旋风分离器出口边界条件对其流场模拟结果的影响.pdfVIP

旋风分离器出口边界条件对其流场模拟结果的影响 王玉梅，孙国刚， 时铭显 (中国石油大学(北京)过程装备实验室，北京102249) 摘要：本文研究比较了不同的出口边界条件对旋风分离器内流场CFD模拟结果的影响。模拟结果同LDV试验测量值的 对比表明：采用充分发展出口边界条件进行模拟所得的流场在旋风分离器的升气管、内旋流部分与LDV测量结果相比存在一 定的误差，而压力出口边界条件模拟的流场更接近于LDV测量值。因此，进行旋风分离器流场模拟时，应用压力出口边界条 件得到的计算结果更为精确。 关键词：旋风分离器；流场数值模拟；压力出口边界条件；充分发展边界条件 1、前言 旋风分离器是一种气固分离设备，它具有结构简单、设备紧凑、造价低、维修方便等优点，在石油化 工、电力等领域应用广泛。鉴于数值模拟的优点，越来越多的研究人员利用数值模拟来考察旋风分离器的 流场特性。 在数值模拟中，影响模拟结果准确性的因素有很多，其中一个重要的因素就是边界条件的设置。一般 来说，边界条件包括入口边界、出口边界和固壁边界三种，其中出口边界条件是最难处理的边界条件。文 【1】【2】 献 中已经提出了多种设置出口边界条件的方法。在旋风分离器的模拟中，入口边界条件一般设为速度 边界条件，固壁边界设为无滑移边界条件。对于出口边界条件，不同的研究者则有不同的设置方法。一般 【3】 【4】【5】[6][7][8][9] 文献中常用的出口边界条件有压力出口边界条件 和充分发展边界条件 两种。所谓充分发展 边界条件即认为出口湍流已充分发展，按充分发展管流条件来处理，沿出口截面法向的梯度设为零；压力 出口边界即设定出口的静压力为某一值。 旋风分离器升气管内实际为强旋转流动，而非一般的直管流。因此设置不同的升气管出口边界条件对 旋风分离器的流场模拟结果有无影响，迄今尚未见有文献报道。本文对比考察了采用充分发展出口边界和 压力出口边界两种不同的出口边界条件所得到的旋风分离器流场模拟结果，并根据LDV测量结果进行了评 判分析，以确定出口边界条件的设置对旋风分离器流场模拟结果的影响。 2、模型与计算方法 2 、1、几何模型 【10】 旋风分离器采用文献 中LDV测量实验中所用的模型，其结构及尺寸如图1所示，其中进气口尺寸为 122mm×63mm，筒体内径为250mm，升气管直径为79mm。 2、2、 湍流模型 目前模拟中经常运用的湍流模型包括k −ε 模型、RNG k −ε 模型和雷诺应力模型三种，其中 k −ε模型、RNG k −ε 模型是基于湍流脉动的各项同性的模型，不适合预测强旋流流动的旋风分离器 内流场；而雷诺应力模型引入了各项异性的概念，可用于计算回转流和强旋流【11】【12】。因此本文选用雷诺 应力模型来模拟旋风分离器中的气相流场，其控制方程包括连续方程、动量方程、雷诺应力输运方程和湍 【12】 流耗散率方程等，各方程具体形式见参考文献 。 1 2 、3、边界条件 v m11.s2 / （1）、入口边界条件：入口给出矩形管流充分发展速度边界条件，取入口截面平均速度 ， 入口处的雷诺应力和湍流耗散率可通过湍流强度和水力直径间接给出。 （2 ）、出