基于CFD技術(shù)在離心式通風(fēng)機(jī)內(nèi)部氣固兩相流數(shù)值模擬

1、基于CFD技術(shù)在離心式通風(fēng)機(jī)內(nèi)部氣固兩相流數(shù)值模擬摘要 數(shù)值模擬方法是近些年來發(fā)展的比較迅速的一種新方法，而CFD技術(shù)是目前離心機(jī)械領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，在離心式通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中也獲得越來越廣泛的應(yīng)用。本文介紹了離心式通風(fēng)機(jī)葉輪的CFD數(shù)值模擬方法，闡述了國內(nèi)外學(xué)者在這些方面的研究進(jìn)展,總結(jié)了CFD 技術(shù)在離心式通風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)數(shù)值模擬中的應(yīng)用，重點(diǎn)闡述了介紹了CFD軟件的概況和特點(diǎn)，以及fluent軟件的組成和應(yīng)用流程，以離心式通風(fēng)機(jī)為例說明了fluent軟件離心式通風(fēng)機(jī)內(nèi)部氣固兩相流流場中的數(shù)值模擬中的應(yīng)用包括所采用的模型、控制方程，邊界條件等，并對離心式通風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)數(shù)值模擬的發(fā)展進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞

2、：CFD；Fluent;離心式通風(fēng)機(jī)；氣固兩相流動(dòng)；數(shù)值模擬1 引言氣-固兩相流通風(fēng)機(jī)廣泛應(yīng)用于氣力輸送、煤粉燃燒、航空航天、環(huán)保除塵等場合。當(dāng)含有固體顆粒的流體作為工作介質(zhì)通過葉輪機(jī)械，被流體夾帶的固體顆粒將對所流經(jīng)的固體壁面產(chǎn)生磨損作用，嚴(yán)重的將使過流部件洞穿和變形，惡化風(fēng)機(jī)內(nèi)的流動(dòng)特性。尤其對于燒結(jié)、排塵、鍋爐引風(fēng)機(jī)等，由于固體顆粒對葉片和機(jī)殼表面的經(jīng)常沖擊，使葉片和機(jī)殼磨損最為嚴(yán)重，甚至引發(fā)葉片斷裂及飛車等重大事故。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，含固體氣-固兩相流通風(fēng)機(jī)約占年產(chǎn)量40，可見研究氣-固兩相流風(fēng)機(jī)磨損具有重要的意義。離心式通風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流動(dòng)非常復(fù)雜，一般是三維的湍流流動(dòng)，由于葉輪旋轉(zhuǎn)和表面

3、曲率的影響，還伴有如分離流、回流及二次流等復(fù)雜流態(tài)，是流體工程中最難進(jìn)行試驗(yàn)和理論研究的流動(dòng)問題之一。20世紀(jì)60年代后，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，尋找問題的數(shù)值解已成為可能，所以應(yīng)用先進(jìn)的數(shù)值方法對三維葉輪的流動(dòng)進(jìn)行模擬，準(zhǔn)確地模擬出不同工況下流場中的各種細(xì)節(jié)，獲得更多的流動(dòng)特性，對流動(dòng)機(jī)理的分析及離心式通風(fēng)機(jī)的研發(fā)工作等有很大的實(shí)際意義。因此，基于以上所述，本文將主要從CFD 數(shù)值模擬在離心式通風(fēng)機(jī)內(nèi)部氣固兩相流數(shù)值模擬中的應(yīng)用現(xiàn)狀、遇到的困難及今后的發(fā)展前景等方面進(jìn)行探討。2 離心式通風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場的數(shù)值模擬方法及目前CFD 在通風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場數(shù)值模擬中的應(yīng)用對于離心式通風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場的計(jì)算，早于

4、上世紀(jì)40年代就開始了。我國在五十年代初期由著名的科學(xué)家吳仲華教授提出了葉輪機(jī)械內(nèi)部兩類相對流面理論1這一理論的研究成果對于提高葉輪機(jī)械的研究與設(shè)計(jì)水平有著劃時(shí)代的意義。上世紀(jì)80年代是是葉輪機(jī)械內(nèi)流無粘數(shù)值模擬時(shí)期，受計(jì)算機(jī)技術(shù)的制約，這個(gè)時(shí)期的內(nèi)流計(jì)算常簡化為二維不可壓勢流、準(zhǔn)三維或全三維勢流，以流函數(shù)、勢函數(shù)或歐拉方程為控制方程進(jìn)行求解。主要的求解方法有流線曲率法和準(zhǔn)正交面法。在19801990年間，離心風(fēng)機(jī)內(nèi)流的數(shù)值模擬有了新的發(fā)展，不再停留在勢流階段，而足開始綜合考慮內(nèi)流的粘性、回流及旋渦對內(nèi)流的影響，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展也使得更為復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算方法開始出現(xiàn)，包括勢流一邊界層的迭代解法，

