基于喷砂罐两相流仿真的SRP项目探索实践*

黄 思，黄家兴，张 聪，林耿贤

（华南理工大学机械与汽车工程学院，广州 510640）

0 引言

大学是培养科技创新人才的基地，“学生研究计划”(Student Research Program，以下简称“SRP”)作为学生提前参与科研和创新的平台，是高校进行科技创新人才培养的重要手段。近年来对本科生科研能力的培养开始得到越来越多的关注和重视，SRP的作用显得更为重要[1-5]。

华南理工大学SRP是根据学校建设高水平大学的要求，为培养高素质、“三创型（创新、创造、创业） ”人才启动的学生科研项目，旨在通过鼓励学生切实参与到科研实践项目当中，开展初步的探索性研究工作，从而帮助学生获得科研的基本研究技能，并在实践过程中培养学生的创新意识和能力。目前，SRP已成为国内高校开展本科创新教育普遍的实践平台之一，是获得众多高校认可并在全校范围内予以实施的一项学生训练计划[6-9]。

喷砂罐是一种广泛应用于石油化工、船舶、土木等行业[10-13]的空气输送机械。喷砂罐主要由压力罐和喷枪组成，其工作原理是以压缩空气形成高速射流将磨料砂粒喷射到工件表面，使其机械性能发生变化以达到加工的目的。喷砂罐内部流场为高浓度的复杂气固两相流，罐体内部属于高压且相对封闭的区域，现有条件无法直接观测喷砂罐内的气固两相流场。因此，通过模拟仿真计算和动画展示喷砂罐内的气固两相瞬态流场将是一个具有挑战性和创新性的课题。在研究过程中，学生可以清楚地了解喷砂罐的工作原理及压力、速度的分布规律，同时也是对过程控制专业必修课程“过程流体机械”教学手段的补充与完善。

1 项目实施过程与方法

指导教师根据专业培养计划以及“过程流体机械”课程的要求，拟定相应的SRP项目，学生根据个人实际情况进行申请，指导教师从中筛选出具备足够流体机械基础的学生加入项目组。项目启动后，指导教师先为学生讲解项目的内容和需要完成的任务；指导学生通过搜索网上资料和查阅相关文献进一步了解喷砂罐的工作原理；指导学生掌握项目所用流体仿真软件的使用方法和参数设置原理，并学会利用专业知识来判断计算结果的差异；最后按照学生兴趣和基础的不同，对项目进行具体地分工，并制订相应的阶段性目标及工作内容。同时，制定了学生介绍个人研究成果的计划，通过将一段时间内的工作成果做一次自我总结，可以促进学生之间相互学习，锻炼学生的表达与总结能力。整个SRP项目的计划安排如表1所示。

表1 项目安排

2 项目实施的主要结果

2.1 流动计算域三维模型的建立

项目选取如图1所示的某造船厂喷砂罐作为研究对象，使用SolidWorks建模，得到如图2所示的流动计算域。该计算域由罐体、进气管和出口管等部分组成，罐体圆柱段内径810 mm，锥段半锥角为48°，进气管内径55 mm，出口管内径34 mm。

图1 喷砂罐结构示意图

2.2 流场仿真计算

根据实际操作工况条件，计算采用的介质和工艺参数如表2所示。设磨料砂粒为球形，砂粒与砂粒间的接触模型选取Hertz-Mindlin无滑移模型，砂粒与喷砂罐的接触采用Hertz-Mindlin模型结合Archard磨损模型，选取磨损常数[14-15]K/H=10-12。喷砂罐工作压力为0.55 MPa，颗粒—颗粒和颗粒—喷砂罐材料的相互作用系数如表3所示。

表3 材料的相互作用

计算域内气体和固体砂粒的初始条件为静止状态，其中气相位于罐内上方，固相砂粒位于下方。气体进口边界条件按喷砂罐工作压力给定，出口边界条件按1个大气压给定。设置气体流动计算时间步长Δt=10-3s，砂粒运动计算时间步长Δt=10-5s。

2.3 后处理与动画制作

经过流场仿真模拟得到计算结果，指导学生对结果进行后处理，得到喷砂罐内的气体压力分布图（图3） 和流速矢量分布图（图4），由此可以直观地得出喷砂罐内的气体压力和流速的分布规律。

计算结果显示喷砂罐入口管压力为罐体工作压力，罐体内部压力分布较均匀。在出口管附近，流通面积的减小导致气流需要克服更大摩擦阻力，产生较大压降。罐体内形成环向的气流运动，速度相对均匀，气体出口处的速度较大，达到了345 m/s。

图3 喷砂罐横截面气体压力分布

图4 喷砂罐横截面速度矢量分布

图5 是2 s内不同时刻喷砂罐的颗粒位置及速度分布，由图可以看出颗粒在罐内做顺时针的环向运动，罐体中部颗粒速度更高。为了更直观地展现喷砂罐内的颗粒运动规律，学生们在教师的指导下，使用视频编辑软件显示2 s内不同时刻的颗粒分布情况，并将结果串联合并，制作成能够直接用于教学的动画课件。

图5 不同时刻喷砂罐内颗粒位置及速度分布

3 结束语

本文介绍了“喷砂罐气固两相流的数值仿真及动画制作”的SRP项目的实施过程、方法及主要结果。在该研究项目中，学生在教师的引导下完成了喷砂罐流动计算域的三维建模、网格划分、模拟计算及结果处理，得到并分析了喷砂罐内部的压力场、流场和颗粒分布，制作了相关的教学动画课件。

在SRP项目的实践过程中，学生在具备一定专业基础知识的基础上，开始参与探索性的科研实践项目，对于所学专业知识能够有更深的理解与应用。同时，SRP项目坚持贯彻学生主体、教师引导的思想，重点培养学生的创新实践能力，对切实提高本科生的综合素质具有积极的意义，同时也能充分激发学生的学习兴趣，提高发现问题、思考问题和解决问题的能力。