沙尘试验箱内部流场的数值仿真与分析

王杰叶长青孟祥玮

（惠州出入境检验检疫局广东惠州516006）

沙尘试验箱内部流场的数值仿真与分析

王杰叶长青孟祥玮

（惠州出入境检验检疫局广东惠州516006）

为了设计出符合标准要求的沙尘试验箱，实现对关键试验条件的准确控制，有必要对沙尘在试验箱内部的运动情况进行研究。采用FLUENT软件，建立二维数学模型，对循环吹沙尘试验箱内部流场（空气-沙尘两相流）进行数值模拟，得出了沙尘试验箱内部风速和沙尘浓度分布情况。结果表明，气流在试样周围产生绕流和漩涡，沙尘在试样背风面发生沉积。该结果对自行设计与研制沙尘试验设备具有重要的指导意义和参考价值。

沙尘试验；数值模拟；气固两相流；流场分布

1 前言

沙尘试验是环境试验之一，是评价产品对沙尘环境适应能力的重要手段。国家标准GB/T 2423.37-2006将沙尘试验的类型划分为5种：交变气压（La1）、恒定气压（La2）、自由降尘（Lb）、循环吹沙尘（Lc1）以及自由吹沙尘（Lc2）。其中吹沙尘试验条件较为复杂，试验箱内部风速和沙尘浓度的大小及均匀性是影响吹沙尘试验结果一致性的主要因素之一[1]。为了设计出符合标准要求的沙尘试验箱，实现对关键试验条件的准确控制，有必要对沙尘在试验箱内部的运动情况进行研究。本文重点研究吹沙尘试验箱内部的流场，为叙述简便，下文“沙尘试验箱”特指循环吹沙尘试验箱。

由于流场的计算需要应用流体力学等专业知识，对人员的要求较高，相关的研究还比较少。随着计算机软硬件及仿真应用技术的发展，计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）仿真技术在流体力学领域中得到很大发展[2]。其中FLUENT就是最具代表性的仿真软件之一，它使用方便，可靠性高，已经在工程实践中得到较广泛的应用。本研究将采用FLUENT软件对沙尘试验箱的风速和沙尘浓度分布进行模拟，从而为沙尘试验箱的设计与制造提供参考。

2 数学原理

沙尘在沙尘试验箱内部的运动为典型的气固两相流运动。对于气-固两相流，可以采用的数值模拟模型主要包括欧拉双流体模型和拉格朗日模型。欧拉双流体模型将两相视作不同的两种连续介质，忽略单个颗粒之间的受力情况，从整体的角度对颗粒进行受力分析，此时不考虑单个颗粒对整体的影响。拉格朗日模型将气体视作连续介质，固粒视作离散介质，分析每个单元的运动情况和彼此之间的碰撞情况[3]。

考虑到试验沙尘尺寸极为微小（<100 μm），可以认为在试验箱内部为连续分布，因此研究采用气固两相流双流体模型。

气固两相的连续性方程[4]：

动量守恒方程：

式中：α为体积分数，ρ为密度，u为速度，τ为黏性应力，p为气体压力，g为重力加速度，β为拖曳系数，ρs*为固体压力。下标s表示固相，g表示气相。

3 物理模型

根据国家标准GB/T 2423.37-2006，吹沙尘试验箱的结构由鼓风机、进风段（即前处理箱）、试验箱、回风段等部分组成循环风道，沙尘颗粒由储尘罐注入，与空气混合后在进风段经导流叶片整流后，水平流过试验段，由回风段流出。结构如图1所示。

图1 吹沙尘试验箱结构图

本文主要研究进风段、试验段及回风段的流场特性，为便于计算，将问题简化为二维模型。采用FLUENT附带的GAMBIT软件，建立仿真模型。确定几何尺寸如下：左侧漏斗形区域为进风段，其中水平部分为0.1 m×1.0 m（W×L），扩张部分长度为0.25 m，最小宽度为0.1 m，最大宽度为0.6 m；中间为试验段，尺寸为0.6 m×1.0 m（W×L）；右侧为出口段，尺寸与进口段相同。在进风口之后安装有导风板，尺寸为0.02 m×0.1 m（W×L）。试验样品尺寸为0.2 m× 0.1 m（W×L）。图2是采用简化模型的示意图。划分网格，生成网格总数约为43万。经检查，等角失真（EquiAngle Skew）小于0.4的网格比例超过99%，网格质量较高，可以进行仿真。