5、渦量一流函數(shù)法等。從20世紀(jì)90年代開始，大容量、高速度計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)、矢量機(jī)的問世以及并行計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，極大地推動(dòng)了計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，離心風(fēng)機(jī)內(nèi)流數(shù)值模擬進(jìn)入了一個(gè)三維粘性數(shù)值模擬時(shí)期，通過直接求解雷諾時(shí)均方程，結(jié)合以湍流模型來計(jì)算葉輪內(nèi)的三維粘性流動(dòng)稱為離心式通風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場數(shù)值模擬的主流。這時(shí)期的數(shù)值模擬方法包括壓力修正法、時(shí)間相關(guān)法和擬可壓縮法等。離心式通風(fēng)機(jī)內(nèi)部的氣固兩相流動(dòng)的研究起步要晚一些，國內(nèi)外對葉輪機(jī)械中氣固兩相流的研究首先集中于軸流壓氣機(jī)和汽輪機(jī)。到80年代左右對離心風(fēng)機(jī)中氣固兩相流的研究有所增加。1973年MFathy和Tabakof用數(shù)值方法求解了透平機(jī)械旋轉(zhuǎn)葉柵中固體

6、粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡。1975年GGrant和WTabakoff用統(tǒng)計(jì)力學(xué)的方法對粒子反彈特性及固體壁面磨損進(jìn)行了預(yù)測，首先推導(dǎo)了固體粒子在透平機(jī)械旋轉(zhuǎn)葉柵中運(yùn)動(dòng)的三維控制方程的一般形式，然后解決了在徑向或軸向透平中粒子軌跡和速度的測定問題。AHamed在1982年采用三維氣體流場計(jì)算了汽輪機(jī)定子中的粒子運(yùn)動(dòng)軌跡2。要確定粒子軌跡，就需要知道粒子與壁面之間的碰撞和反彈關(guān)系，MFathy和TabakoffE在1983年提出了反彈模型3。在國內(nèi)，劉洪勝對鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行了計(jì)算，并在彎管中進(jìn)行了磨損試驗(yàn)。葉雯在1987年計(jì)算了離心風(fēng)機(jī)內(nèi)粒子運(yùn)動(dòng)的軌跡4。費(fèi)瑞乾明考察了邊界層對粒子軌跡的影響5。鄧建玲計(jì)算了三元扭

7、曲葉片內(nèi)粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡。馬林用連續(xù)介質(zhì)模型采用歐拉法分析了離心葉輪中氣固兩相流流動(dòng)的規(guī)律。姚成范提出了氣固兩相流離心風(fēng)機(jī)葉型的設(shè)計(jì)方法6。凌志光提出-f-相三元帶粒流動(dòng)的基本方程和一種用于葉輪機(jī)械的雙重流面求解模型等7。樊建人等提出了氣固兩相流中顆粒一顆粒隨機(jī)碰撞新模型，該模型主要是針對濃度較高的兩相流提出的一種碰撞概率新概念8。此外，該模型提出的在所研究的控制體中選擇虛擬顆粒的方法，彌補(bǔ)了以往模型的缺陷a徐進(jìn)等人分別采用雙流體模型和顆粒軌道模型對稀疏氣固兩相流進(jìn)行了數(shù)值模擬9。蔡兆林等計(jì)算了離心風(fēng)機(jī)葉輪內(nèi)的氣固兩相流動(dòng)，對葉輪進(jìn)口處氣固兩相在不同條件下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較10。史峰等用拉格朗

8、日方法對稀薄氣固兩相流進(jìn)行了數(shù)值分析，著重討論了有顆粒存在時(shí)，顆粒對氣流速度分布的影響11。CFD軟件可以相對準(zhǔn)確地給出流體流動(dòng)的細(xì)節(jié)，如速度場、壓力場、溫度場等的時(shí)變特性。因而不僅可以準(zhǔn)確預(yù)測通風(fēng)機(jī)的整體性能，還可以很容易地從對流體的分析中發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品或工程設(shè)計(jì)中的問題，減少未預(yù)料到的負(fù)面影響。這樣產(chǎn)品設(shè)計(jì)或優(yōu)化對試驗(yàn)的依賴性大為減少，能夠顯著縮短設(shè)計(jì)周期，降低費(fèi)用。目前通風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)的數(shù)值研究已不再局限于流場分析、性能預(yù)測的正命題研究，通風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)的CFD數(shù)值模擬己成為當(dāng)前較為活躍的研究領(lǐng)域之一。目前通風(fēng)機(jī)內(nèi)部兩相流的研究主要集中在模擬顆粒在風(fēng)機(jī)中的運(yùn)動(dòng)軌跡、固體顆粒的大小以及風(fēng)機(jī)的流量都對

