（流体力学专业论文）气固两相螺旋流光整加工技术的理论分析与数值模拟研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 气一固两相螺旋流光整加工技术的理论分析与数值模拟研究 摘要 本课题来源于国家自然科学基金项目( 5 0 3 4 5 0 2 2 ) 和山西省自然科学 基金项目( 2 0 0 4 1 0 5 8 ) ，主要分析研究螺旋流光整加工技术。气一固两相螺 旋流光整加工技术是利用气体的旋转运动，推动固体颗粒作螺旋运动，使 固体颗粒在离心力的作用下对工件孔内表面进行滚压、磨削等，最终实现 对工件孔内表面光整加工的目的。此项新技术的研究将有助于传统工艺和 现有光整加工工艺的进一步完善。 由于实验条件的限制，单纯通过试验来研究螺旋流光整加工的性能不 仅周期长而且费用高。随着计算机技术的发展，数值模拟发挥着越来越大 的作用，它有资金投入少、设计计算速度快、信息完全、仿真能力强等优 点。数值模拟是基于流体力学和计算流体力学的基本理论，建立各种复杂 条件下的基本守恒方程组，确定适用模型的定解条件，用数值计算方法直 接求解这些联立的非线性偏微分方程组，从而得到整个流场中各变量的分 布。因此，以数值模拟为主来研究光整加工工件孔内螺旋流的流动规律、 固体颗粒的运动轨迹等，对改善螺旋流光整加工工件的结构，很有工程应 用价值。 本文主要内容有：阐述了两相流的基本理论；分析了等直径孔内螺旋 流的基本特征、衰减特性、压力分布及螺旋流中颗粒受到的摩擦力；研究 太原理工大学硕士研究生学位论文 了用于螺旋流的湍流模型及数值计算方法；应用f l u e n t 软件，对气流场 采用基于各向异性的雷诺应力湍流模型，对颗粒采用能反映颗粒运动复杂 经历和与壁面碰撞的随机轨道模型，进行了等直径孔内多种情况下气流场、 颗粒运动轨迹、旋流强度等的数值模拟，得到了如下主要结论： 1 等直径工件孔内的螺旋流场，其切向速度分布具有组合涡的特点， 以最大切向速度点形成的面为界，内部是强制涡，外部是自由涡，其轴对 称性很好。压力分布在中心轴处最小，甚至出现负压。旋涡强度沿着轴向 逐渐减弱。 2 颗粒粒径、气体流量、喷嘴螺旋升角的变化对颗粒的轨迹都有影响。 颗粒粒径增加，气体流量减少，喷嘴螺旋升角变大，都会使颗粒形成的螺 旋圈数变少，使颗粒较早的离开等直径工件孔。 3 等直径工件孔内壁面受力随颗粒个数的增加及气流流量的增加而增 大。 4 由于气体的粘性比液体的粘性小及气体的可压缩性，所以相同条件 下，气流场的切向速度和旋涡强度都比液流场的强。 本文数值模拟的结论将为以后研究此项课题奠定良好的基础，也能为 实验装备的设计提供一定的依据。 关键词：螺旋流，数值模拟，f l u e n t ，颗粒轨迹，旋涡强度 太原理工大学硕十研究生学位论文 t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h es t u d yo n n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fg a s p a r t l c l e t w o - p h a s es p i r a lf l o wf i n i s h i n gt e c h n i q u e a b s t r a c t t h er e s e a r c hi s s u p p o s e db yt h en a t i o na n ds h a n x il o c a ls c i e n c ef u n d p r o j e c t ，t o r e s e a r c h s p i r a l f l o w f i n i s h i n gt e c h n i q u em o s t l y g a s p a r t i c l e t w o - p h a s es p i r a lf l o wf i n i s h i n gt e c h n i q u ei st oi m p e ls o l i dp a r t i c l e st os w i dv i a s p i r a lf l o wo fg a s ，m a k i n gs o l i dp a r t i c l e st oc u ta n dr u bt h eh o l ei n n e r - s u r f a c e b ym e a n so fc e n t r i f u g a lf o r c e ，t h e nt h eq u a l i t yo ft h eh o l ei n n e r s u r f a c ei s i m p r o v e d i t i s h e l p f u lt op e r f e c tt h e t r a d i t i o n a la n d e x i s t i n gf i n i s h i n g t e c h n o l o g yu l t e r i o r l y a st h er e s t r i c t i o no ft h e e q u i p m e n t i nc o m m o nu s e ，t h e s t u d y