氣固二相流固相顆粒播撒裝置設計及數值模擬

徐新建， 胡光忠， 鄒 亮， 趙 云， 紀博凱

(四川理工學院 機械工程學院，四川 自貢 643000)

0 引 言

在風沙二相流風洞實驗中，雷諾數都比較大，一般都大于4 000，流體很容易發生湍流[1],所以氣固二相流固相顆粒播撒技術直接影響風洞試驗結果的正確性。因為風洞實驗要想正確模擬空曠地區組合工況下流場情況，首先必須能有像空曠地區相似穩定的流場[2]。但是,由于實驗風洞不可能無限大，只能選擇一個正確的尺寸來近似的模擬空曠田野下組合工況的流場情況[3]。因此設備的粗糙度、氣固二相流固相顆粒的進入方式、風沙二相流固相顆粒的進入方式等都會對流場產生巨大的影響，所以風沙二相流實驗室就必須保證固相顆粒能以正確的方式進入風洞流道，最重要的是不會因為氣固二相流固相顆粒或固相顆粒進入干擾流場變化情況。筆者在實驗中發現,簡單的播撒會對風洞流場產生致命的影響，導致流場極度紊亂，使實驗結果變得不可靠[4],所以必須設計一種可靠的氣固二相流固相顆粒播撒裝置及播撒方法在保證氣固二相流固相顆粒均勻的進入風洞的前提下同時減小對流場的影響，確保實驗結果符合工程實際要求[5]。

本文設計了一種風沙二相流風洞可用的固相顆粒播撒裝置,以流體力學為基礎，通過數值模擬的方法確認該設備用于固相顆粒播撒的可行性[6-8],為氣固二相流固相顆粒播撒裝置的制作提供保證。

1 固相流道

送沙流道作為固相顆粒播撒裝置的一部分起著重要的作用，它一方面可以作為固相顆粒進入播撒裝置主體的連接部分;另一方面可以控制顆粒進入裝置主體的固相顆粒的量，滿足實驗對不同固相濃度等級的要求[9]。

流道的數值仿真主要目的是確定在閥芯與固相顆粒的進入量的關系，以確定閥芯的開度與固相的進入量是否有較好的線性關系(見圖1)。

圖1 流道及固相控制閥

從圖2可以看出,隨著閥芯開度的增加,固相顆粒的流量也在不斷地增加。從折線圖的曲率可以看出，開度在5～40 mm隨著開度的增加，流量與開度的關系近似直線關系，表明閥門與固相的流量有比較好的線性關系，有助于更簡單方便地控制固相流量來滿足風洞實驗對固相濃度大小的要求。

圖2 固相顆粒流量隨閥芯開度變化曲線

2 混合裝置

混合裝置的工作過程是固相顆粒通過固相流道在流量控制閥的控制下流入混合裝置，同時高壓空氣通過壓力氣體入口進入混合裝置。在混合裝置內高壓空氣與流入的固相顆粒相遇，高壓氣體沖擊帶動固相顆粒與空氣混合并通過混合出口流出，為風沙二相流風洞實驗裝置提供可利用的混合氣體(見圖3)。

圖3 混合裝置

二相流數值模擬如圖4所示[10-12]，由固相顆粒速度云圖可以看出，0.05 s時在高壓氣體和固相顆粒本身速度的共同作用下沙粒首先沿著右側壁流速加快，然后隨著時間推移，由于沙粒對高壓氣體流速的消耗右側壁風速變小，而左側壁流速反而加快。

結合固相顆粒速度云圖分析固相顆粒體積分數云圖(見圖5)，在0.05 s時，固相顆粒剛剛流入混合裝置。固相顆粒只有一少部分隨著高壓氣體向上流動所以呈現出右側固相顆粒流速較大，左側固相顆粒濃度較大的現象。在0.1 s時固相顆粒進一步向混合裝置中流動并進一步與空氣混合，此時混合氣體之間因為能量傳遞固相顆粒速度加快，氣相速度減小，固相的跟隨性增強，因此就出現了混合裝置右側壁附近固相濃度較大速度較小。同時,由于固相顆粒流動的初始動能的緣故,左側壁固相顆粒流速較大濃度較小出現與右側壁相反的結果。然后隨著時間的推移，0.1 s之后固相顆粒隨著高壓空氣向上流動。再從0.25～0.75 s隨著時間的推移固相顆粒在流出混合裝置的過程中固相顆粒的濃度場和速度場逐漸穩定。在固相顆粒初始動能與高壓氣體的共同作用下，固相顆粒被高壓氣體吹出混合裝置。

實際應用時,希望該裝置能為風洞試驗提供在空氣中穩定散播的固相顆粒[13]。通過圖5固相顆粒體積分數云圖的0.25～0.75 s可以看到，固相顆粒在高壓空氣的作用下成股狀被吹出了氣固二相流固相顆粒混合裝置。吹出后，固相顆粒逐漸向周圍散播，其濃度逐漸變小，最后幾乎與周圍空氣中固相顆粒的濃度相似。這就滿足風洞試驗對固相顆粒的要求，既濃度分布較均勻，且分布區穩定的要求。

0.05s0.1s0.15s0.2s

0.25s0.35s0.75s

圖4 固相顆粒速度云圖

0.25s0.3s0.35s0.75s

圖5 固相顆粒體積分數云圖

3 設 備

固相顆粒播撒裝置的工作過程是，固相顆粒經漏斗流入流道。流道內有控制固相顆粒流量的閥芯，經調節流量后的固相顆粒通過流道后進入混合裝置。同時高壓氣體經高壓入口進入混合裝置。在混合裝置中，高壓氣體與固相顆粒相遇，固相顆粒在高壓氣體的作用下隨著高壓氣體飛出混合裝置進入環境中,為氣固二相流固相顆粒風洞提供實驗混合氣體。

圖6 氣固二相流固相顆粒播撒裝置

因為存在閥芯的調節作用進入混合裝置的固相顆粒的量是可控的，所以混合氣體中固相顆粒的濃度是可調節的，這就滿足了氣固二相流固相顆粒對不同濃度混合氣體的要求[14]。

4 結 語

固相顆粒在氣固混合氣體中的濃度可控，滿足風洞實驗對氣固二相流中固相顆粒不同濃度等級的要求。

氣固二相流固相顆粒播撒裝置所產生的混合氣體流場穩定，且濃度較均勻，符合風洞試驗對氣固二相混合氣體的要求，可以作為氣固二相流固相顆粒的播撒裝置。

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