9、固體顆粒運(yùn)動(dòng)的影響、顆粒在風(fēng)機(jī)中的分布及速度。CFD商業(yè)軟件主要有：Numeca、Fluent、和CFX等，F(xiàn)luent是流體軟件中通用性強(qiáng)的商業(yè)軟件，它具有計(jì)算方便、省時(shí)省力、模擬效果好可以和實(shí)驗(yàn)相互驗(yàn)證等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)使用比較普遍。下面以Fluent為例說明其在氣固兩相流通風(fēng)機(jī)數(shù)值模擬中的實(shí)現(xiàn)過程及及研究結(jié)論、研究動(dòng)向。 3 風(fēng)機(jī)葉輪內(nèi)氣固兩相流的數(shù)值模擬理論基礎(chǔ)3.1氣固兩相流的研究方法拉格朗日法和歐拉法含有大量圓體或液體顆粒的氣體或液體流動(dòng)，或者含有氣泡的液體流動(dòng)，稱為“兩相流”或“多相流”。兩相或多相流廣泛存在于自然界及工程中，可以認(rèn)為，絕大多數(shù)的流動(dòng)都是多相流。在通風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、透平

10、壓縮機(jī)等用途廣泛的通用葉輪機(jī)械中，由于工作環(huán)境的影響，經(jīng)常有固體顆粒摻入，有些甚至是在高顆粒濃度環(huán)境下工作，我們所研究的離心風(fēng)機(jī)葉輪內(nèi)部的流場是氣一固兩相流場。在研究氣固兩相流動(dòng)時(shí)，通常有兩種方法：一種是將氣體相視為連續(xù)介質(zhì)，而將固體顆粒視為不連續(xù)的個(gè)體，通過對施加在單個(gè)固體顆粒上各種力的分析得到固體顆粒在氣流中的軌跡和其他參量，這就是所謂的拉格朗日方法，該方法應(yīng)用的對象就是分散顆粒群軌道模型。另一種方法則除了將氣體視為連續(xù)體外，還認(rèn)為固體顆粒足夠小，一小塊流體就能包含足夠多的固體顆粒，以至可用統(tǒng)計(jì)平均量來描述，所以可將固體顆粒視為連續(xù)的“偽流體”，通過求解氣體和固體顆粒的方程得到氣固兩相流的

11、運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，這就是所謂的歐拉方法，該方法應(yīng)用的對象就是單流體和雙流體模型。當(dāng)固體顆粒尺寸足夠小，它們隨著氣流一起運(yùn)動(dòng)，該流動(dòng)可以當(dāng)作單相流處理，這種氣固兩相流模型稱為單相流體模型；當(dāng)固體顆粒足夠大以至固體顆粒和氣體之間存在速度差時(shí)，這種氣固兩相流模型稱為雙流體模型。拉格朗日法一般又有兩種途徑，一種途徑是只考慮氣流對固體顆粒的作用，不考慮固體顆粒對氣流的影響。Hussein等12采用這種途徑計(jì)算出了固體顆粒在葉柵中的運(yùn)動(dòng)軌跡，然而，這種途徑只能在固體顆粒為稀相的情況下使用，否則會帶來較大誤差。另一種途徑是考慮氣流和固體顆粒之間的相互作用，通過在氣流方程中增加一個(gè)反映固體顆粒對氣流影響的源項(xiàng)，來得

12、到氣流場，該氣流場又對固體顆粒的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生作用，其中應(yīng)用較廣的有PsIcELL方法13。在歐拉方法中，必須引入氣相和固相的體積濃度，并求解兩相的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程。這時(shí)兩相的方程之間存在耦合，并且固體顆粒對氣流的影響正比于固體顆粒的空隙率。Tusji等采用歐拉法對葉輪機(jī)械氣固兩相流單流體模型進(jìn)行了分析14，得出了流體作功表達(dá)式、氣固混合流中的壓頭損失以及兩相流損失之比的表達(dá)式，Balije15、林建忠16分析了氣固兩相流對葉輪中分層效應(yīng)的影響。Tabakoff等較早地將歐拉方法應(yīng)用于雙流體模型中，它以整個(gè)葉片通道可視為兩個(gè)流管，一個(gè)在壓力邊、一個(gè)在吸力邊為基本假設(shè)推導(dǎo)出了氣固混合流控