o n p e r f o r m a n c eo fs p i r a lf l o wf i n i s h i n gp r o c e s so n l yb ye x p e r i m e n ti s n o to n l y l o n gt e r m ，b u ta l s oe x p e n s i v e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r , n u m e r i c a l s i m u l a t i o n p l a y si n c r e a s i n gf u n c t i o n t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nh a sm a n y m e r i t s ，f o re x a m p l e ，t h ed e v o t e df i n a n c ei sl e s s ，t h es p e e do fd e s i g na n d c o m p u t a t i o ni sq u i c k , t h ei n f o r m a t i o ni s f u l la n dt h ea b i l i t yo fe m u l a t i o na n d s i m u l a t i o ni sb e r e gt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sb a s e do nt h et h e o r yo ff l u i d d y n a m i c sa n dc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s w es e tu pas e to fb a s i cc o n s e r v e d i i i e q u a t i o n si nd i v e r s i f i e dc o m p l e xc o n d i t i o n s ，m a k et h ea s s u r e dc o n d i t i o n so f t h e s e l e c t e d m o d e l ，t h e n s o l v ed i r e c tt h e s es i m u l t a n e o u s n o n - l i n e a r i t y p a r t i a l d i f f e r e n t i a le q u m i o n s ，a n da c c o r d i n g l yg e t t h ed i s t r i b u t i o no fe v e r y v a r i a b l e si nt h ew h o l ef l o wf i e l d t h e r e f o r e ，s t u d y i n go nt h el a wo ff l u i da n dt h e p a r t i c l e u a c k si n s p i r a lf l o wo ff i n i s h i n gp r o c e s sw o r k p i e c eb yn u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，a n dt h e ni m p r o v i n gi t sc o n f i g u r a t i o n ，a n ds oh a v e ai m p o r t a n t a p p l i c a t i o nw o r t hi ne n g i n e e r i n g t h et h e s i sc o n c e n t r a t et ot h ef o l l o w i n gc o n t e n t s ：e x p a t i a t e t h eb a s i c k n o w l e d g eo ft h et w o p h a s e ；a n a l y z et h eb a s i cc h a r a c t e r o fs p i r a lf l o w ，i t s c h a r a c t e r i s t i ct oa t t e n u a t e ，t h ed i s t r i b u t i o no ft h es t a t i cp r e s s u r ei ne v e nd i a m e t e r h o l e ；t h ef f i c t i o nf o r c eo fp a r t i c l ei ns p i r a lf l o w ；s t u d yt h et u r b u l e n tm o d e la n d t h em e t h o do fn u m e r i c a lc o m p u t a t i o nf o rs p i r a lf l o w ；d on u m e r i c a ls i m u l