于精度差，根本不能用于旋風(fēng)分離器這種復(fù)雜流場的模擬。因此，本文將采用QUICK格式控制方程的離散。1.1.5算法用FLUENT程序中的離散求解器進(jìn)行數(shù)值求解的?，F(xiàn)有的對旋風(fēng)分離器內(nèi)流場的模擬,所采用的數(shù)值求解方法多采用SMPLE方法及其改進(jìn)的方法。對于一般的流動(dòng),SIMPLE算法足以滿足