非稳态旋转风幕流场数值分析及实验研究

2012-12-24 07:36林爱晖李永存

重庆电力高等专科学校学报 2012年1期

林爱晖，李永存

(1.湖南城建职业技术学院设备系，湖南湘潭411101;2.湖南科技大学能源与安全工程学院，湖南湘潭411201)

0 引言

在工业生产过程中散发的各种有害物如不加以控制，会使环境受到污染和破坏，危害人类健康。控制工业粉尘对室内外空气环境的影响和破坏，是当前亟待解决的问题［1］。利用平面风幕来隔断空间的研究已取得很大进展，而且这种技术也相当成熟。但利用特殊风幕(旋转风幕)来控制粉尘的研究却起步较晚，尚有许多问题需要解决。

气幕旋风排风罩是利用人工龙卷风的原理来控制和捕集粉尘的，与传统的平面风幕相比，旋转风幕除注重了工作面粉尘的控制之外，还能用较小的排风量即可有效排除粉尘，提高工作人员工作区的空气品质，改善环境。对于气幕旋风排风罩的有关研究，目前主要侧重于实验方法，数值分析与实验相结合的方法却很少［2］。针对气幕旋风排风罩控尘特性，借助紊动射流、流体力学等理论，在一些基本假设条件上，建立了气幕旋风排风罩流场的数学模型。并利用CFD商用软件FLUENT研究其流场，不仅能对该装置的流场在实验前有个清晰的认识，而且还能拓宽和完善旋转风幕控尘理论，具有一定的现实意义。

1 非稳态旋转风幕流场

气幕旋风排风罩是利用人工产生的气旋捕集和控制粉尘，在它的四角安装四根送风立柱，以一定的角度按同一旋转方向侧吹出连续的气幕，形成气幕空间，在气幕中心上方设立排风口。在旋流中心，由于吸气而产生负压，这负压核心使旋转气流受到向心力的作用;同时气流在旋转过程中又受到离心力的作用，在向心力和离心力平衡的范围内，旋转气流形成漩涡，涡流收束于负压核心并朝向排风口。它是由吹吸气流共同作用的，而吹吸气流是吹风射流和吸风射流相互作用、相互影响的复杂气流。

当Re＞30时［3-5］射流就变成紊流，实际射流几乎都是紊流射流。

2 数学模型

2.1 基本假设

为了方便计算，将该模型简化，并做出如下假设:

1)送风气流可视为不可压缩气流，且为常温。

2)忽略重力，假设壁面绝热。

3)四根送风立柱的送风量相等，速度大小和分布相同。

4)四根送风立柱的送风角度相等。

5)送风口宽度一致。

6)采用控制容积法进行计算时，假设选取的控制容积足够大，将风幕对环境空气的影响控制在所选取的控制容积之内，而对控制容积之外的环境没有影响。

7)为了方便数值计算，送风口采用条缝形风口。

2.2 控制方程组［6］

要对风幕进行数值模拟，必须将控制流体的流动、传热传质及其他过程表示成数学形式，通常表示成控制微分方程的形式，采用的控制方程包括:

1)连续方程:

式中，u，v，w分别为x，y，z方向的速度，m/s;

2)动量方程:

式中，ρ为密度，kg/m3;μ为动力粘度，Pa·s;p为压力，Pa。

2.3 k-ε湍流模型

风幕的流动为湍流，采用k-ε湍流模型进行计算。旋转风幕的k-ε湍流模型如下:

1)k方程:

2)ε方程:

式中，k为紊流脉动动能，J;ε为紊流能量耗散率，J/s。

2.4 边界条件

进口边界(送风口边界):在此边界上施加速度进口计算条件。在计算过程中，近似认为风幕风口为均匀单向流动，由于射流速度远大于脉动速度，因此横向速度可以忽略，仅考虑主流速度。

出口边界(排风口):已知该出口的速度，对该边界施以速度入口，在设置边界条件时速度值设为负值。

出口边界(周围四面):由于该边界上的速度和压力均为未知的情形，故选自由出流。

壁面边界:所有壁面均施加无滑移固体边界条件，即ui=0;壁面以绝热对待;垂直于壁面上的压力梯度为0;采用标准壁面函数。

内部面边界:划分网格时建立的辅助面，设为内部面，流体可自由穿过此面。

3 数值计算结果及分析

无论哪种排风罩，都希望在有效地吸走污染气体的同时，排风量越小越好。对于悬挂式排风罩，其排风量随着罩口离污染源距离的增大而增大。罩口附近速度场衰减很快，排风罩离污染源愈近，效果愈好。旋转风幕排风罩的捕集效果不直接与排风口离污染源的距离有关，而是与形成稳定旋风的条件有关，即与送风立柱的送风量及排风罩的排风量有着密切的关系。由于排风口的负压作用，使得送风射流的内侧向里弯曲，并且在以立柱的射流对相邻立柱的卷吸、诱导作用下，形成旋转气流(人工旋风)。在一定送风量下，变化排风量，其他送风参数不变，进行数值模拟。图1～4为离地面高0.7m的截面压力速度分布图。从图中可以看出，增加排风量，轴心速度和中心静压的绝对值增加很小，即，作为污染物载体的空气流量增加很少。而排风量的增加，实质上主要是增加了排风口附近的空气流量。