13、制方程17。3.1湍流兩相流的基本守恒方程 對于湍流多相流，有如下形式的時(shí)均方程組。流體相連續(xù)方程:流體相動(dòng)量方程顆粒相動(dòng)量方程流體相能量方程顆粒相能量方程 以上各式中，表示密度，t表示時(shí)間，v表示速度，T為溫度。下標(biāo)k表示顆粒相的變量，帶上橫線的變量表示湍流時(shí)均值，帶上標(biāo)“”的變量為湍流脈動(dòng)值。在動(dòng)量方程中，Pgi為考慮浮力影響的重力項(xiàng).在能量方程中，CpTS及CpTSkp分別為單位體積中流體相與顆粒相的白于變質(zhì)量所造成的能量源，qr為流體輻射熱，Qrk為顆粒輻射熱，WsQs:為流體相單位體積中反應(yīng)放熱，Qh為顆粒表面熱效應(yīng)。nk為顆粒的數(shù)密度，mk為每個(gè)顆粒的質(zhì)量，F(xiàn)Mi，為Magnus力

14、，Sk為單位體積中體平均的物質(zhì)源，;rk馳豫時(shí)間，對于顆粒懸浮體多相流而言，可有: 以上方程是湍流多相流的最一般的描述方法，是不封閉的。根據(jù)不同的湍流多相流模型將對其進(jìn)行不同的簡化，或者采用模擬封閉法，以使問題得到解決。3.2 氣固兩相流的計(jì)算模型 從力學(xué)角度出發(fā)，解決葉輪機(jī)械的磨損問題離不開支配粒子流運(yùn)動(dòng)的基本方程。由于葉輪機(jī)械的氣固兩相流整個(gè)介質(zhì)具有兩相，根據(jù)不同情況和不同的問題特征，這兩相可以看作是統(tǒng)一混合物的連續(xù)介質(zhì)，還可以看作一是連續(xù)介質(zhì)，一是離散介質(zhì)。基于這種區(qū)別，葉輪機(jī)械的氣固兩相流，可表述為三種不同的基本模型。把氣固兩相流視為單一混合物的連續(xù)介質(zhì)處理，通常稱之為單流體模型;把氣

15、固兩相流視為相互作用著的、又相互獨(dú)立的兩種連續(xù)介質(zhì)處理，通常稱之為多流體模型;而對把流體相視作連續(xù)介質(zhì)，把固粒相視作離散介質(zhì)處理，通常稱之為顆粒軌道模型，該模型適用于顆粒濃度非常低的情形。有了各種計(jì)算模型對上述方程進(jìn)行簡化或封閉，就可以計(jì)算顆粒相和流體相在葉輪中的流場，從而得到研究磨損所需要的各參數(shù)的值。另外，在最早期還有極端的簡化模型:單顆粒動(dòng)力學(xué)模型和小滑移模型。3.3 顆粒軌道模型基本假設(shè) 顆粒軌道模型中設(shè):顆粒為與流體有滑移的離散群，即vki vi; TkT;不考慮顆粒的湍流擴(kuò)散，粘性及導(dǎo)熱;顆粒按初始尺寸分布分組，各組只有其自身的質(zhì)量變化，互不相干;各組顆粒由一定的初始位置出發(fā)沿各自

16、的軌道運(yùn)動(dòng)，互不相干;顆粒對流體的作用按等價(jià)地散布于流體單元內(nèi)來考慮。183.3.2基本守恒方程 按以上的基本假定，忽略顆粒相自身各變量的脈動(dòng)，并且忽略流體相的密度脈動(dòng)及變質(zhì)量源脈動(dòng)，則可得到確定軌道模型的湍流兩相流基本方程組：連續(xù)流量方程:顆粒相連續(xù)方程：流體相動(dòng)量方程：顆粒相動(dòng)量方程：流體相能量方程：顆粒相能量方程：流體組分方程：式中，Vkn為顆粒流速垂直于流管斷面的分量，e為有效粘性系數(shù)，為常分?jǐn)?shù)，Ys為s組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Ws為流體相中:組分反應(yīng)率。3.3 軌道模型求解方法 整個(gè)的顆粒與流體藕合的算法稱為PSIC法(Particle Source in Cell Method)，其求解具

