灰塵在風管中運動軌跡數(shù)值模擬范文
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1.氣體流場的計算
1.1計算對象
圖1模擬對象
本文是以二維通道的平直段為研究對象，其尺寸為3×0.1（長×高，單位：m）。其物理模型如圖1所示。
1.2計算方法與邊界條件
對于通風管道內(nèi)湍流流動，選取了RSM模型和有限差分法。在控制方程建立起來以后，采用了Patankar和Spalding提出的SIMPLE算法來對控制方程進行數(shù)值求解[4].
計算中需要給出的邊界條件有入口條件、出口條件、中心線以及固體壁面條件。計算中對于這些邊界條件的處理采用的是通常的方法。
1.3計算結果
從圖2中可以看出，當流體從通道入口進入通道后，受流體粘性的阻礙。流體在邊界層內(nèi)的流速減小。根據(jù)連續(xù)性條件，壁面附近流動的滯緩必然促使邊界層外的流動處于加速狀態(tài)，而邊界層外的加速又抑制了邊界層的增厚及產(chǎn)生壓強的順壓梯度。在下游一定距離，通道壁上的邊界層在軸心處匯合，進入流動充分發(fā)展段。
2．粉塵顆粒軌跡的計算
2.1顆粒運動方程
通風管道中粉塵顆粒所受的作用力是比較復雜的[5]，其中包括重力、附加質量力、氣體作用于顆粒的拽力、壓力梯度力、虛假質量力以及Magnus力、Saffman力、Basset力等，此外還可能會受到熱泳和光泳的作用。
根據(jù)通風管道中流動的實際情況，本文在計算中主要考慮了重力和拽引阻力的作用，忽略了較為次要的作用力，這種簡化在不影響計算結果可靠性的同時突出了問題的主要特征，同時也回避了一些次要作用力在計算中帶來的困難。這樣，可以得到如下的顆粒運動方程式：
（1）
式中：為顆粒的單位質量拖曳阻力（dragforce），其中
（2）
式中：為氣體相速度,為顆粒速度,為流體動力粘度,為氣體密度，為顆粒密度，為顆粒直徑，Re為相對雷諾數(shù)（顆粒雷諾數(shù)
2.2顆粒相的邊界條件
（1）進口（初始）條件
本計算塵粒從通道入口噴入，速度與氣流速度相同
（2）壁面邊界條件
本計算在壁面采用逃逸離散相（reflect）邊界條件：顆粒在此處反彈而發(fā)生動量變化。
（3）出口邊界條件
本計算的顆粒相在出口取為“escape”邊界條件
3.計算結果及討論
本文分別對通道內(nèi)塵粒的運動軌跡進行了模擬。在模擬的過程中，只改變進口的速度和塵粒的粒徑，其它條件不變。
圖3進口速度為2.2m/s，粒徑為70時，塵粒的運動軌跡曲線
由圖3中可以看出，塵粒經(jīng)過一定時間運動到通道底部。塵粒的運動軌跡與塵粒所受到的力密切相關。當塵粒在通道內(nèi)運動時,它受到重力和拖曳阻力的作用。重力的大小與塵粒的粒徑密切相關，拖曳阻力的大小與塵粒和流體的速度差具有直接的關系。由上圖可知對于塵粒的粒徑為70，進口風速為2.2m/s的工況，重力的作用比拖曳阻力的影響大，最終塵粒能夠沉降到通道底部。
圖4是當塵粒和流體的進口速度為2.2m/s時,不同粒徑的塵粒的運動軌跡曲線。從圖中可以看出塵粒的粒徑在1～10之間時，塵粒沒有沉降的趨勢,不能運動至通道底部；當塵粒的粒徑大于10，塵粒開始有沉降的趨勢，當塵粒的粒徑達到50時，塵粒能夠運動至通道底部；之后隨塵粒粒徑的增大，顆粒越快運動至通道底部。當塵粒的粒徑達到70時,塵粒沉降至距通道入口0.8m處。粒徑在1～10的塵粒,雖然有沉降的趨勢,但是并不能沉降至通道底部。
結束語
灰塵的數(shù)值模擬是一個復雜的課題。其研究范圍之廣，存在問題之多。本文僅限于初步的探索。
就筆者在研究中發(fā)現(xiàn)和遇到的問題，提出以下幾點建議。
（1）時間步長的選取直接決定著計算結果的正確性。因此在以后的計算中需要多加重視。
（2）建議以后的研究中能夠進行實驗，從而將實驗與模擬相結合。
[參考文獻]
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[4]陶文銓。數(shù)值傳熱學（2）[M].西安：西安交通大學出版社,2001
[5]蘇明旭等。管式電除塵器中粉塵運動軌跡的數(shù)值模擬：[南京航空航天大學學報].2000,4
摘要：對通風管道中的氣固兩相流動流場進行數(shù)值模擬，是研究顆粒在通風管道中的運動軌跡。計算中，將氣相作為連續(xù)介質，采用RSM湍流模型，并用SIMPLE算法對流場進行數(shù)值模擬；將固相作為離散體系，采用隨機軌道法計算其運動軌跡。計算時，分別選用6種顆粒直徑為計算工況，計算結果顯示出顆粒運動軌跡，并指出其與氣流速度和顆粒直徑相關。
關鍵詞：灰塵風管運動軌跡數(shù)值模擬