流固耦合作用下水力旋流器內(nèi)流場的數(shù)值模擬.pdf

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1、706化工機械2015年流固耦合作用下水力旋流器內(nèi)流場的數(shù)值模擬+李森“1張健1王尊策1徐德奎2徐艷1閏月娟1(1．東北石油大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院；2．北京工業(yè)大學(xué)機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院)摘要基于小變形假設(shè)，流體域采用有限體積法，固體域采用有限元法，對主直徑為28mm的水力旋流器變徑圓管內(nèi)的耦合流場進(jìn)行數(shù)值模擬研究。并對耦舍條件與非耦合條件下的速度場、壓力場和湍動能分布進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明：耦合作用對變徑圓管結(jié)構(gòu)內(nèi)流場的影響不能忽視，流體與結(jié)構(gòu)的相互作用不但改變了流場分布，還改變了結(jié)構(gòu)的運動特性，加快了流體能量的衰減。關(guān)鍵詞水力旋流器

2、變徑圓管結(jié)構(gòu)流場分布流固耦合作用中圖分類號TQ051．1文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0254-6094(2015)05-0706-05旋流分離器、離心設(shè)備及輸液管道等流體設(shè)備在運行過程中，受內(nèi)部或外界因素的干擾會存在各種微小振動，因此會使流經(jīng)振動設(shè)備的流場產(chǎn)生振蕩，而振蕩流又進(jìn)一步作用于設(shè)備上使其產(chǎn)生振動，這種流體與結(jié)構(gòu)設(shè)備相互作用耦合的問題一直被學(xué)者們關(guān)注。目前，人們更多關(guān)注的是流體與結(jié)構(gòu)的相互作用對設(shè)備安全可靠性的影響，并在結(jié)構(gòu)的安全運行和可靠設(shè)計方面取得了許多有價值的成果，為結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計提供了依據(jù)和指導(dǎo)‘1。2：。但對于一些流體設(shè)備而言，需要

3、關(guān)注的不僅是其運行的可靠性問題，更需要關(guān)注流體與結(jié)構(gòu)的相互作用對設(shè)備內(nèi)部流場流動狀態(tài)和工作性能的影響，如水力旋流器內(nèi)部螺旋流的合理流動規(guī)律。國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的數(shù)值模擬計算工作，BhaskarKU等分別用標(biāo)準(zhǔn)I

4、}一8模型、RNG矗-占模型和雷諾應(yīng)力模型(ReynoldsStressModel，RSM)對旋流器進(jìn)行數(shù)值研究，發(fā)現(xiàn)RSM與實驗之間誤差最小。。。OlsonTJ和VanOR也證實了RSM能更好地模擬旋流器的流場，并采用高階Reynold模型結(jié)合實驗對旋流分離器進(jìn)行了優(yōu)化4：近年來，復(fù)雜的運動壁面在湍流控制應(yīng)用中逐漸得到了人們的重視

5、。葛銘緯等通過直接數(shù)值模擬研究了運動壁面槽道流動∞。。黃樂萍和范寶春通過直接數(shù)值模擬的方法，對槽道湍流的展向行波狀Lorentz力控制和減阻問題進(jìn)行了研究，并探討了其機理‘6。。從目前的研究成果看，流固耦合研究主要集中在流固耦合作用對設(shè)備安全可靠性方面的影響，振動對流場的影響僅限于槽道流動、圓管內(nèi)外流場及葉輪結(jié)構(gòu)等，對振動旋流器內(nèi)螺旋流場的研究也較少，因此有必要進(jìn)行深入研究。在此，筆者研究流固耦合效應(yīng)對內(nèi)部流場的影響，挖掘內(nèi)部流場的分布規(guī)律，為旋流器的設(shè)計提供理論依據(jù)。1水力旋流器結(jié)構(gòu)水力旋流器軸截面簡圖如圖1所示。采用主直徑為28mm的常規(guī)

6、雙錐靜態(tài)水力旋流器結(jié)構(gòu)，水力旋流器工作時內(nèi)部流體流動誘發(fā)結(jié)構(gòu)振動，對內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬，并與忽略振動耦合作用即非耦合條件下的流場進(jìn)行對比分析。為了考察各截面的速度分布和壓力分布特性，分別在旋流腔與大錐交界處、大錐段、小錐段和尾管段取7個截面(z分別為30、56、113、163、263、400、700mm)進(jìn)行分析。+國家自然科學(xué)基金資助項目(11172061)，黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)計劃項目(GAl3A402)。#李森，男，1973年7月生，副教授。黑龍江省大慶市，163318。第42卷第5期化工機械707圖1水力旋流器軸截面簡圖2數(shù)值

7、模擬計算模型2．1幾何模型圖2所示為流固耦合分析采用的水力旋流器幾何模型，由流體部分和固體部分組成。流體部分為水；固體部分使用有機玻璃材料，密度為1180kg／m3，彈性模量E=3GPa，泊松比為0．4，固體部分兩端為固定約束。圖2水力旋流器幾何模型2．2流固耦合計算模型在水力旋流器變徑圓管內(nèi)，流體微元體內(nèi)應(yīng)滿足質(zhì)量守恒和動量守恒。流體部分：連續(xù)方程警+V·(pfu)=o(1)動量守恒方程芝≠+v．(p，l‘u一_r，)：o‘固體部分：平衡方程P?？凇?V·or。+工式中口，——固體當(dāng)?shù)丶铀俣仁噶浚皇痶——流體和固體體積力矢量；t——時間；H

8、——流體速度矢量；p，、p。——流體、固體密度；盯?！挛鲬?yīng)力張量；

9、r，——流體的界面應(yīng)力。在此不考慮流體在旋流器內(nèi)的溫度變化，在流體與固體交界面需要滿足力和位移相等。流固耦合方程為：rf·nr=r。·n。(4)sf=s。(5)式中／7,，、／7,?！缑嫔狭黧w、固體的法向向量；s，、s。——流體、固體位移；丁?！腆w的界面應(yīng)力。基于小變形的假設(shè)，流體域采用有限體積法，流場計算的湍流模型選用RSM，流體動網(wǎng)格采用ALE方法，結(jié)合二階精度的計算格式和非平衡壁面方法。固體域采用有限元理論，利用Newmark時間積分方法對變徑圓管結(jié)構(gòu)的動力

10、學(xué)方程進(jìn)行數(shù)值求解。采用交錯迭代式耦合求解的計算方法實現(xiàn)水力旋流器變徑圓管雙向耦合數(shù)值的計算。人口邊界采用速度人口，底流和溢流出口邊界考慮充分發(fā)展條件，設(shè)定分流比。