17、體過程如下：3.31多流體模型(顆粒相擬流體模型)3.311基本假設(shè) 多流體模型的基本點(diǎn)在于把顆粒群作為與流體互相滲透的擬流體或擬連續(xù)介質(zhì)?；炯僭O(shè)包括:空間各處各顆粒相與流體相共存，各相具有各自不同的群體速度、溫度及體積分?jǐn)?shù);各顆粒相在空間中有連續(xù)的速度、溫度及體積分?jǐn)?shù)分布;顆粒相有自身的輸運(yùn)性質(zhì)(湍流粘性、擴(kuò)散和導(dǎo)熱等);各顆粒相按初始尺寸分組。193.312基本守恒方程由湍流兩相流時(shí)均從守恒方程組出發(fā)，按多相流模型概念直接封閉該方程組，是比較完整和嚴(yán)格的模擬兩相湍流的方法?？梢苑抡諏蜗嗔黧w湍流的模擬方法來模擬湍流兩相流的流體相及有湍流脈動(dòng)的顆粒相。忽略非定常關(guān)聯(lián)項(xiàng)流體的密度脈動(dòng)，顆粒質(zhì)

18、量損失率的脈動(dòng)及阻力項(xiàng)的脈動(dòng)，即取，。并且對流體相動(dòng)量，能量及組分方程中關(guān)聯(lián)項(xiàng)取與單相流相同的模擬方法，可得如下湍流兩相流時(shí)均方程組。流體相連續(xù)方程：顆粒相連續(xù)方程：流體相動(dòng)量方程：流體相能量方程：4.氣固兩相流的數(shù)值模擬41葉輪葉片的幾何建模在UG里進(jìn)行幾何建模圖4.1所示： 圖4.1葉輪的幾何模型42網(wǎng)格劃分采取對葉輪整體劃分網(wǎng)格的方法劃分網(wǎng)格如圖4.2所示： 圖4.2葉輪流體計(jì)算域網(wǎng)格4.4計(jì)算條件的設(shè)置 采用拉格朗日方法對葉輪內(nèi)的氣固兩相流場進(jìn)行數(shù)值模擬，來研究不同粒徑的顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡、顆粒所占的不同的體積分?jǐn)?shù)對磨損量的影響，因此有部分邊界條件設(shè)置會隨之改變。這里先說明不變的計(jì)算條件:

19、進(jìn)口流速:33m/s;轉(zhuǎn)速:2750 r/min;外界大氣壓力:100000Pa;壁面條件:光滑壁面，氣相無滑移，顆粒相自由滑移;氣相湍流模型:雷諾應(yīng)力模型(Quasi-Isotropic模型);出口壓力:30000Pa;固相顆粒的物性參數(shù):密度:2702kg1m3，動(dòng)力粘滯系數(shù)8.899 X 10-4kg/ Cm.s ) ;標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣的物性參數(shù):密度1.284kg1m3，動(dòng)力粘滯系數(shù)1.725 kg/(m.s);計(jì)算收斂控制條件:當(dāng)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)上的物理量前后計(jì)算值殘差小于則視為計(jì)算收斂。在拉氏坐標(biāo)系中，顆粒軌道模型可以完整的考慮顆粒與流體間的相互作用，能夠模擬有復(fù)雜經(jīng)歷的顆粒相，而且節(jié)省計(jì)

20、算存儲量，所以采用此模型模擬顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡，研究不同粒徑的顆粒對葉輪磨損量的影響，從而進(jìn)一步探討磨損機(jī)理。在葉輪機(jī)械的氣固兩相流中，顆粒的濃度通常很小，所以在顆粒的軌跡計(jì)算中，顆粒間的相互作用可以忽略，顆粒在氣流作用力下運(yùn)動(dòng)直至碰到壁面，顆粒碰壁后的速度依賴于碰壁時(shí)速度的大小、方向和葉輪的材料特性。需要確定的計(jì)算條件有:粒徑:選取0.01mm, 0.02mm, 0.03mm,0.05mm四種;流量:根據(jù)顆粒體積分?jǐn)?shù)占總流量的0.001確定;相間相互作用系數(shù):通過對顆粒雷諾數(shù)Rek的計(jì)算， 1000，故采用Netwon公式Cd =0. 44;磨損模型:分別計(jì)算Finnie和Tabakoff and

21、 Grant的模型，以比較計(jì)算結(jié)果的異同。周期性邊界條件:由于葉輪每個(gè)葉片外型相同，流動(dòng)規(guī)律成周期性分布，所以在合適的地方可以設(shè)置周期性邊界條件，以縮短計(jì)算時(shí)間，如圖4.3所示。 圖4.3計(jì)算模型邊界條件設(shè)置4.5數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果及分析大顆粒模擬 如圖4.3，為顆粒在葉輪中運(yùn)動(dòng)形成的軌跡線，不同顏色代表不同的速度(指軸向、徑向、切向的合速度)值。對于密度大于水的顆粒，不論其粒徑大小如何，在從葉輪進(jìn)口至出口的運(yùn)動(dòng)中，都有向葉片工作面靠近的趨勢，只不過其靠近的速度和位置不同。 對于葉片的工作面，在葉片的前半部分，粒子以較高的速度撞向其表面，在葉片的后半部分，顆粒運(yùn)動(dòng)的方向幾乎與葉片平行，在葉片出口

