当前位置:首页 >> 能源/化工 >>

2002年FLUENT仿真分析用户大会论文集(全中文)


2002 年 FLUENT 中国用户年会 论 文 集
2002 FLUENT China Users’ Conference Proceedings

2002 年 11 月 11-12 日 中国 上海 November 11-12, 2002 Shanghai China

北京海基科技发展有限责任公司
Beijing

Hi-key Technology Corporation Ltd.

FLUENT 第二届中国用户大会

目录


FLUENT



1 采用 FLUENT 软件研究气固两相流动中颗粒受力问题 由长福 祁海鹰 徐旭常…………………1 2 液固环流反应器内流动状况的数值模拟 汪 洋 高金森 徐春明 林世雄…………………6 3 大型气体分布器初始分布的流场可视性研究 周海鹰 李鑫钢 张吕鸿…………………11 4 H2 燃料在超音速气流中燃烧性能数值模拟 武 渊 田维平 乐发仁…………………15 5 旋流燃烧 NO 生成的 USM 湍流反应模型 王 方 周力行 张 健…………………24 6 蓄热式加热炉烧嘴仿真研究与应用 陈冠军 王连尉 胡雄光 钱 凯 徐 纲…………………31 7 首钢热风炉运行过程 CFD 模拟 王连尉 陈冠军 胡雄光 钱 凯 徐 刚…………………36 8 乙烯裂解炉炉膛内燃烧传热的数值模拟研究 蓝兴英 高金森 徐春明…………………42 9 超音速燃烧室流场的数值模拟研究 崔玉峰 徐 纲 黄伟光…………………48 10 32sh-19 离心泵流场的全三维数值模拟 王彦辉 康志忠 徐 鸿 梁双印…………………54 11 泵站出水流道三维不可压湍流场的数值模拟 刘小龙 施卫东 潘中永…………………61 12 离心泵涡壳内部三维数值模拟 李维斌 朱荣生 潘中永 李 红 曹卫东…………………67 13 泵三维流场研究 张忠利 仲伟聪…………………73 14 FLUENT 在超音速蒸汽喷射真空泵中的应用 徐海涛 桑芝富 卓 震…………………80 15 4-73 风机的模型建立与数值试验 蔡兆麟 吴振伟 段江南 李中云…………………90 16 低速轴流压气机顶部微量喷气控制失速机理的数值模拟 徐 纲 聂超群 黄伟光 陈静宜…………………94 17 低速轴流压气机旋转失速的二维数值模拟 蒋康涛 徐 纲 黄伟光 陈 静 宜 …………………100 18 多级轴流压气机三维气动设计的一种快速方法 陈乃兴 张宏武 徐燕骥 黄伟光…………………106
I

FLUENT 第二届中国用户大会

目录

19 斜流压气机的数值模拟 吴振伟 蔡兆麟 20 空气横掠波纹管束流动与传热性能 吴 峰 王秋旺 罗来勤 21 螺旋折流板换热器内部流场的数值模拟 沈人杰 22 间冷式冰箱风扇区域流场的 CFD 模拟和优化 苏秀平 陈江平 23 级间分离流场与柱爆器周围热流密度的数值预示 唐春昱 余贞勇 24 板式油冷却器内流体流动均匀性分析 秦 荫 祁照岗 苏秀平 25 FLUENT 传热计算应用一例 郑其辉 26 660KW 风力发电机转子流场温度场 CFD 分析 27 太原热电厂 7# 炉最佳运行参数的数值试验研究 郭 菁 康志忠 28 栅格翼流体动力特性数值模拟 姚 琰 毛鸿羽 29 双层 CBY 桨搅拌反应器内流场的数值模拟 贾志刚 高正明 黄雄斌 30 高速列车交会瞬态压力波研究 王东屏 闫雪冬 31 应用 Fluent 软件模拟城市小区流场特性 魏建明 王晓云 金 琰 李中云…………………114 陶文铨…………………118 冯 霄…………………122 陈芝九…………………125 王 锟…………………131 陈江平…………………136 郭 文…………………142 廖毅刚…………………151 孙保明…………………158 罗金玲…………………166 王英琛…………………176 兆文忠…………………182 董素艳…………………191

POLYFLOW
32 双螺杆挤出中粒子运动轨迹的模拟及其统计学分析 胡冬冬 陈晋南…………………196

ICEPAK/AIRPAK
33 ICEPAK 在通信系统热分析中的应用 姜文武 34 某大功率功放的热设计 李伟春 35 用 Icepak4.0 分析某真空状态下的机箱 黄冬梅…………………215 36 不均衡热源对散热器形状影响的分析 谢 军…………………222 37 大功率电源模块的散热设计 陈文鑫
II

