旋风分离器气相流场的数值模拟

　　旋风分离器是一种用于进行气固分离的设备,具有分离精度高、压降小、不需动力驱动等优点,在化工、电力等方面应用广泛.也可将其用作导弹燃气发生器的过滤装置.典型的旋风分离器结构简图如图1所示.带有颗粒的气流经入口沿切向进入分离器内部,并在分离器内旋转向下流动,由于离心力的作用,固体颗粒被甩向圆筒壁,并沿圆锥部分向下进入到集料斗内,同时气流旋转向上,经过出口管离开分离器.由于旋风分离器内流场具有强旋转特性,已不适合应用标准k-E模型预报其湍流流动,作者应用Chen-Kim湍流模型对旋风分离器内气相流场进行了三维数值模拟.计算结果表明,其预报精度较标准k-E模型有显著改进,与实验结果基本吻合.

　　1　湍流模型

　　对于旋转湍流模拟采用的模型,大致可以分成3类:¹各种修正的k-E模型,包括对标准方程系数诸项的修正;º采用能模拟各向异性的雷诺应力模型(RSM);»采用代数雷诺应力模型(ARSM).由于RSM模型所需求解的方程和变量数目太多,计算量大,上机费用高,所以较少有人采用.另外,虽然原则上ARSM能够模拟湍流的各向异性,但一些研究表明,其在旋流中的应用并不成功[1,2].k-E模型具有简单、省机时的特点,在工程上得到普遍应用,尽管该模型是在各向同性假设的前提下推出,但许多研究表明对其进行修正可以在一定程度上反映某种结构流动的各向异性特性,因此仍被多数人采用.

　　Chen和Kim对标准k-E模型进行了修正[3],通过引入一个附加的时间尺度(k/Pk,其中Pk表示湍动能k的体积生成率)来改善E方程的动态响应,并通过实验调整了标准k-模型的几个系数,使得其在包括旋转流动的几种复杂流动情况下能够获得满意的结果. Chen-Kim模型所采用的系数为

附加的方程源项为SE=ρC₃P²_k/k.

　　作者分别采用标准k-模型和Chen-Kim模型来模拟旋风分离器内的气相湍流流动,并加以比较.

　　2　模型及计算

　　作者计算采用的物理模型和结构尺寸与文献[4]中的旋风分离器实验模型相同,如图1所示.其中的几何参数如下:

　　由于气流速度较低,计算模型为三维不可压Reynolds平均的N-S方程,湍流模型分别采用标准k-E模型和Chen-Kim湍流模型方程.应用PHOENICS计算程序进行计算.采用贴体坐标划分网格如图2所示,网格数为40×40×40,采用的边界条件为

　　1)入口边界:入口气流为常温状态的空气,入口处流速为7.5 m/s.

　　2)出口边界:出口压力为外界大气压.

　　3)颗粒收集出口:气流流量为0,即无气流从此处流出.