m i o n f o rt h ef l o wo fg a s m o v i n gt r a c k so fp a r t i c l e sa n dv o r t i c i t ym a g n i t u d e ，u s i n g r e y n o l d ss t r e s sm o d e lb a s e do na n i s o t r o p yf o rg a sf l o wf i e l d ，a n ds t o c h a s t i c t r a c k i n gm o d e lb a s e do nl a g r a n g i a nf r a m eo f r e f e r e n c ef o rs o l i dp h a s e ，w h i c h c a r lr e f l e c tc o m p l e xm o v e m e n te x p e r i e n c ea n dc o l l i s i o no fp a r t i c l ea n dw a l lv i a f l u e n t w eh a v eg o tt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sf r o mt h es i m u l a t i o ni nt h e t h e s i s ( 1 ) i ne v e nd i a m e t e rh o l e ，t h et a n g e n t a lv e l o c i t y h a st h ec h a r a c t e r i s t i co f c o m b i n a t i o nv o r t e x ；w i t ht h eb o u n d a r yo fp o i n t sf o rm a x i m a ls p e e d ，t h ei n s i d e s i sn o r n lf o r c e dv o r t e x ，t h eo u t s i d ei sn o r mf r e ev o r t e x ；t h ea x i ss y m m e t r yo f i v 太原理： 大学硕士研究生学位论文 t a n g e n t a lv e l o c i t yi sv e r yw e l l t h ep r e s s u r ei st h em i n i m u mi nt h ec e n t e r - a x e s ， e v e nt h en e g a t i v ep r e s s u r e a l o n gt h ea x e s ，v o r t i c i t ym a g n i t u d ei sm u c hl o w e r ( 2 ) w i t ht h ec h a n g eo fp a r t i c l ed i a m e t e r , f l u xo fg a s ，s p i r a la n g l e ao fn o z z l e ， t h e t r a c k so fp a r t i c l ea l t e r s w i t ht h ea c c r e t i o no ft h ep a r t i c l ed i a m e t e r , t h e r e d u c t i o no fg a sf l u x ，t h ea c c r e t i o no f 口，t h ec o u n t e r so fs p i r a lo fp a r t i c l et a i l s o f f p a r t i c l el e a v e so f ft h et u b ee a r l i e r ( 3 ) w i t ht h ea c c r e t i o no ft h ec o u n t e ro ft h ep a r t i c l ea n dt h eg a sf l u x ，t h e f o r c eo ft h ew a l lg e t t e di n c r e a s ei ne v e nd i a m e t e rh o l e ( 4 ) b e c a u s et h eg a sv i s c i d i t yi ss m a l l e rt h a nt h el i q u i dv i s c i d i t ya n da i ri s c o m p r e s s i b l e ，s oi nt h es a m ec o n d i t i o n s ，t h et a n g e n t a lv e l o c i t y a n dv o r t i c i t y m a g n i t u d eo fg a si sg r e a t e rt h a nl i q u i d t h er e s u l to ft h i ss i m u l a t i o nw i l la c c u m u l a t es o m eh e l p f u lm