基于噴砂罐兩相流仿真的SRP項(xiàng)目探索實(shí)踐*

黃 思，黃家興，張 聰，林耿賢

（華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510640）

0 引言

大學(xué)是培養(yǎng)科技創(chuàng)新人才的基地，“學(xué)生研究計(jì)劃”(Student Research Program，以下簡(jiǎn)稱“SRP”)作為學(xué)生提前參與科研和創(chuàng)新的平臺(tái)，是高校進(jìn)行科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要手段。近年來對(duì)本科生科研能力的培養(yǎng)開始得到越來越多的關(guān)注和重視，SRP的作用顯得更為重要[1-5]。

華南理工大學(xué)SRP是根據(jù)學(xué)校建設(shè)高水平大學(xué)的要求，為培養(yǎng)高素質(zhì)、“三創(chuàng)型（創(chuàng)新、創(chuàng)造、創(chuàng)業(yè)） ”人才啟動(dòng)的學(xué)生科研項(xiàng)目，旨在通過鼓勵(lì)學(xué)生切實(shí)參與到科研實(shí)踐項(xiàng)目當(dāng)中，開展初步的探索性研究工作，從而幫助學(xué)生獲得科研的基本研究技能，并在實(shí)踐過程中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和能力。目前，SRP已成為國(guó)內(nèi)高校開展本科創(chuàng)新教育普遍的實(shí)踐平臺(tái)之一，是獲得眾多高校認(rèn)可并在全校范圍內(nèi)予以實(shí)施的一項(xiàng)學(xué)生訓(xùn)練計(jì)劃[6-9]。

噴砂罐是一種廣泛應(yīng)用于石油化工、船舶、土木等行業(yè)[10-13]的空氣輸送機(jī)械。噴砂罐主要由壓力罐和噴槍組成，其工作原理是以壓縮空氣形成高速射流將磨料砂粒噴射到工件表面，使其機(jī)械性能發(fā)生變化以達(dá)到加工的目的。噴砂罐內(nèi)部流場(chǎng)為高濃度的復(fù)雜氣固兩相流，罐體內(nèi)部屬于高壓且相對(duì)封閉的區(qū)域，現(xiàn)有條件無(wú)法直接觀測(cè)噴砂罐內(nèi)的氣固兩相流場(chǎng)。因此，通過模擬仿真計(jì)算和動(dòng)畫展示噴砂罐內(nèi)的氣固兩相瞬態(tài)流場(chǎng)將是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性和創(chuàng)新性的課題。在研究過程中，學(xué)生可以清楚地了解噴砂罐的工作原理及壓力、速度的分布規(guī)律，同時(shí)也是對(duì)過程控制專業(yè)必修課程“過程流體機(jī)械”教學(xué)手段的補(bǔ)充與完善。

1 項(xiàng)目實(shí)施過程與方法

指導(dǎo)教師根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃以及“過程流體機(jī)械”課程的要求，擬定相應(yīng)的SRP項(xiàng)目，學(xué)生根據(jù)個(gè)人實(shí)際情況進(jìn)行申請(qǐng)，指導(dǎo)教師從中篩選出具備足夠流體機(jī)械基礎(chǔ)的學(xué)生加入項(xiàng)目組。項(xiàng)目啟動(dòng)后，指導(dǎo)教師先為學(xué)生講解項(xiàng)目的內(nèi)容和需要完成的任務(wù)；指導(dǎo)學(xué)生通過搜索網(wǎng)上資料和查閱相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)一步了解噴砂罐的工作原理；指導(dǎo)學(xué)生掌握項(xiàng)目所用流體仿真軟件的使用方法和參數(shù)設(shè)置原理，并學(xué)會(huì)利用專業(yè)知識(shí)來判斷計(jì)算結(jié)果的差異；最后按照學(xué)生興趣和基礎(chǔ)的不同，對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行具體地分工，并制訂相應(yīng)的階段性目標(biāo)及工作內(nèi)容。同時(shí)，制定了學(xué)生介紹個(gè)人研究成果的計(jì)劃，通過將一段時(shí)間內(nèi)的工作成果做一次自我總結(jié)，可以促進(jìn)學(xué)生之間相互學(xué)習(xí)，鍛煉學(xué)生的表達(dá)與總結(jié)能力。整個(gè)SRP項(xiàng)目的計(jì)劃安排如表1所示。