张承烈…………………203 梁亚冲…………………210

景莘慧…………………227

FLUENT 第二届中国用户大会

目录

38 Icepak 在电子设备热分析中的应用 方志强 付桂翠 高泽溪…………………232 39 自然空气冷却情况下 Qfin 在功率器件散热器的优化设计的应用 龙 昊 付桂翠 高泽溪…………………238 40 40-Rack UPS 侧面通风可行性研究 张 敏…………………244

III

FLUENT第二届中国用户大会                       采用FLUENT软件研究气固两相流动中颗粒受力问题

采用 FLUENT 软件研究 气固两相流动中颗粒受力问题
由长福 ,祁海鹰,徐旭常
(北京清华大学热能工程系,北京 100084)

Tel: 010-62781740

Email: youcf@te.tsinghua.edu.cn

摘要 颗粒受力规律是气固两相流动学科的基础研究问题。本文采用 FLUENT 软件对流经 颗粒的流动进行了数值模拟,得到了颗粒所受到的曳力、Magnus 力,Saffman 力规律。为 准确预报实际的气固两相流动问题奠定了基础。同时也说明了 FLUENT 软件在某些基础问 题的研究中也起到了非常重要的作用。

1、

引言

在多数的能源过程中, 流体流动均属于气固两相流动问题。 典型的例子如煤粉锅炉内煤 粉流动问题、流化床反应器内颗粒流动问题,等等。对该流动的研究有助于深入理解该设备 内复杂的气固反应过程, 并可通过对流动的控制来实现设备的优化设计与运行。 由于实际工 业设备的大型化与操作条件的复杂化, 使得对其内部流动的分析很难采用试验测量的方法进 行分析。 如: 煤粉锅炉内煤粉分布情况的研究对于预报和预防煤粉结渣等严重事故具有非常 重要的意义。但是,由于实际锅炉内尺寸较大以及温度较高,很难实施测量方案。因此,对 其进行数值预报就具有非常大的实际意义,即采用数值方法研究其内部的气固两相流动情 况,从而得到煤粉颗粒的分布情况以及其它有用参数。 在很多气固两相流动数值计算中, 两相间的相互作用是控制流体流动的主要因素。 一般 情况下,该相互作用主要体现为两相间受力的关系,诸如气固曳力、Magnus 升力、Saffman 升力、Basset 力,等等。因此,毫无疑问,对这些受力的准确描述可有效提高数值预报的 准确度。目前,对这些作用力的研究主要采用实验研究与理论分析的形式进行。但是,采用 实验方法测量颗粒的受力在现有的条件下是非常困难的, 需要有较高分辨率的测量仪器才可 能测准颗粒所受到的较小的作用力。也就是说,实验方法研究中测量精度是很难保证的。随 着计算流体力学学科的发展, 数值计算方法在一些领域内已经可以替代现有的实验测量。 以 颗粒受力问题为例。 通过计算不同工况条件下的流体绕颗粒流动问题, 就可以通过积分颗粒 表面的粘性力与压力获得颗粒的受力情况。
本研究得到国家重点基础研究专项经费资助(No. G19990222)



北京海基科技 www.hikeytech.com

FLUENT第二届中国用户大会                       采用FLUENT软件研究气固两相流动中颗粒受力问题

本文采用目前比较流行的 CFD 计算软件 FLUENT 并以此作为颗粒受力的“测量”仪器 研究复杂条件下气固两相流动中颗粒受力的规律, 其中主要考察颗粒所受到的曳力、 颗粒旋 转所产生的 Magnus 力以及来流剪切条件下颗粒所受到的 Saffman 力。

2、

数值计算

由于很多实际工业问题中颗粒的尺寸都比较小,因此本文计算中取颗粒的雷诺数 (Re=U∞Dρ/? ,其中,U∞ 为来流平均速度,D 为颗粒直径,? 为流体粘性系数以及 ρ为 流体密度)均小于 100。以煤粉炉内颗粒为例:颗粒平均粒径为 80? m,流体速度量级为 10 m/s 左右。一般情况下,Re 均小于 100。在此条件下,当不考虑来流湍流对颗粒受力的影响 时,该过程的控制方程为:

r ? ?U = 0 rr 2 v ? ? ( ρUU ) = ??p + ? ? U

(1)

本文对颗粒所受到的三种常见的作用力进行了数值计算:曳力、Magnus 升力、Saffman 升力。对于不同的作用力计算域选取如图 1 所示。

图 1-a 多颗粒系统中单颗粒受力数值分析中所 采用的计算域及边界条件

图 1-b 单颗粒 Magnus 力数值分析中所采用 的计算域及边界条件

图 1-c 单颗粒 Saffman 力数值分析中所采用的计算域及边界条件



北京海基科技 www.hikeytech.com

FLUENT第二届中国用户大会                       采用FLUENT软件研究气固两相流动中颗粒受力问题

对控制方程(1)采用 FLUENT 软件进行计算。空间离散采用 GAMBIT 进行,并采用 非结构化网格(四面体网格) 。图 2 给出了其中对曳力进行计算时采用的网格。网格尺寸最 小为 5? m,最大为 20? m。为减小计算误差,计算中平均网格数目取为 500,000,并且采用 了双精度以减小计算中的截断误差。在 PIII500 微机上计算时间平均为 30 小时。