a t e r i a l sf o r l a t e re x p e r i m e n ta n de q u i p m e n td e s i g n e d k e yw o r d s ：s p i r a lf l o w , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，f l u e n t , p a r t i c l et r a c k s ， v o r t i c i t ym a g n i t u d e v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：猛盘红 日期：鲨i ：量：丝 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文： 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名： 导师签名：侈哺惕导师签名：丝! ! ! 竺2 日期：幽：墨丝 太原理一 大学硕十研究生学位论文 1 1 研究的意义 第一章绪论 众所周知，在金属和非金属零件的制造过程中，都会在零件表面留下微观凹凸不平 的表面和各种不同的缺陷，如毛刺、飞边、刀痕波纹、突棱及微观裂纹等，其结果对零 件本身和整机的使用性能、寿命、外观等许多方面都带来一定程度的不良影响，如：造 成机器传动系统磨损加剧，振动及噪音增强，配合性能下降；使液压系统中密封处泄漏 及过滤处或管路的堵塞；零件进行热处理后，形成棱边裂痕，降低工件的疲劳强度和使 用寿命；在电机、电器、变压器、换向器和继电器等产品中，由于零件有毛刺，工作时 易产生电路短路导致这些产品工作失灵；影响电镀保护层的结合等。因此，降低表面粗 糙度值，去除或最大限度降低零件上的加工缺陷，综合提高零件加工表面质量是机械加 工中的一个重要研究课题。 孔加工约占机械加工总量的三分之一，而经过机械加工后的零件内孔表面，特别是 两个表面的交界处都不可避免的会产生毛刺。为使零件表面，特别是内表面获得较低的 粗糙度、良好的物理机械性能，去除由于各种加工、制造方法在不同程度上产生的毛刺 和提高清洁度，以提高产品的使用性能和寿命，人们一直在研究并开发新的加工工艺。 1 9 9 8 年太原理工大学光整加工研究所受“龙卷风”现象和旋风分离器的启发，研 究开发了一种气一固两相螺旋流光整加工孔内表面的工艺方法。该工艺的原理：从气泵 来的压缩空气，经过旋涡头的渐缩喷嘴进行加速得到近声速的气流，由于喷嘴既与旋涡 头内壁相切又与旋涡头横断面有一定夹角，从而使高速喷入的气流在旋涡头和工件的内 腔作螺旋运动；从旋涡头前端面进来的颗粒被旋转的气流加速，高速旋转的颗粒在离心 力的作用下被抛到工件内壁上，迫使其紧贴工件内表面滑移和滚动，对表面的微观凸峰 和棱边进行微量磨削和微观滚压，从而实现对直孔、孔内沟槽、交叉孑l 及非圆内表面进 行去毛刺和光整加工。气一固两相螺旋流光整加工的基本原理图如图卜l 所示”1 还 可以根据工件加工要求，改变气流参数，选用不同的工作介质，对工件进行清除氧化层、 太原理工大学硕士研究生学位论文 防腐前处理、表面强化等n t ，实现光整加工技术的又一次突破5 3 。 罾耥一 图1 1 旋涡气流光整加工基本原理图 f i g 1 - 1p r i n c i p l ed i a g r a mo f s p i r a la i r - f l o wf i n i s h i n gp r o c e s s 在此项技术中，如何选择喷嘴个数、喷嘴直径、喷嘴的螺旋升角及颗粒的粒径及个 数等等是必要的。为此，本文以等直径孔的加工为例，建立计算模型进行数值模拟。具 体模型结构在第四章介绍。 1 2 气一固两相螺旋流的研究进展 对于两相螺旋流的研究主要是气一固两相流与液一固两相流的研究。自然界中许多 现象都属于气一固或液一固两相流的范围，如沙丘的流动、旋风分离器、吸尘器、水力 旋流器、流化床等等这些都涉及到气一固两相流或液一固两相流的问题。本文介绍的气 一固两相螺旋流光整加工技术就属于气一固两相流的范围。气一固两相螺旋流涉及到两 相流理论和螺旋流理论。 1 两相流研究进展 早在1 9 世纪末，人们就对明渠流中的两相流动进行过观察研究。2 0 世纪初，在自 然循环的锅炉水力计算中明确提出了两相流问题。此后，随着科技的进步和生产实践的 需要，对两相流的研究逐渐多了起来，并取得了一些成果。但是早期的研究成果分散在 各个生产部门，交流不多，没有形成系统的两相流理论。有意识的归结所遇到的各种现 象，用两相流的统一观点系统地加以分析和研究，则是2 0 世纪4 0 年代开始的。6 0 年 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 代以后，越来越多的学者探索描述两相流运动规律的基本方程。有关两相流的专著和教 科书也在6 0 年代以后陆续出版。至此两相流的理论获得了广泛应用，形成了一门新的 学科。近几十年来，对于两相流的研究工作特点是向瞬态过程、基本理论、数值计算方 向发展。数值计算的发展也为两相流的研究提供了一条新途径。对两相流的研究已经取 得了很多成果。研究流场中单颗粒或有着相互作用的多颗粒运动，以及考察含有颗粒的 流场本身可用来推测流场中有关的流动信息，研究颗粒受力及颗粒的运动轨迹等。