砂塵風洞內氣固兩相流流動特性研究

劉海豐 張國友 王振果 束珺

摘 要：以砂塵風洞為研究對象，該風洞采用氣流攜裹作用進行吹砂吹塵試驗，利用計算流體力學軟件FLUENT對砂塵風洞內顆粒的運動情況進行了數值模擬，分別以砂和塵為研究對象，得到循環風道內含砂塵氣流流場分布特性，以及砂塵顆粒的沉降位置。研究結果有助于分析風洞中的氣固兩相流流動特征，并能根據顆粒分布情況合理采取回收措施，為砂塵風洞的合理氣動設計提供有效的理論依據。

關鍵詞：風洞;砂塵試驗;氣固兩相流;fluent;數值模擬

中圖分類號：O359 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）12-0240-02

隨著我國工業生產的快速發展和軍用裝備的改進，對產品的質量和可靠性要求越來越高，砂塵環境對軍用裝備非常重要，為了使軍用產品有很好的環境適應性，必須進行砂塵模擬試驗。對于砂塵環境試驗，依靠風機驅動回流道內的氣流流動，屬于氣固兩相流問題，對于風洞中氣固兩相流流動特性是十分復雜的湍流，目前國內研究相對比較少。

1 砂塵試驗風洞介紹

1.1 砂塵模擬試驗介紹

砂塵模擬試驗是由風機推動一定濃度的砂塵以一定的流速沿著循環的流道吹過試驗樣品表面，主要用于評價可能暴露于干燥的吹砂、吹塵或降塵條件下，試驗樣品的適應能力。其中，小顆粒塵（直徑≤149μm）試驗用于評價對試驗樣品可能阻塞開口、滲入裂縫、軸承和接頭的灰塵抵御能力，也可用來評價過濾裝置的工作效能;吹砂（直徑150μm～850μm）試驗用于評價試驗樣品能否在吹砂條件下貯存和工作。

1.2 砂塵風洞總體介紹

本風洞主要用途為砂塵環境模擬試驗，采用閉口回流風洞構型立式放置。風洞由穩定段、收縮段、試驗室、第一拐角、第一過渡段、第二拐角、沙塵過濾室、離心風機、擴散段、等直段、第三拐角、第二過渡段和第四拐角等部分組成，氣動外形如圖1所示。

氣動外形設計采用立式回流式風洞構型，回流風洞的優勢在于流場受周圍環境影響很小，長度方向所占空間小，并且易于溫濕度控制?；亓黠L洞還可調節風洞內壓力，實現試驗段微負壓控制，減少塵的外漏，減小對環境的污染。

針對氣固兩相流流場特點及環境試驗特色，該風洞設計采用在第一拐角和第二拐角處未設置拐角導流片，第三、四拐角設置導流片的方式。這主要是因為第一拐角處需設置試驗件進出試驗段的門，拐角導流片的存在會將試驗件的進出通道堵塞;另外，第一拐角不設置導流片氣流可急劇拐彎上升，同時在第一拐角下部產生死水區，有利于砂粒在此處的沉積，而在第一拐角下方也設置有砂粒回收裝置，導流片的存在也會對回收裝置產生不利影響。第二拐角對試驗單元內砂粒的沉積具有較大的影響，且具有導流片的構型沉砂效果也不是最好，所以第二拐角的形式選擇由最終的沉砂效果選定。第三、四拐角設置導流片主要是降低風速模擬系統能量損失和增加流經拐角氣流的均勻性。

2 風洞模型的建立

解決復雜流動數值模擬中，將氣固兩相流模型分為四種，即隨機離散模型（Euler-Lagrange Model）、歐拉模型（Eulerian Model）、VOF模型（Volume of Fluid Model）和混合模型（Mixture Model）。

解決多相流問題的第一步，就是從各種模型中挑選出最能符合實際流動的模型。依據砂粒與空氣的體積比率與10%的比較結果，針對砂塵風洞中砂塵運動軌跡的模擬本文采用歐拉模型。

2.1 幾何模型

本次計算中軌跡模擬從投放點模擬到風機入口，此段風洞為軸對稱模型，故可只進行半模計算，采用辦模模型作流場計算，完全按風洞圖紙生成數值計算域，但為了更好地模擬實際的風洞流道內的流動，對流道模型進行了修正，經過修模后得到的半模模型如圖2所示。

