沙塵掠過圓管氣固兩相流數(shù)值模擬

司小雨+駱清國+桂勇+周亮+劉紅彬+孫志新

摘 要：為計算沙塵對圓管散熱性能的影響規(guī)律，根據(jù)其幾何參數(shù)建立了計算域物理模型，然后基于Fluent數(shù)值仿真軟件，采用離散相模型（discrete phase model，DPM）和相間耦合的SIMPLE算法，對圓管氣側和水側流場進行三維數(shù)值仿真計算，研究結果表明：沙塵顆粒的加入有利于提高散熱效果，同時氣側換熱系數(shù)隨沙塵體積分數(shù)的增大而增大，隨粒徑的增大而減小。

關鍵詞：圓管；氣固兩相流；離散相模型

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.236

裝甲車輛在行駛過程中極易誘發(fā)沙塵環(huán)境，將會對散熱器性能發(fā)揮產(chǎn)生重要影響[1]，因此研究沙塵對散熱器散熱性能的影響規(guī)律具有重要意義。

由于沙塵在散熱器內流動形式主要是沖刷管束，因此本文以圓管為研究對象，采用歐拉-拉格朗日法[2]，利用離散相模型（discrete phase model，DPM）和相間耦合的SIMPLE算法，對圓管氣側和水側流場進行三維數(shù)值仿真計算，研究了沙塵對散熱器散熱性能影響規(guī)律，為散熱器優(yōu)化設計提供理論依據(jù)。

1 物理模型及網(wǎng)格劃分

根據(jù)圓管幾何參數(shù)，利用Pro/E軟件建立三維實體模型和氣、水兩側計算域，然后利用Mesh網(wǎng)格劃分工具對計算域進行網(wǎng)格劃分，得到網(wǎng)格總數(shù)323266個，節(jié)點數(shù)189684個，三維實體模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示。

2 邊界條件和初始條件

數(shù)值模擬中，邊界條件的準確性對計算結果產(chǎn)生重要影響，本研究主要包括以下四類邊界條件：

（1）入口邊界條件：入口均采取速度邊界條件，速度方向與入口平面垂直，速度和溫度根據(jù)實際工況設定。

（2）出口邊界條件：出口邊界均采用壓力出口邊界條件，相對大氣壓力的值為0Pa。

（3）固體壁面邊界條件：除了入口、出口和內部邊界條件以外，其他的都默認為壁面邊界，熱輻射較小，忽略不計。

（4）離散相邊界條件：采用隨機軌道模型，入口和出口設置為逃逸條件，壁面處設置為反射條件。

鄧鶴鳴[3]等人在研究沙塵天氣中沙粒對放點的影響時，測得沙塵顆粒的物理性質如表1所示：

根據(jù)Geldart[4]顆粒分類法的適用條件，本文在模擬時選取0.12mm、0.42mm、0.78mm三種顆粒進行研究。

3 結果分析

將劃好的網(wǎng)格導入Fluent軟件，對求解器和邊界條件進行設置，對整個區(qū)域進行初始化，采用穩(wěn)態(tài)方式進行模擬。

3.1 沙塵顆粒粒徑對散熱的影響

通過圖2可以看出，氣側換熱系數(shù)隨著顆粒粒徑的增大而減小。這是由于隨著顆粒粒徑的增大，單位時間內與換熱面碰撞的顆粒數(shù)量減少，對換熱面邊界層的破壞效果減弱，降低了散熱效果。

3.2 沙塵顆粒體積分數(shù)對散熱的影響

通過圖3可以看出，氣側換熱系數(shù)隨著沙塵顆粒體積分數(shù)的增大而增大。這是由于隨著沙塵顆粒體積分數(shù)的增大，增加了顆粒與換熱面碰撞的概率，增強了對換熱面邊界層的破壞效果，提高了散熱效果。

4 結論

本文考慮了氣固兩相及風側和水側間的耦合作用，采用Fluent軟件對沙塵掠過圓管氣固兩相流進行仿真計算，較好地模擬了沙塵的運動軌跡及對散熱的影響，通過研究得出如下結論：

（1）顆粒粒徑增大，降低了顆粒與壁面的碰撞頻率，減弱了對換熱面邊界層的破壞效果，降低了散熱效果。

（2）沙塵顆粒體積分數(shù)增大提高，增加了顆粒與換熱面接觸與碰撞的概率，增強了對換熱面邊界層的破壞效果，提高了散熱效果。

參考文獻：

[1]張鈞享.高機動性運載車輛動力系統(tǒng)[M].北京：中國科學技術出版社，2000.

[2]Gidaspow D. Multiphase Flows and Fluidization[J].San Diego：Academic Press Inc，1994：86-119.

[3]鄧鶴鳴，何正浩，馬軍，許宇航，朱路，郭潤凱.沙塵天氣下大沙粒對放點發(fā)展的影響[J].高電壓技術，2010，36（05）：1246-1252.

[4]漆海峰.煤粉的流動性對比研究及其影響因素分析[D].廣東： 華南理工大學，2012.

作者簡介：司小雨（1986-），男，碩士研究生，研究方向：裝甲車輛動力系統(tǒng)總體技術。