倪晋 仁、王光谦和张红斌、周力行”、陈伟芳和常雨1 、岑可法和樊建人3 等人进行了 有关方面的研究工作。w o o n s h i n g y e u n g 2 1 对一圆截面弯管内的气一固两相流及壁面 磨损进行了数值模拟。计算中忽略颗粒间的相互作用，忽略颗粒相对气相的影响，只考 虑阻力；忽略重力等其它力的影响，气流入口速度均匀，颗粒相的计算采用拉格朗日法。 2 螺旋流研究进展 所谓螺旋流是指流体在轴向运动的同时叠加了切向( 或称周向) 速度而形成旋转运 动，且切向速度的作用不能忽略。螺旋流可分解为自由涡流与强制涡流，是涡线与流线 重合的一种特殊流动。螺旋流在工业上应用十分广泛，如在射流技术、燃烧技术、气力 输送、旋风分离及水力浮选等均应用了螺旋流。在各种分离器、旋流器、搅拌器、涡管 及管道系统中也常见到螺旋流。在飞行器、发动机燃烧室、锅炉、桥梁以及各种水利设 施等所涉及的流动中同样会观察到螺旋流运动。目前螺旋流技术已经进入了人们的日常 生活领域，如螺旋流节能煤气灶、真空吸尘器等。另外，螺旋流在自然界也是十分常见 的，如龙卷风。 国内外研究者对螺旋流流动特性进行大量研究。孙西欢“”，熊鳌魁和魏庆鼎都 做了关于管内螺旋流的研究。现今螺旋流的产生方法主要有：安装旋流器、安装导流片、 切向喷射和旋转轨道，通过测量其速度分布来研究螺旋流强度、运动规律等。影响螺旋 流的因素有很多，包括进流方式、工作介质、管道条件等，螺旋流试验研究的重点主要 集中在研究这些因素对螺旋流的影响，以提高螺旋流发生工件的性能、效率。螺旋流的 运动很复杂，因此在对螺旋流进行分析时，通常针对定常轴对称螺旋流等比较简单的形 式1 ”。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 3 论文阶段的主要工作内容 随着计算机技术的迅速发展，人们可以利用计算机对光整加工工件内的流场进行数 值模拟。因数值模拟技术具有资金投入少、设计计算速度快等优点，许多从事两相流及 螺旋流研究的学者，都已经利用数值模拟技术来进行研究工作。气一固两相螺旋流光整 加工工件内的流体流动为三维强旋转和高强度湍流的两相流动，流动规律非常的复杂， 因此很难通过试验或解析的方法预报其内部流动状况，本文利用数值模拟技术来模拟光 整加工工件内螺旋流流场、固体颗粒的运动轨迹等。 1 介绍气一固两相螺旋流光整加工技术的研究背景、两相流及螺旋流的研究进展。 2 对气一固两相螺旋流光整加工工件孔内的单相气流场进行了系统的数值模拟研 究，分析了其三维速度分布、压力场分布、流场的湍流结构特性、雷诺应力分量分布及 流场的涡流状态。 3 对气一固两相螺旋流光整加工工件孔内的三维两相流场进行了数值模拟研究， 分析了颗粒的运动轨迹及不同结构参数对颗粒轨迹、壁面受力及旋涡强度的影响。 4 在气一固两相螺旋流的基础上做了液一固两相螺旋流的数值模拟，分析了不同 流场介质对流场内颗粒轨迹、旋涡强度、切向速度的影响。 4 太原理- 【大学硕士研究生学位论文 2 1 引言 第二章两相流的基础理论及数值计算方法简介 目前，气一固两相流的相关技术己渗透到许多工业部门，并且往往成为设备的安全 经济运行、开发新的工艺及新型光整加工技术、气一固输送、分离等设备的关键技术。 过去与两相流动有关的计算、设计大多停留在经验为主的水平上，现在随着测试技术和 数值计算方法的迅速发展，两相流动的研究达到了一个新的水平，成为国际上的学术前 沿领域。 2 2 两相流的理论模型 两相流研究的理论模型由物理模型和数学模型组成。物理模型是基础，是研究者对 两相流实际流动现象直观的理解和假设或想象，是对两相流运动机理、流动状况等进行 简化后的理想化流动。有了对错综复杂的实际两相流运动的理想化流动，我们就可以借 助已有的多相流理论和数学理论对其建立数学模型，从而建立相应的数学方程，并通过 各种数学方法( 手段) 对数学方程进行求解。事实上，物理模型和数学模型的建立往往 是同时进行的，也是互相修正和完善的。 众多的两相流模型，从理论研究刻划的尺度和所建立的控制体属性来划分，主要可 分为三大类模型“”，即连续介质模型( c o n t i n u u mm o d e l ) 、离散颗粒模型( d i s c r e t ep a r t i c l e m o d e l ) 、流体拟颗粒模型( p s e u d op a r t i c l em o d e l ) 。各种数学模型都是以上述物理模型 为基础而建立起来的。 1 琏续介质模型( c o n t i n u u m m o d e l ) 。此类模型将颗粒相看成是拟流体，这是目前 在两相流动研究领域中使用最广泛的一种方法。在这种模型中，颗粒相常被处理为一相， 因此，在一些文献中又常常被称为“双流体模型”( t w o - - f l u i dm o d e l ) 。在数学方程中， 由于这类模型对流体、颗粒都采用欧拉坐标系( o r i e n to f e u l e rs y s t e m ) ，故其对应的数 学方法为“欧拉法”( e u l e r i a n m o d e l ) 。典型的数学模型有：r 模型、n a v i e r s t o k e s 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 推广模型、颗粒动力学模型、涡动力学模型、拟序结构模型等等。