基于Fluent的新型過程強(qiáng)化裝置的流場分析*

鄒韶明，朱瑞林

(1．江西工程學(xué)院;2．湖南師范大學(xué))

0 引言

過程工業(yè)是加工制造流程性材料產(chǎn)品的現(xiàn)代國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)之一，是發(fā)展經(jīng)濟(jì)提高國力不可或缺的基礎(chǔ)．提高過程效率可通過提高湍流程度達(dá)到，傳統(tǒng)上，提高湍流程度往往需提高流速，這勢必增加能耗、設(shè)備體積與投資、廠房空間等．象許多緩慢且可逆的反應(yīng)過程，目前用連續(xù)管式反應(yīng)器而不加強(qiáng)化，長徑比很大，不僅增加設(shè)備體積與成本，且效率低，操作很不方便．若能不提高過程凈流速，而提高其湍流程度或混合程度，則既可提高過程效率，又能節(jié)約能源、資金、材料和廠房空間等，達(dá)到“高效、節(jié)能、潔凈、安全”的目標(biāo)．

為此，提出了一種新型過程強(qiáng)化技術(shù)與裝置［1-5］，如圖1所示，其技術(shù)方案是:在過程設(shè)備上設(shè)置與之配合的機(jī)械振蕩裝置，使過程設(shè)備內(nèi)的流體形成紊流或充分混合，以強(qiáng)化工藝過程［6］．

圖1 新型過程強(qiáng)化技術(shù)及其裝置

振蕩裝置主要由活塞與圓柱轉(zhuǎn)子構(gòu)成，活塞與過程設(shè)備密封滑動(dòng)裝配，轉(zhuǎn)子對稱斜置，造成相位差180°的偏心距，此即活塞振幅．滑板可在支座兼導(dǎo)軌上移動(dòng)，以調(diào)節(jié)振幅(調(diào)速電機(jī)裝在滑板上)．調(diào)速電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子推動(dòng)兩活塞作相位差180°的振動(dòng)，使過程設(shè)備內(nèi)的流體形成紊流或充分混合．

該文運(yùn)用Fluent軟件建立了該強(qiáng)化裝置的參數(shù)化模型并對其流場進(jìn)行了數(shù)值模擬．根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果比較了未加強(qiáng)化裝置和加上強(qiáng)化裝置后的流體流場分布，分析了過程強(qiáng)化裝置對于其內(nèi)部流體流場的影響，分析了強(qiáng)化裝置在過程強(qiáng)化中的作用．

1 仿真模型建立

利用Fluent建立了裝置的三維模型．取裝置中的一節(jié)作為研究對象，采用Gambit中的自適應(yīng)混合網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示．選用有限體積法［6］和 RNG k-ε 計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算［7］，對過程強(qiáng)化裝置采用圓環(huán)形檔板時(shí)的流場進(jìn)行分析．

圖2 圓環(huán)型擋板時(shí)筒體的網(wǎng)格劃分

在該文中只對活塞做正(余)弦運(yùn)動(dòng)時(shí)的流場進(jìn)行分析，由于強(qiáng)化裝置的周期運(yùn)動(dòng)，使得流場兩端的軸向速度隨時(shí)間周期性變化，因此其邊界條件定義為:

在Z =0處 vx=0;vy=0;vz=2πfasin(2πft)(a:振幅;f:振蕩頻率)

初始條件取:t=0時(shí)，vx=0;vy=0;vz=0．

2 過程強(qiáng)化裝置對流場的擾動(dòng)分析

為了研究過程強(qiáng)化裝置對流場的擾動(dòng)，選取在相同的進(jìn)口流速條件下，在使用圓環(huán)形擋板時(shí)，未加強(qiáng)化裝置和加上了強(qiáng)化裝置后筒體內(nèi)的流體的速度場，通過分析和比較兩者的流場分布，來分析過程強(qiáng)化裝置對流場的擾動(dòng)的影響．

2．1 未加強(qiáng)化裝置時(shí)的流場分布

首先對進(jìn)口流速為0．00707264 m/s(流量為50 L/h)時(shí)，未加強(qiáng)化裝置的流場分布進(jìn)行分析，其結(jié)果如圖3和圖4所示．從圖3，圖4的未加過程強(qiáng)化裝置時(shí)筒體的流場分布圖可以看出，未加過程強(qiáng)化裝置時(shí)，由于其入口流速比較小，因此類似于其流場分布類似于圓管管內(nèi)流動(dòng)，當(dāng)流動(dòng)穩(wěn)定以后，其速度場不隨時(shí)間變化，保持為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)．速度由筒體軸線向兩邊逐漸減小，流場的最大速度出現(xiàn)在進(jìn)口處．在靠近管壁處速度值很小;在進(jìn)口的兩側(cè)，由于擋板的存在，因此出現(xiàn)了一個(gè)滯止區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)，流體的流動(dòng)速度很小，在傳熱和傳質(zhì)中，由于這一部分的質(zhì)量和熱量傳遞主要靠傳導(dǎo)的作用，對流作用幾乎為零，因此效率很低，這種情況在工業(yè)生產(chǎn)中是不希望出現(xiàn)的，它將使傳熱和傳質(zhì)的效果大大降低．在出口處，由于擋板的作用，在擋板處出現(xiàn)了部分回流，但是由于邊界層的存在，該部分流體在較大的黏性力作用下速度不斷減小，當(dāng)快要到達(dá)筒體壁面時(shí)，其速度已經(jīng)變得很小．從圖中還可以看到，流體在筒體中主要只存在軸向的速度，徑向速度幾乎為零．