表1 項(xiàng)目安排

2 項(xiàng)目實(shí)施的主要結(jié)果

2.1 流動(dòng)計(jì)算域三維模型的建立

項(xiàng)目選取如圖1所示的某造船廠噴砂罐作為研究對(duì)象，使用SolidWorks建模，得到如圖2所示的流動(dòng)計(jì)算域。該計(jì)算域由罐體、進(jìn)氣管和出口管等部分組成，罐體圓柱段內(nèi)徑810 mm，錐段半錐角為48°，進(jìn)氣管內(nèi)徑55 mm，出口管內(nèi)徑34 mm。

圖1 噴砂罐結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 流場(chǎng)仿真計(jì)算

根據(jù)實(shí)際操作工況條件，計(jì)算采用的介質(zhì)和工藝參數(shù)如表2所示。設(shè)磨料砂粒為球形，砂粒與砂粒間的接觸模型選取Hertz-Mindlin無(wú)滑移模型，砂粒與噴砂罐的接觸采用Hertz-Mindlin模型結(jié)合Archard磨損模型，選取磨損常數(shù)[14-15]K/H=10-12。噴砂罐工作壓力為0.55 MPa，顆粒—顆粒和顆粒—噴砂罐材料的相互作用系數(shù)如表3所示。

表3 材料的相互作用

計(jì)算域內(nèi)氣體和固體砂粒的初始條件為靜止?fàn)顟B(tài)，其中氣相位于罐內(nèi)上方，固相砂粒位于下方。氣體進(jìn)口邊界條件按噴砂罐工作壓力給定，出口邊界條件按1個(gè)大氣壓給定。設(shè)置氣體流動(dòng)計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)Δt=10-3s，砂粒運(yùn)動(dòng)計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)Δt=10-5s。

2.3 后處理與動(dòng)畫制作

經(jīng)過流場(chǎng)仿真模擬得到計(jì)算結(jié)果，指導(dǎo)學(xué)生對(duì)結(jié)果進(jìn)行后處理，得到噴砂罐內(nèi)的氣體壓力分布圖（圖3） 和流速矢量分布圖（圖4），由此可以直觀地得出噴砂罐內(nèi)的氣體壓力和流速的分布規(guī)律。

計(jì)算結(jié)果顯示噴砂罐入口管壓力為罐體工作壓力，罐體內(nèi)部壓力分布較均勻。在出口管附近，流通面積的減小導(dǎo)致氣流需要克服更大摩擦阻力，產(chǎn)生較大壓降。罐體內(nèi)形成環(huán)向的氣流運(yùn)動(dòng)，速度相對(duì)均勻，氣體出口處的速度較大，達(dá)到了345 m/s。

圖3 噴砂罐橫截面氣體壓力分布

圖4 噴砂罐橫截面速度矢量分布

圖5 是2 s內(nèi)不同時(shí)刻噴砂罐的顆粒位置及速度分布，由圖可以看出顆粒在罐內(nèi)做順時(shí)針的環(huán)向運(yùn)動(dòng)，罐體中部顆粒速度更高。為了更直觀地展現(xiàn)噴砂罐內(nèi)的顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律，學(xué)生們?cè)诮處煹闹笇?dǎo)下，使用視頻編輯軟件顯示2 s內(nèi)不同時(shí)刻的顆粒分布情況，并將結(jié)果串聯(lián)合并，制作成能夠直接用于教學(xué)的動(dòng)畫課件。

圖5 不同時(shí)刻噴砂罐內(nèi)顆粒位置及速度分布

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了“噴砂罐氣固兩相流的數(shù)值仿真及動(dòng)畫制作”的SRP項(xiàng)目的實(shí)施過程、方法及主要結(jié)果。在該研究項(xiàng)目中，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下完成了噴砂罐流動(dòng)計(jì)算域的三維建模、網(wǎng)格劃分、模擬計(jì)算及結(jié)果處理，得到并分析了噴砂罐內(nèi)部的壓力場(chǎng)、流場(chǎng)和顆粒分布，制作了相關(guān)的教學(xué)動(dòng)畫課件。

在SRP項(xiàng)目的實(shí)踐過程中，學(xué)生在具備一定專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的基礎(chǔ)上，開始參與探索性的科研實(shí)踐項(xiàng)目，對(duì)于所學(xué)專業(yè)知識(shí)能夠有更深的理解與應(yīng)用。同時(shí)，SRP項(xiàng)目堅(jiān)持貫徹學(xué)生主體、教師引導(dǎo)的思想，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，對(duì)切實(shí)提高本科生的綜合素質(zhì)具有積極的意義，同時(shí)也能充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高發(fā)現(xiàn)問題、思考問題和解決問題的能力。