图 2 颗粒附近非结构化网格分布

颗粒受力可以直接通过 FLUENT 软件所提供的固壁表面压力与粘性力在不同方向上的 积分获得。

3、

结果分析

通过 FLUENT 计算, 本文得到了各种因素对颗粒所受到的曳力、 Magnus 力以及 Saffman 力影响规律。 图 3 给出了单个颗粒所受到的曳力计算结果与标准曳力曲线的对比。可以看到:采用 FLUENT 软件完全可以得到准确的计算结果,完全可以作为一种有效的手段对颗粒的受力 进行研究。图 4 给出了在均匀分布的多颗粒系统中,Re 和颗粒孔隙率εp 对颗粒曳力的影响。 本文计算修正了长期以来一直被广泛采用的文献[4]中所得到的曳力关系。

10

12 10
CD

present calculation empirical equation (4)

Schlichting 1979 computational results
0.1 10

FD/FD0

1

8 6 4

Re=8.55 Re=17.1 Re=34.2 Re=68.4

Re

100

2 0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 Void Fraction εp 0.5

图 3 单颗粒曳力计算结果与标准曲线对比

图 4 多颗粒系统中颗粒曳力计算结果



北京海基科技 www.hikeytech.com

FLUENT第二届中国用户大会                       采用FLUENT软件研究气固两相流动中颗粒受力问题

颗粒所受到的 Magnus 力规律也是目前气固两相流动研究中没有解决的一个问题。主要 原因在于该作用力量级非常小,很难测得。通过采用 FLUENT 软件对流经旋转球形固体壁 面流体的计算,本文得到了该作用力的结果,如图 5 所示。图 6 给出了本文计算结果与文献 [5]实验结果的对比:实验数据比较分散,但总体上两者符合较好。

10 8
CL
Re=0.5 Re=8 Re=17.1 Re=34.2 Re=68.4

7 6 5
CL
Γ=5 Γ=3.5 Γ=2.5 Γ=1.5

6 4 2 0 0 1

1<Γ<2 2<Γ<3 3<Γ<4 4<Γ

4 3 2 1

2

Γ

3

4

5

0 0

50

Re

100

150

图5

Re 以及颗粒转速Γ 对 Magnus 力的影响

图 6 计算结果与实验结果(离散点)比较

图 7 给出了采用 FLUENT 软件对颗粒所受到的 Saffman 力的计算结果。以往气固两相 流动计算中,大多采用 Re<<1 情况下所得到的 Saffman 力规律进行计算。而本文的计算结 果显示:随着 Re 的升高,Saffman 力是逐渐降低的,并且在 Re=80 附近,该作用力的方向 都发生了变化。 该结论对于数值预报气固两相流动问题具有很重要的作用, 纠正了人们对该 作用力的认识。

0.6 0.5

CL

0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 1 10 Re 100
β=0.2

图 7 颗粒所受到的 Saffman 力计算结果



北京海基科技 www.hikeytech.com

FLUENT第二届中国用户大会                       采用FLUENT软件研究气固两相流动中颗粒受力问题

4、

结论

FLUENT 软件作为一种强有力的流体分析软件被用于研究气固两相流动中颗粒受力规 律中,可以得到目前实验技术无法得到的“测量”结果。本文以该“测量”技术为手段,研 究了不同情况下颗粒所受到的曳力、Magnus 升力、Saffman 升力。为深入准确分析与预报 实际工业过程中的气固两相流动问题奠定了基础。 同时, 通过本文的研究也说明了 FLUENT 软件在基础研究中也起到很大的作用。

参考文献 [1] 由长福,祁海鹰,徐旭常. 煤粉颗粒所受 Magnus 力的数值模拟. 工程热物理学报, 2001, 22(5): 625-628 [2] 由长福,祁海鹰,徐旭常. 稠密气固两相流动中单颗粒所受气动力的数值模拟. 工程热 物理学报, 2002, 23(1): 103-106 [3] 由长福,祁海鹰,徐旭常.小雷诺数下颗粒所受 Saffman 力的研究. 工程热物理学会第十 届年会多相流分会论文集,2001 [4] Felice,R.D.: The voidage function for fluid-particle interaction systems. Int.J.Multiphase Flow, 1994, 20(1):153-159 [5] Oesterle, B., Bui Dinh, T., Experiments on the lift of a spinning sphere in a range of intermediate Reynolds numbers, Experiments in Fluids, 1998, 25:16-22