另外，本分析采用半個模型進行網格劃分，因為該模型的整個內流道無論是流道的形狀還是流體的流動都是對稱的。即采用對稱邊界條件，選取Z=0截面作為對稱面，施加對稱邊界條件，對稱面的法向速度為零，對稱面所有變量的法向梯度為零。

網格分布是流動控制方程數值離散的基礎，網格質量的好壞直接影響到計算的斂散性及結果的精度。本次計算采用ICEM劃分的結構網格，網格節點數為69.3萬，計算網格如圖3所示：

2.2 數值模型

歐拉模型中將兩相視作不同的兩種連續介質（用歐拉方法描述），多相流動的控制方程的通用形式為：

式中，，分別代表各相的體積含量和密度;和則分別是交換系數和源項;代表任意的守恒特性。對兩相紊流進行模擬時，必須引入，并考慮速度、密度、以及其它量之間的關系，從而求解各變量的時均值。

具體到本文采用的氣固兩相流雙流體模型，氣固兩相的連續性方程為：

動量守恒方程：

式中：為體積分數，為密度，為速度，為黏性應力，為氣體壓力，為重力加速度，為拖曳系數，為固體壓力。下標表示固相，表示氣相。其中是用來描述氣固兩相間動量交換的物理量，表達式為：

3 模擬仿真與結果分析

由于本次計算中砂和塵的體積比均小于10%，現階段采用DPM法對砂塵軌跡進行求解，采用Fluent軟件實現。

3.1 邊界條件建立

3.1.1 砂試驗計算狀態

試驗段入口（入口）速度30.21m/s;離心風機入口（出口）速度12.77m/s;砂的平均粒徑377um、初速度30.21m/s、密度2600kg/m3、砂濃度2.2g/m3（換算成質量流量為0.6kg/s）。

3.1.2 塵試驗計算狀態

試驗段入口（入口）速度10m/s;離心風機入口（出口）速度10m/s;砂的平均粒徑100um、初速度10m/s、密度2330kg/m3、砂濃度10.6g/m3（換算成質量流量為3.3kg/s）。

采用分離求解器（Segregated）進行求解，采用DPM算法，離散格式全部采用二階迎風格式，對砂塵風洞進行模擬分析，迭代2000次達到收斂。

3.2 仿真分析

砂試驗結果分析，如圖4所示。

如圖5所示，可以看出，由于砂的粒徑取值較大，其平均粒徑為377um，所有的砂在第一拐角之前大部分就已經沉降了，從圖中可以的得到沉降范圍。

對于砂試驗，在試驗過程中試驗段及其后部就是一個自然沉降室，氣流攜裹砂粒在層流或者接近層流的狀態下運動，通過重力作用使砂粒從氣流中分離的，根據國軍標規定，18m/s的風速才能吹動砂粒，也就是18m/s以上的風速才能攜帶沙粒，所以試驗過程中經試驗件后大部分的砂會沉降在風道內底部。只有少量的小粒徑的砂以及砂之間相互撞擊形成的小粒徑的砂不會沉降。也就是說小顆粒的砂灰隨著氣流流經至風機。

塵試驗結果分析，如圖6所示。

從圖6可以得到塵的運動軌跡，其結果顯示塵的沉降主要還是集中在砂塵過濾室。原因是塵的粒徑較小，不易沉降，經第一拐角仍會有大部分塵進入風機段，所以設計時要考慮風機的容塵功能，以降低沙塵顆粒對風機葉片等關鍵部件的磨蝕沖蝕等不利影響。

根據砂塵試驗的特點，吹砂試驗時重力影響明顯，大部分砂會沉降而被回收，系所以統需要不斷提供試驗所需求的砂，而吹塵試驗時，塵會隨著氣流在整個風道內循環，沉降的塵很少，小部分塵會附著在風道上，所以，塵采用總量控制，即按照風洞容積以及塵的濃度要求進行配比，而砂試驗則需要不斷補充沉降的砂，以保證滿足試驗要求。

4 結語

采用數值模擬的辦法研究氣固兩相流是一個十分有效而又具有重大意義的手段，通過仿真模擬可以看到砂塵風洞內砂塵顆粒分布以及沉降情況：（1）通過分析砂塵顆粒的分布有利于：對砂塵的回收位置的布置提供理論依據;（2）通過顆粒的沉降情況分析，對試驗過程中砂塵的投放提供更合理的方案;（3）通過沉降情況可以更合理的優化風洞流道，便于砂塵沉降，降低沙塵顆粒對風機葉片的磨蝕。

參考文獻

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