目前，在气一固两相 流研究中，极大部分作者所建立或采用的模型为连续介质模型。 2 离散颗粒模型( d i s c r e t ep a r t i c l em o d e l ) 。此类模型将颗粒相看成离散相，而只将 气体相看成是连续相，它既考虑颗粒与气体间的相互作用，又考虑颗粒与颗粒问的相互 作用。由于此模型可以跟踪所研究颗粒的运动轨迹，故又被称为“颗粒轨道模型”( p a r t i c l e t r a j e c t o r ym o d e l ) 。由于该模型在数学方程描述中对颗粒相采用拉格朗日坐标系 ( o r i e n to f l a g r a n g es y s t e m ) ，而对气体相采用欧拉坐标系，故其对应的数学方法为“欧 拉一拉格朗日法”( e u l e r i a n l a g r a n g em o d e l ) 。典型的数学模型有：颗粒轨道模型、颗 粒随机模型、颗粒轨道模型频谱法等。 颗粒轨道模型的实质是用颗粒间的动量交换来模拟颗粒间的碰撞过程。从表面看。 模型简单却较真实地反应了气一固两相流的实际运动机理；从理论研究看。碰撞模型理 论并不复杂，所得到的颗粒方程也为常微分方程，易于求解。如对于时均定常的气一固 两相流动系数，若仅考虑作用在颗粒上的流体阻力而忽略其他各种力，则颗粒的运动方 程可写成： 牌p 布，a r t = a v p ，c d ( 口g v r ) 1 口f v p l 2 ( 2 1 ) d i d t = f 。 ( 2 2 ) 式中，颗粒质量j ，l ，= 岛剃；6 ，颗粒迎流面积4 ，= 别；4 ，d ，为颗粒直径，v s ，f ，分 别为气相和颗粒瞬时速度。 3 流体拟颗粒模型( p s e u d op a r t i c l em o d e l ) 。此类模型以描述单颗粒尺度上运动特 征为出发点，不仅将宏观上离散的颗粒作为离散相处理，还将宏观上连续的流体也采用 拟“颗粒”性质的流体微团来处理。通过模拟气体“颗粒”与固体颗粒问的相互碰撞等 相互作用，来研究描述、再现两相流动中的一些经典现象和微观特性。由于这类模型在 数学方程描述中无论是对颗粒的运动，还是对流体的运动均采用拉格朗日坐标系，故其 对应的数学方法为“拉格朗日法”( l a g r a n g em o d e l ) 。目前较为典型的数学模型有气体 “拟颗粒”模型等。流体拟颗粒模型尚处在起步发展阶段，这方面的研究报道相对较少， 对流场的数值模拟还局限于一些理想的情况，如气体绕单圆柱、气体绕双圆柱和颗粒与 流体间曳力模拟等，有待深入研究、发展和完善。 6 太原理。r 大学硕十研究生学位论文 2 3 研究气一固两相流应注意的问题 气一固两相流不同于单相流之处，在于气一固两相流中存在着一定浓度的颗粒，其 运动非常复杂，且浓度变化不一。因此，研究气一固两相流时应注意下列问题： 1 颗粒是分散相，其运动规律各异。 2 湍流情况下，颗粒与气流的脉动相互影响。 3 由于气流和颗粒惯性不同，气流和颗粒间存在着相对速度，因而存在着 各自运动规律的相互影响。 4 流场中压力梯度、速度梯度的存在，颗粒之间及颗粒与壁面的碰撞等原因都会引 起颗粒受力、运动轨迹等的改变。 5 颗粒质量的变化，如颗粒在碰撞过程中的变化。 2 4 数值计算方法简介 数值计算方法是把计算域内的有限数量位置( 即网格节点) 上的因变量当作基本的 未知量进行处理，以提供关于这些未知量的代数方程组及求解的算法，即用离散的值替 代包含在微分方程精确解中的联系信息，所以也可称作离散化方法。所以，根据实际的 物理问题条件，寻求恰当的离散方式，并构造合理的离散化近似方程，使所求的离散解 以一定精度逼近原微分方程问题的准确解。在计算流体力学中主要采用的方法有：有限 差分法、有限元法、有限体积法以及有限分析法、格子- - b o l t z m a n n 法等“”。比较常用 的简略介绍如下： 1 有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，f d m ) 有限差分法是数值方法中最早期的算法，也是最为经典且当前常用的方法。其基本 思想是建立离散方程的t a y l o r 展开式，将求解区域划分为差分网格，在网格的每个节点 上把控制方程的导数用差商代替，从而在每个节点上形成一个代数方程，每个方程中包 含了本节点上的未知值，得到含有有限未知数的差分方程组，对这些方程组求解来获得 所需的数值解。随着t a y l o r 展开式的不同，差分格式可按逼近精度的阶分为一阶、二阶、 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 三阶以至更高阶，按格式的性质分为中心及逆风格式。 有限差分法的优点是形式简单，易于理解，处理能力较高；其主要缺点是对复杂区 域的适应性较差以及得到的数值解精度和守恒性难以保证。 2 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d f e m ) 有限元法始于5 0 年代初西方国家的飞机设计领域，7 0 年代开始应用于流体力学中， 基本思路为先将一个连续的求解域任意分成一系列微小的元体进行离散化，在每个元体 上取整个点为节点，通过对控制方程积分获得离散方程。