北京海基科技 www.hikeytech.com

FLUENT 第二届中国用户大会

液固环流反应器内流动状况的数值模拟

液固环流反应器内流动状况的数值模拟
汪洋 高金森 徐春明 林世雄 (石油大学重质油加工国家重点实验室,北京,102249) 摘要:本文用 Fluent 软件对液固环流反应器的流动状况进行了数值模拟,得到了反应器内 的液体、固体流速和固相组分浓度分布等详细情况,并将模拟计算值和实验值进行了比较, 这为进一步对液固环流反应器进行模拟研究和为液固环流反应器的设计、 操作提供有用的参 考信息。 关键词:液固环流反应器 数值模拟

前言 环流反应器因具有结构简单、流型规整、相分散效果良好、相对低的功耗及 多相传递特性等优点而广泛应用于化学工业、生物及环境化学领域[1,2]。目前对 于传统的气升式环流反应器的比较系统、深入[3,4],而对于液固环流反应器的研 究较少。 本文利用 Fluent 软件对液固环流反应器内的流动状况进行数值模拟, 并 和实验值进行比较,为液固环流反应器的深入研究提供有用的参考信息。

1 模拟对象 本文的模拟对象为本实验室自行设计、建造的液固环流反应器冷态装置。其 主要结构参数和实验主要操在条件如表 1 所示,其流程图如图 1 所示。 表 1 反应器主要结构参数和实验操作条件 参数名称/单位 反应器高度/mm 反应器直径/mm 导流筒高度/mm 导流筒直径/mm 喷嘴直径/mm 固体颗粒密度/kg/m3 数值 1250 192 95 80 5 2460 参数名称/单位 操作温度 操作压力 辅助流化液流量/L/h 主流化液流量/L/h 固体颗粒加入量/g 固体颗粒平均直径/mm 数值 常温 常压 220 500 2500 0.175

6

北京海基科技 www.hikeytech.com

FLUENT 第二届中国用户大会

液固环流反应器内流动状况的数值模拟

图 1 实验装置流程图
1 储槽 9 喷嘴 2 泵 3、4 转子流量计 5 辅助流化液入口 6 主流化液入口 7 反应器 8 分布板 10 导流筒 11 液固分离器 12 液体出口

储槽中的水通过泵经两路进入反应器,其中一路为辅助流化液,从反应器底 部进入反应器,通过分布板起辅助流化作用。另一路为主流化液,深入导流筒底 部,通过喷嘴喷射形成的卷吸作用带动固体颗粒向上运动。至反应器顶部,通过 液固分离装置,液体流出反应器,固体回落到环隙中,在重力及环流液体的带动 下回到反应器底部。 2 数学模型与计算方法 在 GAMBIT2 上采用结构化网格技术对研究对象进行网格划分, 对喷嘴附近的 网格进行加密,最终网格数为 2884 个。采用 FLUENT6 对液固环流反应器数学模 型进行数值求解。 液固两相流的模型选用 Eulerian 模型,湍流模型选用标准的 k-ε双方程模 型。采用 SIMPLE 算法求解压力-速度耦合,动量、能量、组分、湍动能和湍流 耗散率的离散格式均取一阶迎风差分格式;壁面附近采用标准壁面函数方法处 理。 3 计算结果与分析 在研究过程中, 首先对模拟计算的结果进行环流反应器内的流动状况进行分
北京海基科技 www.hikeytech.com

7

FLUENT 第二届中国用户大会

液固环流反应器内流动状况的数值模拟

析,而后将模拟计算值和实验值进行比较 图 2、3、4 分别显示了反应器内静压、液体速度、固体速度的分布情况。

图 2 压力分布图

图 3 液体速度分布图

图 4 固体速度分布图

从图 2、3、4 中可以看出,由于在喷嘴处液体的喷射作用,所以液体和固体 的最大速度都处于喷嘴附近。 同时由喷嘴产生的液体喷射作用使得在喷嘴附近形 成一个负压区,反应器固体颗粒在负压的带动下被吸入导流筒中,和喷射液体混 合,液固混合物受液体推动力的影响沿导流筒向上运动。出导流筒后,部分液固 混合物由出口处流出反应器;部分液固混合物由于重力的作用沿环隙向下流动。 由此实现了液体在反应器内的环流流动。 由以上分析可见,通过数值模拟的方法,能较好的反映出液固环流反应器内 的宏观流动状况,和实验中观察得到的反应器内的流动状况是一致的。说明前述 数学模型的选取是较准确的,计算方法是可行的。 图 5 显示了在导流筒内不同的流动区域中,固体流动速度的分布情况。

8

北京海基科技 www.hikeytech.com

FLUENT 第二届中国用户大会

液固环流反应器内流动状况的数值模拟

2.1 1.8 1.5 1.2 0.9 0.6 0.3 0.0

管流 区,实验值 喷射区,实验值 喷射区,计算值 管流 区,计算值

U(m/s)