22、處，顆粒以接近葉片安裝角的出射角沿壓力面飛出流道，且其速度在葉片出口處增大。為了看清楚不同粒徑的顆粒與壓力面的碰撞情況，圖4.4、圖4.5為不同粒徑的單個(gè)顆粒與某個(gè)壓力面的碰撞的軌跡線和速度值。圖4.3 顆粒在葉輪中運(yùn)動(dòng)形成的軌跡線 圖4.4粒徑為0.01mm、0.02mm、0.05mm的顆粒軌跡的俯視圖 圖4.5粒徑為0.01mm、0.02mm、0.05mm的顆粒軌跡的俯視圖比較圖4.4 ,圖4.5，可以發(fā)現(xiàn)對于粒徑小的顆粒，其向工作面靠近的速度較慢，一般集中于葉片出口區(qū)域和葉片相撞。隨著顆粒粒徑的增大，其向工作面靠近的速度加快，與葉片相撞的位置向葉片進(jìn)口移動(dòng)。對于粒徑大的顆粒，大都與葉片進(jìn)

23、口部位相撞，這些計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)20的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相吻合。粒徑大的顆粒每碰撞一次后速度就降低，而粒徑小的顆粒碰撞一次后，很快就由氣流的作用使速度變得與氣流相當(dāng)，與工作面發(fā)生多次碰撞，因此接踵而來的碰撞所造成的磨損并沒有減少。比較圖4.4、圖4.5可以發(fā)現(xiàn)，隨著粒徑的增大，顆粒與后蓋的碰撞角al越來越大，而后又反彈，以反彈角度a:與前盤碰撞。顆粒進(jìn)入葉輪之后，受氣體切向阻力的影響，速度由軸向到徑向變化，隨著粒徑的增大，顆粒質(zhì)量增大，隨氣流運(yùn)動(dòng)的趨勢減弱，即切向加速度減弱，因此在相同時(shí)間內(nèi)，大粒徑顆粒獲得的切向速度小粒徑顆粒小。因此，根據(jù)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡，合理設(shè)計(jì)葉片型線，減少顆粒偏離氣流的程度，減少碰壁次

24、數(shù)是耐磨風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)重要思路之一?？梢酝ㄟ^在葉輪后蓋板上加導(dǎo)流錐來改變?nèi)~輪流道的型線，減小流動(dòng)損失，增加顆粒的徑向速度，減小顆粒碰撞角，改善氣固兩相流流場，從而減少葉輪的磨損，提高葉輪的使用壽命，該一點(diǎn)由羅光潔21的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。小顆粒模擬 當(dāng)顆粒直徑小于0.01lmrn，且濃度較高時(shí)，顆粒更多表現(xiàn)出“流體”特性，適合在歐拉坐標(biāo)系下采用雙流體模型計(jì)算，著重考察葉輪內(nèi)的流場特性，以研究不同的粒徑和不同的顆粒入口濃度對葉輪中顆粒濃度分布的影響。這對于分析討論顆粒的運(yùn)動(dòng)和提出改進(jìn)流場情況達(dá)到減小磨損率、提高運(yùn)行可靠性都具有指導(dǎo)意義?；谝陨纤f的目的，本部分分兩組進(jìn)行計(jì)算:1)顆粒入口濃度一定，取0.1,

25、粒徑分別取0.01mm0.03rnm, 0.05rnm, 0.08rnm; (2顆粒粒徑一定，取0.05mm，入口濃度分別為0.010.1，0.2。根據(jù)模擬分析的結(jié)果得出如下結(jié)果：a、粒子在后蓋的濃度分布 沿著葉片方向，顆粒濃度逐漸減少，而在吸力面的后半段，顆粒濃度很低，存在“粒子空區(qū)”，當(dāng)粒徑為0.03mm時(shí)吸力面幾乎沒有顆粒分布。隨著粒徑的增大，靠近后蓋出口區(qū)域的“粒子空區(qū)”越來越大，顆險(xiǎn)越來越集中于后蓋進(jìn)口區(qū)域，這與前面的顆粒軌跡分析的結(jié)論吻合。顆粒濃度大的后蓋進(jìn)口區(qū)域，磨損也相對嚴(yán)重。隨著顆粒的粒徑增大，農(nóng)度數(shù)值范圍也在變大，由粒徑0.001 mm的0.011-0.232增大到粒徑0.

