基于FLUENT干冰清洗噴嘴氣固兩相流場仿真研究

汪 盧，雷澤勇，鄧 健，李玉文

(南華大學(xué) 機(jī)械機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

干冰清洗作為一種高效、無二次污染的清洗方法，正被廣泛應(yīng)用于工業(yè)清洗中。干冰清洗過程氣體磨料射流拋光或切割的原理相似，都是利用壓縮空氣使得顆粒介質(zhì)獲得較大的動(dòng)能到達(dá)清洗物體的表面，通過與清洗物體表面實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)清洗的過程。噴嘴作為干冰清洗系統(tǒng)中最重要部件，是干冰顆粒獲得較高的動(dòng)能實(shí)現(xiàn)清洗過程。目前，在磨料射流領(lǐng)域使用的噴嘴，根據(jù)噴嘴內(nèi)部流道的形狀大致可以分為圓柱型噴嘴，收斂型噴嘴及縮放型噴嘴。其中，圓柱型噴嘴由于加工簡單，射流集中不易發(fā)散被廣泛應(yīng)用[1]。本文利用Fluent軟件對圓柱型噴嘴的內(nèi)外部流場進(jìn)行模擬仿真，分析圓柱型噴嘴軸線上的靜壓、速度以及干冰顆粒速度和運(yùn)動(dòng)軌跡變化的原因，同時(shí)對清洗過程進(jìn)行簡單的模擬，為研究不同工作參數(shù)對清洗效果的影響提供理論依據(jù)。

1 流場分析理論基礎(chǔ)

1.1 基本假設(shè)

(1)在模擬計(jì)算中該流體設(shè)為湍流流體；

(2)流體為理想氣體，服從絕熱流動(dòng)方程；

(3)在氣固兩相流模擬中，干冰顆粒視為球體，密度相同且表面光滑。當(dāng)固體顆粒與壁面、對稱面碰撞時(shí)能量沒有損失，并且為對稱反射；

(4)只考慮氣體作用在固體顆粒上的穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)阻力，忽略固體顆粒自身重力、Basset力和Saffman力對干冰顆粒的影響[2-3]。

1.2 控制方程

利用Fluent軟件對噴嘴的流場及干冰顆粒的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，應(yīng)遵循質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程[4-5]。

(1)質(zhì)量守恒方程

(2)動(dòng)量守恒方程

(3)能量守恒方程

1.3 數(shù)學(xué)模型

氣流在噴嘴內(nèi)加速后達(dá)到音速，流場中的漩渦將層流破壞，相鄰層流間滑動(dòng)和混合形成湍流。當(dāng)前，F(xiàn)luent中包含的湍流的求解模型主要包括 模型、 模型、S-A模型、RSM模型(雷諾應(yīng)力模型)及LES(大渦模型)等[6]。目前，模擬噴嘴的自由射流使用最多的為S-A模型，S-A湍流模型常用于大梯度、近壁的氣體流動(dòng)的數(shù)值模擬,在渦輪機(jī)械等方面的計(jì)算中有著廣泛的應(yīng)用，相比于標(biāo)準(zhǔn) 模型，S-A湍流模型對于軸對稱機(jī)構(gòu)的模型具有更高的計(jì)算穩(wěn)定性和精度。本文選取的模型均為軸對稱結(jié)構(gòu)，因此選用S-A湍流模型[7-8]。

干冰清洗核廢料固化桶的過程實(shí)際上是一種兩相運(yùn)動(dòng)，包含干冰顆粒的固相和壓縮空氣的氣流相。在連續(xù)的氣流相中加入干冰顆粒，將會(huì)引起氣流的流動(dòng)狀態(tài)(包括氣體的質(zhì)量、流量、動(dòng)量)產(chǎn)生一定的影響。目前，對于氣固兩相流的模擬有兩種方法，一種是基于歐拉-拉格朗日方程進(jìn)行的兩相流模擬，另一種是基于雙歐拉(歐拉-歐拉)方程的計(jì)算。 本文中，將干冰顆粒視為離散相，選擇歐拉-拉格朗日方程進(jìn)行的兩相流模擬。

2 幾何建模與網(wǎng)格劃分

2.1 噴嘴的幾何形狀

圓柱型噴嘴的結(jié)構(gòu)如下圖1所示，內(nèi)徑15mm，長度150mm。

圖1 干冰清洗噴嘴三維圖

2.2 網(wǎng)格的劃分

本文研究的噴嘴結(jié)構(gòu)相對簡單，且呈軸對稱結(jié)構(gòu)，在ICEM CFD中采用四邊形的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行流場劃分，得到高質(zhì)量的網(wǎng)格，提高在FLUENT中運(yùn)算速度。同時(shí)，對噴嘴的入口及近壁面等壓力及速度梯度較大的地方進(jìn)行加密，加密后的網(wǎng)格更容易捕捉到氣流的變化情況，從而更好的分析噴嘴內(nèi)外部流場的速度、壓強(qiáng)等參數(shù)。劃分的網(wǎng)格及邊界類型的設(shè)置如下圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分及邊界類型設(shè)置圖(自由射流)