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

r/R

图 5 导流筒内固体速度的分布 从图 5 中可以看出,计算值和实验值相差较大。但实验值和计算值不论在管 流区还是在喷射区,其固体速度的分布形式都差布多,都呈现出管中心处的流速 比边壁处大的趋势。但实验值在导流筒中心处有一个局部最小值,计算值中并没 反映出这一趋势。这说明,Fluent 所提供的数学模型在模拟计算液固环流反应器 内流体流动状况时是可以使用的, 但对特定的对象需要对所用的数学模型进行修 正。 图 6 和图 7 显示了在反应器中不同流动区域内固体相含率的分布情况, 其中 图 6 是实验值,图 7 是计算值。
3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5

0.045

管流 区 喷射区

0.040 0.035 0.030 0.025 0.020 0.015

管流 区 喷射区

固相含率( %)

0.0

固相含率( %)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

r/R

r/R

图 6 导流筒内固含率的分布(实验值)

图 7 导流筒内固含率的分布(计算值)

从图 6、7 中可以看出,实验值和计算值相差很大,几乎是相差了两个数量 级。对管流区而言,其固含率分布的形式差别不大;但对喷射区而言,其固含率 分布的形式差别很大。其原因在于,在实验中,由于在出口处设置了筛网,使得 固体颗粒不能随着液体流出,固体颗粒在反应器内的量是不变的;而在计算中 时,由于在出口处未设置相应的筛网结构,以至于在计算过程中,固体颗粒随流
9

北京海基科技 www.hikeytech.com

FLUENT 第二届中国用户大会

液固环流反应器内流动状况的数值模拟

体的流动从出口处离开了反应器, 固体颗粒在反应器内的量是不断减少的。 因此, 在进一步的计算中,需要在出口处增加一个类似筛网的结构,使固体颗粒不随液 体流出反应器。 4 结论 本文用 Fluent 软件对液固环流反应器内的流动状况进行了数值模拟, 得到了 反应器内静压力、液体流速、固体流速和固相相含率分布等详细情况,并将计算 值和实验值进行了比较。 说明用 Fluent 软件可以较好的模拟反应器内液固流动状 况,但对特定的对象还需对所提供的数学模型进行必要的修正,使利用该软件对 液固环流反应器内流体流动的模拟所得出的计算值和实验值相符。

参考文献
[1] Blenke H, Advanced Biochemical Engineering[J],1979,13:121~131 [2] 范镇,高峰,鲁波等,化学反应工程与工艺[J],1985,11(1~2):70~89 [3] 卢泽民,吴守一,朱金华,江苏理工大学学报[J],1999,20(1):8~11 [4] Smith B. C.,Skjmore D. R.,Biotech Bioeng, 1990,35:483~491

10

北京海基科技 www.hikeytech.com

FLUENT 第二届中国用户大会

大型气体分布器初始分布的流场可视性研究

大型气体分布器初始分布的流场可视性研究
周海鹰
【1】

,李鑫钢

【1,2】

,张吕鸿
天津 天津

【1,2】

(天津大学化工学院化工研究所【1】 (精馏技术国家工程研究中心 摘要 关键词
【2】

300072) 300072)

[国家九五攻关项目-超大型填料塔技术改进]
针对的填料塔双切向气体分布器的初始分布,在现有的经验参数基础上,我们利用商业计算软件 双切向气体分布器;数值模拟;分布性能 FLUENT 对特定条件下对塔内气体的流场进行数值模拟计算,所得结果基本符合实验情况。

1

前言

随着高空隙率、低阻力的各种新形填料日益广泛的应用于大直径、浅填料层的精馏塔,塔内 气体的均匀分布问题已逐渐引起研究人员的重视。 而在炼油、 化工行业中大型精馏塔进口气流的 初始分布、液沫夹带等性能,对精馏塔的分离效率和产品质量、收率都有重大的影响。 目前,国内大型气体分布器的研究和开发,还处于摸索和起步阶段,很多性能优良的分布器 大都是从国外专利中,模仿和借鉴出来的,具体关键设计数据还属保密资料,自己开发出来的分 布器都是从需求出发, 凭经验设计出来的, 大型分布器的制造和性能测试都得需要大量的人力和 物力。 为了设计出性能优越的气体分布器,就必须要了解其中的气液运动规律,探索其合理结构, 构想出最佳均布性能的分布器内部布局。现在,我们可以借助专业流体计算软件 FLUENT 5.5 的 对分布器进行气体初始分布模拟, 直接改变结构设计来优化分布性能, 为以后的分布器优化设计 提供一条既节省大量财力又具说服力的便捷之径。 一般来说, 定量的衡量一种分布器的参数主要看均布性能, 雾沫夹带量以及压降大小的情况。 (1) 清华大学的潘国昌 曾经对经常用的几种气体分布器在直径为 800mm 的模型塔进行过对比试 验。结果表明,双切向环流式和轴径向式两种在不均匀度和压降的对比中,互有长短,而在总体 上又比其他分布器要好的多。值得提出的是,这七种气体分布器的对比是在小塔里进行的,而在 塔器日益大型化的过程中, 这种对比就不一定能反映出真实情况, 这个时候的对比实验是很难进 (2) 行的。而用计算流体力学模拟流场的研究,国内还较少,张吕鸿 曾用有限元数值方法模拟过 轴径向式气体分布器的流场,但只还是二维的计算,没涉及立体三维的模拟。 所以,本次模拟研究就是在大型塔(D6400mm)中通过考察三维立体双切向环流式气体分 布器的速度流场,来试图了解气体在经过分布器的过程中的流动规律。