下面對在相同的進(jìn)口流速條件和擋板開孔率的條件下，加上過程強(qiáng)化裝置后，筒體內(nèi)的流場分布進(jìn)行研究．

圖3 T=2．12 s時(shí)xoz平面上的流場分布

圖4 T=2．13 s時(shí)xoz平面上的流場分布

2．2 加上過程強(qiáng)化裝置后的流場分布

圖5～圖10是系統(tǒng)穩(wěn)定后加上過程強(qiáng)化裝置后一個(gè)周期內(nèi)的流場分布圖，

從圖5～圖10可以看出，當(dāng)加上過程強(qiáng)化裝置后，在筒體中出現(xiàn)了不斷產(chǎn)生和消失的旋渦，并且由于旋渦的存在，使得靠近筒體壁面處的流體能夠在旋渦的帶動(dòng)下與中間部分的流體充分得混合．由于筒體兩側(cè)出現(xiàn)的明顯的漩渦，使得筒體兩側(cè)的速度分布得到明顯的改善，流場中流體的徑向速度得到明顯加大;在進(jìn)口擋板的兩側(cè)，由于漩渦的形成，其速度明顯增加，在靠近筒壁處，由于其漩渦的存在，速度也顯著增大，而且這兩個(gè)漩渦的存在，也使得邊緣處的流體與中央處的流體可以進(jìn)行更加充分的混合，由于流體間質(zhì)量、熱量以及動(dòng)量的傳遞方式由單純的傳導(dǎo)變?yōu)榱藗鲗?dǎo)加對流，因此其效率大大地增加，這對于傳熱和傳質(zhì)都是十分有益的．

圖5 t=20T時(shí)xoz平面上的流場分布(流量50 L/h，頻率10 Hz，振幅3 cm)

圖6 t=20．25 T時(shí)xoz平面上的流場分布(流量50 L/h，頻率10 Hz，振幅3 cm)

圖7 t=20．4 T時(shí)xoz平面上的流場分布(流量50 L/h，頻率10 Hz，振幅3 cm)

圖8 t=20．5T時(shí)xoz平面上的流場分布(流量 50 L/h，頻率 10 Hz，振幅 3 cm)

圖9 t=20．75 T時(shí)xoz平面上的流場分布(流量50 L/h，頻率10 Hz，振幅3 cm)

圖10 t=21．0 T時(shí)xoz平面上的流場分布(流量 50 L/h，頻率 10 Hz，振幅 3 cm)

3 結(jié)束語

當(dāng)流體的進(jìn)口流量相同時(shí)，加上過程強(qiáng)化裝置和未加過程強(qiáng)化裝置的流場分布是不同的．在未加過程強(qiáng)化裝置時(shí)，由于流速比較小，類似于圓管內(nèi)的層流流動(dòng)，可以當(dāng)作定常流動(dòng)來處理;加上強(qiáng)化裝置后，流場開始變?yōu)榘粗芷谛宰兓姆嵌ǔＡ鲃?dòng)，由于裝置對過程的強(qiáng)化作用，使得流場中出現(xiàn)了不斷變化的漩渦，正是這些漩渦的存在，使得流場中部質(zhì)點(diǎn)的橫向速度增大，也使得流場中質(zhì)點(diǎn)的渦度變大．

［1］ 朱瑞林．一種新型振蕩流強(qiáng)化反應(yīng)器制備生物柴油的探討［J］．化工裝備技術(shù)，2013，34(4):8-10．

［2］ 朱瑞林．一種工藝過程的強(qiáng)化技術(shù)及其裝置．200510031285．6．

［3］ 朱瑞林．一種反應(yīng)器的強(qiáng)化技術(shù)與裝置．200810098944．1．

［4］ 朱瑞林．一種用于強(qiáng)化工藝過程的擾動(dòng)設(shè)備．200520050358．1．

［5］ 朱瑞林．一種制取生物柴油的機(jī)械振蕩強(qiáng)化技術(shù)［J］．化工裝備技術(shù)，2008，29(1):28-31．

［6］ 李人憲．有限體積法基礎(chǔ)．北京:國防工業(yè)出版社，2005．

［7］ Michelassi V，Wissink J G，Rodi W．Direct numerical simulation，large eddy simulation and unsteady Reynolds-averaged Navier-Stockes simulations of periodic unsteady flow in a low-pressure turbine cascade:A comparison［J］．Journal of Power and Energy，2003，217(4):403-412．