2.3 邊界條件及求解器設(shè)定

選用S-A模型和離散相模型(DPM)對噴嘴的氣固兩相流進(jìn)行仿真分析?？諝庾鳛檫B續(xù)相，設(shè)置為理想氣體；干冰顆粒為離散相，直徑大小為0.1mm，質(zhì)量流量0.028kg/s，密度為1572kg/m3。工作參考?jí)毫υO(shè)置為0，壓力入口設(shè)置為0.8MPa，壓力出口設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101325Pa。采用SIMPLE算法進(jìn)行計(jì)算。

3 噴嘴流場仿真分析

3.1 噴嘴自由射流的氣相流場分析

圖3 軸線速度云圖

圖4 軸線壓力云圖

圖5 軸線速度變化曲線圖

圖6 軸線速度變化曲線圖

通過軸線上速度和壓力云圖發(fā)現(xiàn)，氣流在噴嘴內(nèi)加速，到達(dá)噴嘴出口時(shí)由于噴嘴出口壓力遠(yuǎn)高于大氣壓力，出現(xiàn)欠膨脹超音速氣流的情況，出現(xiàn)膨脹波，壓力明顯降低，距離出口50mm時(shí)速度達(dá)到最大值634m/s。隨著膨脹波向下游發(fā)展，經(jīng)自由表面反射成為斜激波，造成壓力升高，出現(xiàn)膨脹波，因此在軸線上一直出現(xiàn)壓力高低交替分布的情況[9]。隨著氣體黏性的影響，通過混合作用，氣流壓力下降與大氣壓力相等。

3.2 噴嘴自由射流的氣固兩相流場分析

利用FLUENT對干冰顆粒的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬仿真，首先待氣相流場穩(wěn)定后，然后設(shè)置干冰顆粒的相關(guān)參數(shù)，比如直徑大小、質(zhì)量流量等參數(shù)，加載DPM模型，待殘差收斂后，查看顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡及速度的變化情況。

圖7 干冰顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡圖

圖8 軸線處干冰顆粒的速度變化

通過干冰顆粒的軌跡圖及軸線處干冰顆粒的速度變化圖可知，干冰顆粒在離開噴嘴后，受氣流的影響，在空氣中呈現(xiàn)散射狀態(tài)，干冰顆粒的速度隨著氣流的變化增大。0.1mm的干冰顆粒直徑較小，慣性力小，受氣體阻力的影響較大，當(dāng)距離噴嘴出口100mm時(shí)，干冰顆粒速度到達(dá)最大值。隨著氣體黏性的影響，干冰顆粒將做減速運(yùn)動(dòng)。

3.3 噴嘴射流清洗過程仿真模擬

進(jìn)行干冰清洗沖擊過程的仿真模擬時(shí)，首先對邊界的類型進(jìn)行修改，只要將自由射流模擬時(shí)的右邊的壓力出口修改為wall，得到的網(wǎng)格劃分圖如下圖所示。

圖9 網(wǎng)格劃分及邊界類型設(shè)置圖(清洗沖擊)

圖10 清洗沖擊過程速度云圖

圖11 干冰顆粒碰撞軌跡圖

圖10、圖11分別為干冰顆粒沖擊過程的速度云圖和碰撞軌跡圖。從圖10可以看出，超聲速噴流受到平板的阻擋，被迫在平板前形成一道激波，使氣流的速度降低，板激波與平板間的中心部分氣流的流動(dòng)為亞聲速狀態(tài)。圖12～圖15分別為不同距離下，干冰顆粒沖擊過程的速度云圖，可以發(fā)現(xiàn)隨著距離的增大，馬赫盤不再出現(xiàn)，對氣流的加速作用不明顯，將不出現(xiàn)板激波[10]。

圖12 靶距50mm的速度云圖

圖13 靶距150mm的速度云圖

圖14 靶距250mm的速度云圖

圖15 靶距350mm的速度云圖

4 結(jié)論

(1)通過對圓柱型噴嘴的自由射流氣相流場進(jìn)行仿真分析，得到了噴嘴內(nèi)外部氣流的變化規(guī)律，由于膨脹波與斜激波的交替作用，軸線上氣體的壓強(qiáng)出現(xiàn)高低交替上升，最后與大氣壓相等。

(2)在穩(wěn)定的氣相基礎(chǔ)上，加載干冰顆粒，模擬了干冰顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，發(fā)現(xiàn)干冰顆粒速度在出口處由于壓差急劇上升。隨著空氣黏性的影響，呈現(xiàn)勻速的運(yùn)動(dòng)，圓柱型噴嘴射流集中，不易發(fā)散。

(3)模擬干冰顆粒沖擊的過程時(shí)，發(fā)現(xiàn)馬赫盤是影響板激波產(chǎn)生的原因，同時(shí)馬赫盤可以使顆粒加速明顯，為確定合適的清洗距離提供理論指導(dǎo)。