2

建立模型和数值计算

模拟对象为一个装有双切向分布器的简化分离塔内的气体流动过程,图 1、图 2 分别是计算 域网格和分布器外观。其中,塔径为 6.4m,分布器内径为 2.5m,入口直径为 1.295m。进口速度 为 40m/s 的空气,在经过分布器分散后,向上发展为比较充分的湍流出口,分布器的挡液板近似 - 为直角挡板, 以便生成网格质量较高。 计算域体积为 340.27m3, 最小网格体积为 4.219×10 6 m3, - 最大网格体积为 1.538×10 2 m3,共生成 10.8801 个混合网格。网格采用 GAMBIT1.3 软件生成。 由于气体流动的雷诺数较大(可达到 80,000) ,本次计算是采用单相湍流模型,我们选择
第一作者:周海鹰,男,26 岁,硕士研究生 联系人:李鑫钢,男,41 岁,教授。 First author: ZHOU Haiying E – mail: eaglejoan@sina.com Corresponding author: LI Xingang E – mail: xingli@tju.edu.cn

11

北京海基科技 www.hikeytech.com

FLUENT 第二届中国用户大会

大型气体分布器初始分布的流场可视性研究

(RNG) k-ε双方程湍流模型封闭雷诺时均方程,此方程能较好的模拟曲率较高的回流区流动,边 壁区域我们采用标准壁函数。 模拟采用定常稳态运算,对流项采用一阶迎风格式便于计算,PISO 算法来耦合压力速度, 加快收敛速度,节省运算量。选用 FLUENT5.5 软件经奔腾 4 处理器迭代 2500 次收敛。

图 2. 分布器轮廓

图 1. 计算网格轮廓

3.

结果与分析

12

北京海基科技 www.hikeytech.com

FLUENT 第二届中国用户大会

大型气体分布器初始分布的流场可视性研究

图 3. 分布器流动跟踪图Ⅰ

图 4.分布器流动跟踪图Ⅱ

图 5. 沿入口剖面气体速度矢量图

通过观察图 3,图 4 可以发现,气体经过分布 器向下、又折返向上的过程,并不是从塔中央顺利 向上发展,而是从与入口相对的方向从底部向入口 方向流动,从而造成在分布器上端一段空间形成较 大向下回流(如图 5 所示) , 大大影响了气体的均 匀分布,使得在分布器上方的局部速度增大,而在 远离入口方向的区域速度偏低,甚至向下回流。究 其原因,应该是由于第一块挡液板阻挡的气体量太 大,较大的 y 向速度分量的气体沿着环形塔内壁流 到对面,相互混合撞击,再折返向上流动,大量的 这种流动就影响了整个塔底的流场,造成如图 3、4 所示的对向流,这样通过描绘塔内的流场分布,加 深了人们对分布器效果的认识,对优化分布器的结 构设计很有指导作用。 从图 6、7、8 的流场比较可以看出,由于湍流的发 图 6.分布器 above 2.1m 气速分布图 展,气速的最大值从下到上逐渐变小,但是速度剧烈 区都集中靠近入口端, 而对面都是回流区速度很小, 甚至为负, 这都是我们在模拟前没有想到的; 但是由于流动的发展,不同截面的速度分布接近区明显扩大了,均匀性好多了(如表 1 所示)。 表 1 . 截面流动均布性能比较 Above2.1m 截面气速 m/s 不均匀度% 1.3841 15 Above3.1m 1.4701 9.8
13

Above4.1m 1.5317 6.03

平均值 1.63
北京海基科技 www.hikeytech.com

FLUENT 第二届中国用户大会

大型气体分布器初始分布的流场可视性研究

图 7.分布器 above 3.1m 气速分布图

图 8.分布器 above 4.1m 气速分布图

综上所述, 通过对填料塔内的气体分布器的流场分析, 我们得出了与实际情况相符合的结果, 如湍流发展越充分,分布性能越好;同时也发现了意料之外的现象,如塔底的气体流动,塔内的 气体流动趋势, 而且这种流动大大影响了气体分布情况, 这都是我们在设计分布器是要着重改善 优化的地方。由此可见,计算流体力学在经过软件 FLUENT 的广泛应用与推广,更加促进了人 们对具体环境下的流体流动的认识。

