單顆粒旋轉對氣體湍流變動影響分析

劉 麗 朱玉全 王洪遠 黃 杰 煙臺南山學院

單顆粒旋轉對氣體湍流變動影響分析

劉 麗 朱玉全 王洪遠 黃 杰 煙臺南山學院

基于 Realize k-湍流模型對圓球繞流進行數值模擬分析。改變顆粒雷諾數和旋轉速度系數，獲得單顆粒旋轉作用所引起的氣體湍流變動規律：顆粒旋轉速度系數越大，顆粒對尾跡區的湍流削弱作用越大，尾跡渦流區湍動能越小，氣體湍流變動相應越小；單顆粒旋轉湍流變動與顆粒雷諾數、顆粒旋轉速度系數呈二次多項式。

圓球繞流；顆粒旋轉；湍流變動

引言

顆粒對氣相湍流變動影響一直是多相流[1]研究領域的國際熱點問題之一，目前已經提出一些經驗或者半經驗的湍流變動模型[2]，但這些模型精度有待進一步提高，最關鍵的問題是對顆粒增強湍流的規律認識不夠深入，其中并沒有考慮顆粒旋轉效應的影響，顆粒旋轉作用[3-5]對湍流變動的影響是不可忽略的。

對繞過圓球的氣體湍流流動進行數值模擬，研究單顆粒旋轉作用對氣體湍流變動的影響規律，為構建考慮顆粒旋轉效應的顆粒尾渦增強氣體湍流模型提供重要依據。

1.計算模型

1.1 幾何模型的建立

單顆粒旋轉計算幾何模型如圖1所示。顆粒的旋轉角速度為ω（逆時針為正，順時針為負），為了計算方便引入一無量綱量顆粒旋轉速度系數α，定義為顆粒的旋轉切向速度ωD/2與來流速度ν之間的比值，即α=ωD/2ν。

1.2 湍流模型選擇

Realize k-ε湍流模型最大優點是能夠比較精確地預測二維和圓形射流的擴散率。該模型在旋流、較強逆壓梯度邊界層流動、分離流動以及回流等流動中具有較好的性能。因此，本文選擇Realize k-ε湍流模型。

1.3 邊界條件

通過對圓球繞流來模擬計算顆粒旋轉運動對湍流變動的影響。入口采用速度入口邊界，其大小根據雷諾數Re=ρνd/μ計算得到，選用空氣為介質， ρ=1.225kg/ m3， μ=1.789×10-5kg/m·s，圓球直徑為d=1mm。出口邊界采用自由出流邊界。圓球壁面采用無滑移邊界，圓球的旋轉通過其壁面旋轉運動來實現，逆時針旋轉為正旋，反則，順時針旋轉為反旋。

2.計算結果與分析

研究單個顆粒旋轉運動對湍流變動的影響規律，進行單個顆粒的旋轉運動分析，對比無旋條件下湍流變動情況，獲得單個顆粒旋轉湍流變動規律。

2.1 單顆粒旋轉湍流變動分析

圖2為Reρ=600時氣體湍流變動隨顆粒旋轉速度系數的變化曲線。從圖中可以看出，對于顆粒旋轉速度系數為0時，也就是顆粒無旋，顆粒引起的湍流變動值為正，顆粒尾跡區處于湍流增強狀態。當顆粒旋轉時，顆粒所引起的尾跡區氣體湍流變動還是大于0，顆粒旋轉作用并沒有改變顆粒尾跡區所處的湍流增強狀態，只是相比較無旋情況，顆粒旋轉作用所引起的氣體湍流變動值有所減小，顆粒旋轉作用削弱顆粒尾跡區的湍動能。隨著顆粒旋轉速度系數的增大，顆粒旋轉作用加劇，顆粒引起的氣體湍流變動逐漸減小。

表2為Reρ=600時，顆粒旋轉作用下氣體湍流變動相對變化值。從表中可以看出，隨著顆粒旋轉速度系數的增大，氣體湍流變動相對值逐漸增大，最大為27.64%，說明顆粒旋轉作用對顆粒尾跡區的氣體湍流變動影響比較大。

在實際情況中，氣體的湍流變動與顆粒雷諾數和顆粒旋轉作用都有關系。所以，需要研究這兩個因素共同作用下氣體湍流變動的規律。

圖3為不同顆粒雷諾數條件下，氣體湍流變動隨顆粒旋轉速度系數的變化曲線圖。從圖中可以看出：對于給定的顆粒雷諾數，氣體湍流變動隨著顆粒旋轉速度系數的增大而有減小，顆粒旋轉作用對顆粒尾跡區的湍流主要起削弱作用；顆粒雷諾數越大，氣體湍流變動減小量越大，這說明顆粒雷諾數越大，顆粒旋轉作用越容易削弱湍流；對于給定的顆粒旋轉速度系數，無論是無旋還是正旋，氣體湍流變動隨著顆粒雷諾數的增大而增大。

綜合考慮顆粒雷諾數與顆粒旋轉速度系數這兩個因素對氣體湍流變動的影響，提出氣體湍流變動與顆粒雷諾數和顆旋轉速度系數的關系式為：

通過數據擬合可以得到（1）中的各項系數分別為：C1=9.11×10-8；C2=14.89577；C3=-0.0 3 3 3 1； C4=0.0 0 6 8 0 3；C5=14.84371；C6=-2.33897。

3.結論

基于圓球繞流，研究單顆粒旋轉作用對氣體湍流變動的影響規律。單個顆粒湍流變動的影響分析結果表明：

圖1 單顆粒旋轉計算幾何模型

圖2 湍流變動隨顆粒旋轉速度系數的變化曲線

表2 顆粒旋轉作用下氣體湍流變動相對變化值

圖3 不同顆粒雷諾數，氣體湍流變動隨顆粒旋轉速度系數的變化曲線

（1）顆粒旋轉作用對尾跡區的氣體湍流起到削弱作用，顆粒旋轉速度系數越大，顆粒對尾跡區的湍流削弱作用越大，尾跡渦流區湍動能越小，氣體湍流變動相應越小；

（2）單顆粒旋湍流變動滿足關系：

這些規律為后期多顆粒旋轉湍流變動分析以及顆粒旋轉作用湍流增強模型的建立提供重要理論基礎。

[1]胡曉，郜冶，彭輝等.湍流模型對空泡形態影響的數值研究[J].計算力學學報，2015，(1)：129-135.

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[3]劉叢林，郜冶，賀征等.相對流速對非球形鋁滴旋轉受力的影響[J].固體火箭技術，2015，(2)：214-219.

[4]王勤輝，解桂林，楊秋輝等.鼓泡流化床內顆粒旋轉速度的實驗研究[J].中國粉體技術，2014，20(4)：8-12.

[5]李斌，宋小龍.流化床內顆粒旋轉特性的數值模擬[J].動力工程學報，2014，34(3)：189-195.

[6]S.A.Morsi，A. J. Alexander. An investigation of particle trajectories in two-phase systems [J].J.Fluid Mech.，1972（55）：193-208.