26、03mm的01，也就是說顆粒越來越集中。在二次流的作用下，粒子積聚在非工作面的出口處，可能對此區(qū)域造成擦傷式磨損。b、粒子在后蓋的濃度分布在壓力面沿著葉片方向，顆粒濃度逐漸增大，在出口端接近100，而在吸力面顆粒濃度很低，接近于0;隨著粒徑的增大，顆粒濃度梯度增大，即顆粒集中程度增大，也就是說顆粒大量集中于壓力面與前盤的出口端，這里磨損也最嚴(yán)重。在葉片出口靠近非工作面存在一個(gè)粒子相對高濃度區(qū)。前盤濃度分布與后蓋規(guī)律相同的是，隨著顆粒的粒徑增大，濃度數(shù)值范圍也在變大，由粒徑。0.001mm的0.004-0.214增大到粒徑0.005mm的01，也就是說顆粒越來越集中，在靠近吸力面存在面積不同的“

27、粒子空區(qū)”。所不同的是，在壓力面后蓋濃度沿葉片方向減少，而前盤濃度沿葉片方向增大。顆粒濃度大的區(qū)域是后蓋進(jìn)口區(qū)域和前盤出口區(qū)域，這里磨損也最嚴(yán)重，與前面軌跡和磨損量的分析吻合。所以，小粒徑的顆粒雖然對葉片的沖蝕磨損小，但擦傷式磨損起主要作用，濃度因素對磨損的位置和磨損量的大小有重要影響。c、粒子在葉輪中部的濃度分布 濃度在葉輪中部分布將其與前盤、后蓋的濃度分布相比壓力面沿葉片切向濃度分布均勻，無變化。與前盤、后蓋濃度分布規(guī)律相同的是沿葉片法相濃度減少，顆粒向工作面積聚，粒徑很小時(shí)，在二次流的作用下，粒子積聚，粒徑很小時(shí)，在二次流的作用下，粒子積聚在靠近非工作面的出口處。在葉片根部顆粒濃度分布較

28、高，可以證實(shí)，此區(qū)域正是磨損較嚴(yán)重的區(qū)域。研究表明，磨損量并不隨粒徑減小而明顯減少，正是由于小粒徑顆粒對葉片的擦傷式磨損起了主要作用。從顆粒軌跡可以看到，粒徑為0.02mm的顆粒并沒有明顯的以大碰撞角撞擊壓力面，卻是沿著壓力面滾動(dòng)摩擦，這樣的軌跡造成的磨損范圍和局部磨損量都很大。 由顆粒的運(yùn)動(dòng)特性及其和壁面相互作用的方式可知，在離心流道的進(jìn)口區(qū)域和整個(gè)軸向流道內(nèi)，顆?；旧鲜窃跉饬鞯膴A帶及自身慣性的綜合作用下，以非零攻角碰撞壁面，然后又反彈進(jìn)入流道內(nèi)，這樣引起的壁面材科的磨損是典型的沖蝕磨損。而在離心流道的出口區(qū)域內(nèi)，顆粒在流道內(nèi)運(yùn)動(dòng)了較長一段距離，大部分和壁面發(fā)生過多次碰撞，基本上沿著壓力面

29、表面滑動(dòng)或滾動(dòng)，并對壁面有著一定的壓力作用，這樣造成的壁面材料的磨損已不再用于沖蝕磨損形式，而是擦傷式磨粒磨損，顆粒在壓力面附近區(qū)域的集中更加劇了磨粒磨損的危害程度。 綜合以上的分析，關(guān)于葉片壓力面的磨損可以得到如下結(jié)論:C1)壓力面是葉輪中磨損最嚴(yán)重的位置，而且壓力面靠近出口端又是磨損的重中之重。C2)顆粒對壓力面的磨損量并不隨粒徑減小而明顯減少，正是由于小粒徑顆粒對葉片的擦傷式磨損起了主要作用。 C3)葉片進(jìn)口附近的磨損主要由大顆粒的沖擊造成，是典型的沖擊磨損，而出口區(qū)域磨損則由小顆粒的沖擊和顆粒在壁面上的滑動(dòng)或滾動(dòng)時(shí)的擦傷式磨損造成。以上CFD分析過程代表了離心式通風(fēng)機(jī)內(nèi)部氣固兩相流動(dòng)中