参考文献
(1) (2) 潘国昌等 “填料塔进料气体分布研究” 化工工程 1998,26(1).-6-11,24 张吕鸿, 范毓润等 “填料塔轴径向气体分布器气体流场的数值模拟” 天津大学学报 2001,034(005).-623-627

14

北京海基科技 www.hikeytech.com

FLUENT 第二届中国用户大会

H2 燃料在超音速气流中燃烧性能数值模拟

H2 燃料在超音速气流中燃烧性能数值模拟
武渊 田维平 乐发仁 向阳化工机械公司 (西安 169 信箱,邮编:710025,tel:(029)3605232) 摘 要 通过对三维、粘性、湍流、有化学反应 Navier-Stokes 方程进行数值计算的方法,分别对变

几何结构及几何结构不变的燃烧室模型进行了计算,对 H2 燃料射流在超音速空气流中的燃烧性能,不同燃 料入射角对燃烧性能的影响进行分析研究。 关键词 H2 燃料射流 超音速燃烧

The numerical simulation of the hydrogen supersonic combustion
Abstract 3-D, viscous, turbulent, reaction, Navier-Stokes numerical simulations have been

performed for studying the fluid dynamic mechanisms of the hydrogen supersonic combustion. The intentions of this paper are to study the performance of lateral hydrogen fuel injection into the supersonic crossflow, and the fuel injection angel to influence the combustion by calculating the different geometry configuration. Key word 1 前言 本文通过数值模拟, 分别对变几何结构及几何结构不变的燃烧室模型进行了计算, 对 H2 燃料射流在超 音速空气流中的燃烧性能,不同燃料入射角对燃烧性能的影响进行分析研究。 2 2.1 模型的建立 问题的物理描述 H2 燃料射流在超音速空气流中的燃烧是一个非常复杂的问题,其中包括的物理现象为: (1) 在高度欠膨胀的情况下,燃料射流沿轴向横截面上将出现涡旋,涡旋的不规则运动导致气流微团间横 hydrogen jet supersonic combustion

向的动量、热量和质量的交换,从而形成了湍流射流边界层; (2) 影响燃前激波的存在与位置的因素很多,如入口空气 Mach 数(表征飞行 Mach 数) 、燃烧室壁面粗糙

度及其水力直径、燃料射流参数等,在研究中必须一一考虑进去; (3) 为三维非定常系统,包括边界条件、射流与超音速外流的相互干扰、掺混、化学反应、气—固(或气

—液)两相流、粘性力、壁面条件等影响因素; (4) 存在着复杂的激波系。 因此,对 H2 燃料射流在超音速空气流中的燃烧流场应定义应包括三维、多相、粘性、湍流、多步多组 分化学反应。由于计算机计算能力的限制,为突出其物理本质,本文将其简化为三维、单相、粘性、湍

流、单步不可逆化学反应。其化学反应式为:
15

北京海基科技 www.hikeytech.com

FLUENT 第二届中国用户大会

H2 燃料在超音速气流中燃烧性能数值模拟

2 H 2 + O 2 = H 2O
2.2 基本几何模型

(1)

本文采用的燃烧室模型由隔离段、等截面燃烧段、扩张燃烧段组成,其几何机构如图 2 所示,隔离段 尺寸为 220mm×147.3mm×32mm; 等截面燃烧段尺寸为 96mm×147.3mm×38.4mm; 扩张燃烧段长 350mm, 其上下底面与等截面燃烧段的夹角为 178.30;共 18 个燃料喷口,等截面燃烧室上下底面各 9 个,对称分布。 由于该燃烧室结构对称,故图 1 中只显示 1/4 域。
.65 73 22

16

3.20

2.8

0

0

隔 离 段

12 .8

17 8.3 0?

等 截 面 燃 烧 段

66 6

35 0

S y m m e try F a c e _ x y

扩 张 燃 烧 段
.6 73 5

S y m m e try F a c e _ x z

图1 2.3 算例边界条件

燃烧室几何结构

本文共进行了四个算例,其计算参数分别见表 1~2。 算例 a1 模拟的是飞行高度 25km,飞行 Mach 为 7,燃料入射角(燃料喷口与水平面夹角)为 900 的条 件,在确定燃烧室入口参数时,为使问题简化,未考虑进气道损失,其燃烧室入口参数通过下式确定,见 表 1。

p* k ? 1 2 kk = (1 + M ) ?1 p 2

(2)

T* k ?1 2 M = 1+ 2 T

(3)