控制方程作积分之前要乘上一 个权函数，要求在整个计算区域上的控制方程余量加权平均值为零，得出一组关于节点 上的被求变量的代数方程组。有限元法对求解域没有形状上的限制，边界条件易于处理， 适用于具有复杂边界流动域的数值模拟，但计算工作量较大，在求解流动和换热问题时， 对流项的离散处理方法和不可压缩原始变量法求解法方面没有有限体积法成熟，目前较 多应用于固体力学模拟计算领域。 3 有限体积法( f i n i t ev o l u m em e t h o d ，f v m ) 有限体积法又称控制体积法，其基本思想是：将计算区域划分为一系列不重复的控 制体积，使每个网格点周围有一个控制体积；将待求解的微分方程对每一个控制体积进 行积分，便得到一组离散方程，其中的未知数是网格点上的因变量的数值。为了求出控 制体积的积分，要对界面上的被求函数本身以其一阶导数的构成进行假定。这种构成即 为有限体积法的离散格式。从积分区域的选取方式来看，有限体积法属于加权剩余法中 的子区域法：从未知解的近似方法看来，有限体积法属于采用局部近似的离散方法。 由有限体积法得出的离散方程，因变量的积分守恒对任意一组控制体积都需要得到 满足，对整个计算区域，自然也得到满足。这是有限体积法很有优势的地方。对于其他 离散方法，譬如有限差分法，仅当差分网格非常细密时，离散方程才满足积分守恒。而 有限体积法即使在粗网格情况下，也显示出良好的积分守恒性。有限体积法可视作有限 单元法和有限差分法的中间物。有限单元法需要假定值在网格点之间的变化规律( 插值 函数) ，并将其作为近似解。有限差分法只考虑网格点上的数值而不考虑值在网格点之 间如何变化。在有限体积法中，插值函数只用于计算控制体积的积分，得出离散方程之 后，便可忽略插值函数；如果需要，可以对微分方程中不同的项采取不同的插值函数。 有限体积法的基本思路易于理解，离散方程系数物理意义明确，更重要的是便于求 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 解复杂的计算区域，是目前工程流动问题的数值计算中应用最为广泛的一种方法，也是 c f d 商业软件中主要采用的离散方法。 另外还有有限分析法、格子一b o l t z m a n n 法、边界元法等等，在此不再一一介绍了。 2 5 小结 本章主要介绍了两相流理论模型，研究气一固两相流应该注意的问题及在计算流体 力学中主要采用的数值计算方法。 两相流理论模型主要分为三大类：连续介质模型，此类模型将颗粒相看成是拟流 体，颗粒相常被处理为一相，这类模型对流体、颗粒都采用欧拉坐标系。目前，在气一 固两相流研究中，极大部分作者所建立或采用的模型为连续介质模型。离散颗粒模型， 此类模型将颗粒相看成离散相，而只将气体相看成是连续相，它既考虑颗粒与气体间相 互作用，又考虑颗粒与颗粒间的相互作用。该模型在数学方程描述中对颗粒相采用拉格 朗日坐标系，而对气体相采用欧拉坐标系。流体拟颗粒模型，该模型不仅将宏观上离 散的颗粒作为离散相处理，还将宏观上连续的流体也采用拟“颗粒”性质的流体微团来 处理。这类模型在数学方程描述中无论是对颗粒的运动，还是对流体的运动均采用拉格 朗日坐标系。 在计算流体力学中主要采用的数值计算方法有：有限差分法、有限元法、有限体积 法以及有限分析法、格子- - b o l t z m a n n 法、边界元法等等。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 1 引言 第三章螺旋流的理论分析 流体具有粘性。在相对运动中，由于粘性两相邻流体问产生不同的内摩擦力( 切应 力) ，使流体层出现速度差。对选定流层来说，速度较慢的一层流体作用于速度较快的 一层流体上的切应力是阻止流体前进的力，它的方向与流动方向相反：速度较快的一层 流体作用于速度较慢的一层流体上的切应力是加速下层流体的力，它的方向与流动方向 相同。于是，这个流层所承受的切应力构成力偶，有促使流体质点旋转的倾向，产生旋 涡运动。 与旋涡运动密切相关的还有一种运动，叫螺旋流运动，即流体质点一方面沿某直线 移动，同时也围绕它转动。也就是说这种运动是涡流与轴向流动叠加而成，它的运动情 况与螺纹的形状有些相似，因此称这种运动叫做螺旋流运动。 流体在管流过程中，出现旋涡，会破坏正常流动，增加能量消耗：在自然界中也有 旋涡( 如龙卷风) 造成灾害的例子。但我们也可以利用旋涡造福于人类，由于螺旋流有 能量集中、携带力强、输送浓度高等特点，国内外工程上对螺旋流都有一些应用。 1 螺旋流输送 传统的管道输送均采用直流式( 无旋流分量) 。为了达到一定的输送效率，需要提 高输送浓度，从而不得不增大水流速度，这样会增大水流的紊动扩散，会造成很大的能 量损耗，使得生产效率降低。高浓度要求高速度，而高速度流体必然带来高能耗。这在 很大程度上限制了输送效率的提高，对于固体物料的远距离管道输送极为不利。 圆管螺旋流输送物料则是靠另一种完全不同的机理，具有浓度分布均匀、能耗低的 特点。在螺旋流状态下，当管内切向速度值大于输送物料的沉速的某一倍数时，物料被 “抬脱”而“悬浮”：当管内切向速度与轴向速度分布合理时，物料的输移效率可以达 到最高。