图2 计算区域示意图

4 软件设置及边界条件

将计算网格导入FLUENT求解器，选择多相流模型（Multiphase Models）中的欧拉模型（Eulerian Model），将空气作为第一相，固体颗粒作为第二相；在材料（Materials）中设置材料特性。第一相空气密度为1.225 kg/m3，粘度为1.84×10-5Pa·s；第二相沙尘密度取3000 kg/m3，体积分数为10-5，颗粒直径为10 μm。试验箱内气流流动为二维稳态定常流动模型，采用标准的k-ε模型。

颗粒运动时受力比较复杂。在气固两相流运动中，颗粒粒径很小、浓度很稀，颗粒所受的流体曳力是最主要的，其次是重力，其他力在量级上与之相比非常小，一般可以忽略不计[5]。

边界条件包括入口速度边界、自由出口边界、模型外边界和壁面边界，近壁区模拟采用壁面函数法。初始条件：气流和沙尘均以20 m/s速度从进风口沿X轴正方向均匀进入。

5 仿真结果及分析

经过仿真运算，得到试验箱内部风速分布图，如图3。图4为样品前方0.1 m、0.2 m、0.3 m截面的气流速度分布。

图3 风速矢量图（风速大小以灰度深浅表示）

图4 样品前方3个截面（x=0.65、0.75、0.85 m）上的速度分布

图3 表明，气流从进风口流入后，经过扩散，发展成为均匀的水平气流，并在试件周围改变了流动方向。在试件正前方，风速减弱，并从试样周围边界绕流；在试样后方，形成两个漩涡。图4表明，样品对速度场的均匀性产生了影响，在较远的截面上风速才基本均匀。在对风速进行监测时测量点应该远离试样，距离应为样品最大几何尺寸两倍以上。

图5为样品后方0.00 m、0.01 m、0.03 m 3个截面（分别是x=1.05、1.06、1.08 m）上的沙尘浓度分布。

图5样品后方3个截面（x=1.05、1.06、1.08 m）上的浓度分布

图5 表明，样品背风面的沙尘浓度远高于其他区域。这是因为气流在背风面形成漩涡，沙尘运动速度下降，受重力影响，沙尘在此集聚并沉积。在对沙尘浓度进行控制时，应根据浓度的监测结果，适时向试验箱内注入沙尘，才能保证沙尘浓度的稳定。

6 结语

本研究采用FLUENT软件建立二维数学模型，对循环吹沙尘试验箱（Lc1）内部流场特性进行仿真分析，形象、直观地得出了沙尘试验箱内部风速和浓度分布情况。仿真结果表明，气流在试样周围产生绕流和漩涡，沙尘在试样背风面发生沉积。上述结果对自行设计与研制沙尘试验设备具有重要的指导意义。需要指出的是，本研究假设的边界条件比较理想化，实际情况比较复杂，例如入口风速通常不均匀[6]，试验箱内壁面对沙尘有静电吸附作用等。因此，对试验箱内部流场更准确的模拟，还需要进一步的研究。

[1]GB/T 2423.37-2006电工电子产品环境试验第2部分试验方法试验L：沙尘试验[S].

[2]张帅帅.计算流体动力学及其应用及CFD软件的原理与应用[M]．武汉：华中科技大学出版社，2011：1-3.

[3]林建忠.流-固两相拟序涡流及稳定性[M].北京：清华大学出版社，2003.

[4]张利珍，李运泽，王俊.气固两相流风洞内颗粒运动特性研究[J].系统仿真学报，2007，19（14）：3200-3202.

[5]高德真，李佳璐，李德臣，等.基于FLUENT气固两相流数值模拟与分析[J].辽宁石油化工大学学报，2015，35（4）：5-8.

[6]李红文，张涛.文丘里管内气固两相流离散相仿真模型优化[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2014，31（1）：42-47.

The Stimulation and Analysis of the Gas-Solid Two-Phase Flow in Dust and Sand Test Chamber

WANG Jie，YE Changqing，MENG Xiangwei
（Huizhou Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，Huizhou，Guangdong，516006）

Stimulate the gas-solid two-phase flow in the dust and sand test chamber with Euler-Euler Model，using computational fluid dynamics software FLUENT.The stimulation results indicate that the air flows around the test sample and generates vortex behind it，and the sand particles concentrate in the back side of the test sample.The result provides useful information for the design and manufacture of the sand and dust test equipment.

Sand and Dust Test；Numerical Simulation；Gas-Solid Two-Phase Flow；Mass Distribution

O359

E-mail：wangj@hz.gdciq.gov.cn

国家质检总局科技计划项目（2015IK072）

20160-08-04