上式中, p、T 为 25km 处标准大气参数,其值分别为 2.5492E+3Pa 与 221.5K。 算例 a2 及 a3 的燃烧室入口参数同算例 a1,燃料入射角分别为 600 和 300。 算例 a4 模拟飞行高度 25km,飞行 Mach 为 8,燃料入射角 900 的条件,a4 燃烧室入口参数见表 2。 表1 Z P*(MPa) P(MPa) T*(K) T(K) Mach Mass fraction 算例 a1 燃烧室入口参数 Air 10.5339 0.6162 2392 1063 2.5 0.232 (O2) H2 6.640 3.4955 280 191.5 1 1
16

表2 Z

算例 a4 燃烧室入口参数 Air 24.9922 0.6274 3055 1066 3.054 H2 6.640 3.4955 280 191.5 1

P*(MPa) P(MPa) T*(K) T(K) Mach Mass

0.232 (O2)

29.59

北京海基科技 www.hikeytech.com

1

FLUENT 第二届中国用户大会

H2 燃料在超音速气流中燃烧性能数值模拟

2.4

燃料注射方案 本文通过表 1 中的燃烧室入口参数及表 3 中的设计变量来确定燃料喷口直径及空间位置分布,以获得

最佳燃料注射方案。 表3 Z(设计变量) 入射燃料设计变量 变量描述 入射燃料总温 入射燃料总压 燃料喷口横向距离 喷口数 单位 K Pa mm

T j* Pj*
W/dj N 2.4.1
.

空气流量的确定

mair = ρ AV =
2.4.2 (1)
ma =
.

p M a alh = 15.488 kg/s RT

(4)

燃料喷口直径 分配给单个燃料喷口的空气流量
m a i r =0.8604kg/s N
.

(5)

(2)
.

单个喷口燃料流量
.

m f = f m a = 0.02495kg/s

(6)

(3)
.

喷口直径

dj = (
2.4.3 由w 2.5

T j* m f pc
* * j

)1/ 2 =2.8mm

(7)

喷口横向距离

dj

可得喷口横向距离为 16mm。

数学模型 本文计算所用的程序为 Fluent6 。 Fluent 软件包具有丰富的计算模型,强大的前后处理功能, Old

Dominion University 的 M.J.Olynciw 与 T.O.Mohieldin 等人曾运用 Fluent 对超音速燃烧进行过计算,并取得 了与 Murakami 的试验相一致的结论(见参考文献 4,AIAA 99-3368) ,从而证明了 Fluent 在研究超音速燃 烧的有效性。 流场的复杂性决定了描述方程的复杂度,本文采用笛卡儿坐标系下的三维 Navier-Stokes 方程对流场进 行描述。
17

北京海基科技 www.hikeytech.com

FLUENT 第二届中国用户大会

H2 燃料在超音速气流中燃烧性能数值模拟

(8) 上式中 W、F、G 分别为

(9) H 包括了彻体力及能量等源项, ρ、u、v、w、p 分别为流体密度、速度、压强,τ为粘性应力张量,E 为单位流体能量,q 为热流量。 在数值计算中,为提高收敛性及计算精度,采用了全隐、偶合的迎风格式。湍流模型为 K-ε二方程模 型。 由于流场为大 Re 数,其化学反应由 Arrhenius 定律与湍流共同控制,故选用的化学反应模型为 Finite-rate/Eddy-Dissipation。反应的活化能为 2.4182E+8J/(kg

相关文章:
《FLUENT中文手册(简化版)》
(m) = 8.660000e-02 Volume statistics: minimum ...FLUENT 仿真的新信息保存在两个文件中:case 文件和...单元的歪斜太大会降低解的精度和稳定性。比方说:...
2006Fluent中国用户大会会议论文书写格式要求及规范
2002年FLUENT仿真分析用... 261页 1下载券 大学毕业...附件1 2006 Fluent 中国用户大会会议论文书写格式要求...(含地区名称和邮编),中文摘要和关键 词(3-8 个)...
fluent用户手册摘要
fluent用户手册摘要_电脑基础知识_IT/计算机_专业资料...2014年移动互联网O2O分析报告 休闲农庄项目可行性研究...FLUENT中文全教程_赵玉新... 986页 免费 Tecplot详细...
离心风机CFD模拟及改进
6.1 和 GAMBIT2.1 对通风机进口进行优化计算,优化设计 建立在仿真分析的基础...2005 Fluent 中国用户大会论文集 93 图 8 优化前后 进口形状 5 总结 根据上述...
专业软件
中国用户大会文集 Fluent 2005 中国用户大会论文集 ...Gridgen v14.02.Multiplatform Gridgen v15.00.R....、成形、热传导和成形设备特 性进行模拟仿真分析。...
更多相关标签:
fluent仿真实例 | fluent 6dof仿真案例 | fluent三维机翼仿真 | 喷嘴fluent仿真实例 | fluent流体仿真 | 中国无人机大会论文集 | 冷库fluent仿真设置 | fluent 声学仿真步骤 |