国内一些研究表明，使用螺旋流排沙，较之传统的直流式排沙，在能耗和输送 距离上有较大的提高。 l o 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 螺旋流在燃烧和节能方面的应用 螺旋流可造成强烈的脉动和渗混，利于混气速度和燃烧速度相匹配，使得它在燃烧、 节能方面有巨大的应用价值。螺旋流对传热的强化作用已经在理论和实验两方面得到证 实。在发动机燃烧或其他火炉中，引入螺旋流可以稳定火焰、强化燃烧及增强空气的混 合，同时起到加强热量及质量交换的作用。 3 螺旋流去污、除油 水力旋流污水除油技术属于液液两相分离技术，这一技术现在在英、美等国已经发 展成熟。它依靠含油污水中水和油两种不相容液体的密度差，利用污水在旋流器内高速 旋转运动所产生的离心力，将污水中的油除去，以达到除油的目的。水力旋流除油技术 应用于油污水处理的尝试始于1 9 8 4 年，由于当时开发的水力旋流除油器的体积小，质 量轻，除油效率高，易安装、拆卸和搬运，为它在海上或陆上油田、炼油和化工工业的 污水处理领域占据技术市场创造了优势“”。 4 螺旋流除尘 螺旋流除尘的典型应用是旋风分离器。旋风分离器是一种利用气一固两相流体的旋 转运动，使固体颗粒在离心力的作用下从气流中分离出来的设备。它被广泛应用于化工、 矿山、环保等众多行业。 3 2 螺旋流的基本特征 螺旋射流及平直管道内的螺旋流问题已有较多的研究成果，包括实验研究和数值模 拟两方面。n i s s a n 和b r e s a n ( 1 9 6 1 ) 最早研究了管内螺旋流流场，他们发现流场中心压 力总是最低，向壁面或多或少的增加，沿下游压力降低。离中心不n - - 分之一半径的地 方切向速度达到最大，断面平均速度环量沿下游衰减。当r c 5 0 0 0 时无回流，较高时有 回流。在某些情况下，甚至出现在中心轴及壁面处流体向前，而在两者之间返回的双回 流现象。根据实验研究可归纳出平直管内螺旋流的基本特征”： 3 2 1 流场速度分布特征 与轴向、周向速度分布相比，管内螺旋流的径向速度极小，可以忽略“。在研究螺 太原理工大学硕士研究生学位论文 旋流速度分布时，通常只关心轴向速度和切向速度，尤其是切向速度在流场中的分布特 征。 根据切向速度分布特点，k i t o h ( 1 9 9 1 ) 将管内旋流场分为三个区：a ) 轴线附近的 核心区，以强制涡速度分布特点为特征；b ) 环形区，以自由涡速度分布特点为特征； c ) 近壁区，一般说来，随着向下游的推移，切向速度的峰值逐渐衰减且向轴线偏移， 切向速度急剧的变化到固壁上的零值( w e s k e 和s t u r o v1 9 7 4 ) 。他的实验结果表明在螺 旋流运动过程中，核心区在萎缩而环形区在扩大( 较强及强螺旋流情况) 。m u r a k a m i e t a l ( 1 9 7 6 ) 将切向速度沿轴向的衰减分为四个阶段：1 ) 入口段：随着旋流的衰减，最大 速度点移向管中心；2 ) 稳定衰减段：最大切向速度位置不随旋流的衰减而移动，平均 速度分布具有相似性；3 ) 自由涡向强制涡过渡段：4 ) 强制涡衰减段：强制涡逐渐衰减 掉。在不同的阶段，切向速度的变化规律可能完全相反。无论入口段的螺旋流多强，其 最终都将衰减为弱旋流，这时切向速度分布就是以强制涡速度分布为特征。进流方式对 速度分布有显著影响。k i t o h ( 1 9 9 1 ) 的实验结果证实入口条件对核心区的影响较大而对 环形区的影响较小。 w e s k e 和s t u r o v ( 1 9 7 4 ) 发现低、高速流场中的轴向速度有很大的不同。前者轴线处 呈单峰型而后者轴线两侧呈双峰型。这说明轴向速度分布因旋流的强弱会导致轴线处流 速较低甚至出现回流。当旋流强度增大时，轴向速度剖面的峰值上升且向壁面处偏移， 而轴线处的流速则下降。但由于影响因素复杂，包括螺旋流的产生方式等，以至难以确 定出现回流的临界旋流强度值。随着螺旋流向下游的衰减，轴线处的流速与最大值之间 的差距逐步减小。若有回流区则亦相应的减小，分布曲线向平坦化过渡。 与轴、切向速度分布相对应，压力沿径向分布呈单调递增趋势，即轴线处压力低而 壁面处压力高。理论分析表明径向压差近似与当地旋流强度的平方成j 下比“。由于螺旋 流的衰减，径向压差沿下游趋小。相应地，壁面处的压力沿下游呈顺压态势，而轴线处 的压力则呈现逆压分布。由此可理解回流的产生机理。 3 2 2 湍流场特征 螺旋流一般都是湍流态，且是最复杂的湍流现象之一。其湍流态与非旋流中的湍流 态有很大的不同。在其中，湍流输运既可以被抑制亦可以被强化( h i r a i e t a l1 9 8 9 ) 螺 1 2 太原理f 一大学硕十研究生学位论文 旋流中的法向雷诺应力相对较大且与旋流强度有关。低旋流时，湍流强度分量变成充分 发展所需的距离减少了，旋流越强，其距离值越大。对于高旋流，雷诺应力所有的分量 的绝对值都大幅度增加，湍流强度分量与充分发展流相比增加了3 5 倍( w e s k e 和 s t u r o v1 9 7 4 ) ，而且其最大值的地方接近于切向速度最大值的地方。在近壁区，轴向及 周向的法向雷诺应力大于其它地方的值，各法向雷诺应力沿半径方向都存在一个极大 值，且随流逐渐平坦。相对于无旋流，径向、法向雷诺应