30、的數(shù)值模擬當(dāng)前的研究動(dòng)向。從國內(nèi)外的研究來看，離心式通風(fēng)機(jī)內(nèi)部氣固兩相流動(dòng)中的數(shù)值模擬主要集中在風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場的數(shù)值模擬、磨損機(jī)理的探索及其在離心式通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。以葉輪整體性能的多個(gè)評價(jià)指標(biāo)為目標(biāo)函數(shù)的多目標(biāo)、多變量非線性優(yōu)化設(shè)計(jì)是風(fēng)機(jī)反問題研究的重要方向，其目標(biāo)函數(shù)除了流量、壓頭、效率、噪聲指標(biāo)外，還應(yīng)包含磨損指標(biāo)。Wallis&Aust對大型軸流通風(fēng)機(jī)進(jìn)行了氣動(dòng)和磨損研究，特別討論了引起葉片磨損過程的氣動(dòng)設(shè)計(jì)特性，提出將氣動(dòng)設(shè)計(jì)與防磨設(shè)計(jì)統(tǒng)一起來。Ris對含塵環(huán)境中工作的離心式壓縮機(jī)，從磨損最小的角度出發(fā)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。Abramov給出壓縮機(jī)葉片兒何形狀和運(yùn)行條件對磨損的影響，推薦了在

31、不同運(yùn)行條件下葉片防磨的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。80年代以來國內(nèi)也開展了一些研究，林建忠等首次將理論研究、產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造工藝結(jié)合起來，建立了高效和耐磨風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算系統(tǒng)，用其設(shè)計(jì)出的風(fēng)機(jī)耐磨性和效率在原來基礎(chǔ)上有了很大改善。潘應(yīng)康等對鍋爐引風(fēng)機(jī)內(nèi)的氣固兩相流場進(jìn)行數(shù)值分析，得到不同顆粒粒徑、進(jìn)日位置對葉輪碰撞和磨損的影響，從氣體動(dòng)力學(xué)角度進(jìn)行了防磨設(shè)計(jì)。 隨著計(jì)算流體力學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)學(xué)方法的逐步發(fā)展，隨著科技的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對高性能流體機(jī)械的需求越來越迫切，要求我們用新的方法進(jìn)行研究。氣固兩相流離心式通風(fēng)機(jī)今后的研究重點(diǎn)和發(fā)展方向應(yīng)該是：1、在磨損數(shù)值模擬方面，主要是葉輪機(jī)械內(nèi)部過流部件在一定磨損

32、模型下的磨損預(yù)測。2、建立驗(yàn)證和完善適合葉輪機(jī)械實(shí)際運(yùn)行情況的磨損機(jī)理和模型，實(shí)驗(yàn)手段從宏觀轉(zhuǎn)向微觀。3、研究葉輪機(jī)械過流部件材料的磨損規(guī)律，積累經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立一套全面、完備的資料數(shù)據(jù)庫，為葉輪機(jī)械的抗磨設(shè)計(jì)研究提供依據(jù)。4、目前國外CFD商業(yè)軟件的發(fā)展以非常成熟，筆者希望國內(nèi)也能開發(fā)出通用的離心通風(fēng)機(jī)氣固兩相流數(shù)值模擬CFD國產(chǎn)化軟件，將現(xiàn)代CFD設(shè)計(jì)技術(shù)充分應(yīng)用于新產(chǎn)品的開發(fā)，研究人員可以在此基礎(chǔ)上利用標(biāo)準(zhǔn)程序的基礎(chǔ)上增加自己的新思想、新方法，而不是從頭開始22。參考文獻(xiàn)1 丘歸成鍋爐引風(fēng)機(jī)故障分析及處理流體機(jī)械，1997，1l(11)：5052。2 Hamed，TPKuhnEffects

33、 of variational particle restitution characteristics on turbomachinery erosionJournal of Engineering for Gas lurbines and Power，1995，7：1011023 wTabakoff，CBalanh study of the surface deterioration due to erosionTransactions of the ASME Journal of Fuids Engineering，198310：122-1 304 葉雯離心風(fēng)機(jī)氣固兩相流動(dòng)的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究碩士學(xué)位論文西安交通大學(xué)，19875 費(fèi)瑞乾，王宜義，程乃晉含塵離心風(fēng)機(jī)中邊界層對葉輪侵蝕的影響應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)，1991，8(1)：45536 姚承范，費(fèi)瑞乾，朱營康氣固兩相流離心風(fēng)機(jī)葉型的設(shè)計(jì)方法西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1991，25(5)：35407 姜曉敏，凌志光，鄧興勇含塵流透平葉片沖蝕的數(shù)值分析工程熱物理學(xué)報(bào)。200122(1)：26318 樊建