自-CFD计算速度的分析

1、CF D计算旋转流时旋转中心与几何中心不重合的速度变换贾继斌 陈功（中国石油大学（北京）化工学院，北京1 0 22 4 9）摘 要：基于CFD计算旋转流的三维速度计算值是以空间的几何中心为基准给定 的。但旋转流由于流动的不稳定性或空间结构的非轴对称性导致旋转流的旋转中 心偏离空间的几何中心。 这就使参照旋转中心为基准的三维速度分布不同于基于 C FD计算的三维速度分布，两者之间存在着一定的差别。在实际应用中一般分析 问题是建立在以旋转中心为基准的三维速度分布上的 , 因此需要将参考几何中心 C FD计算的速度变换为参考旋转中心的速度。本文以旋风分离器为实例分析了 由于基准不同所产生的速度变化，

2、给出了 C FD计算旋流时旋转中心与几何中心不 重合的速度变换的方法。结论也同样适用于其他类似旋转流的计算分析。 关键词:CFD,旋流,旋转偏心，速度变换，旋风分离器 中图分类号：TQ 0 51. 8文献标识码A文章编号引言旋转流是一种工业上广泛应用的流动形式 ,如旋风分离器，水力旋流器，旋 转射流等。一般基于CFD计算旋转流的三维速度计算值是以空间的几何中心为基 准坐标给定的。但由于旋转流动过程的不稳定性或几何结构上非轴对称等原因， 旋转流的旋转中心偏离空间的几何中心 1，存在着旋转偏心的现象， 即旋转流 的旋转中心与几何中心不在一个轴线上 , 两个中心不重合。若以不同的中心为参 考基准 ,

3、 旋转流在空间上同一点的三维速度是不同的，存在着一定的差别，互相 直接对等替换必定为后续的计算或分析带来较大的误差。 在实际应用中， 由于分 析问题的特点， 在对旋转流流场进行分析中有时需要以旋转中心为基准的三维速 度分布，此时应对基于CFD计算的旋转流三维速度值进行修正，将参考几何中心 计算的流场变换为参考旋转中心的流场。本文以蜗壳式旋风分离器流场为CFD计算对象，重点分析旋风分离器内旋转 流的旋转中心与旋风分离器的几何中心不在一个轴线上所导致的速度分量之间 的差异，给出了将基于几何中心计算的流场换算到参考旋转中心的流场的方法。 结论方法也同样适用于其他有关类似旋转流的计算分析。1基于几何中

4、心的CFD计算旋转流时的速度分布1.1数学模型及方法1.1. 1几何模型模拟旋风分离器尺寸如图1所示，进气口尺寸1 76mmX 73mm筒体内径300mm升气管内径96mm。为保证充分发展条件的成立，将出口管路加长。76图1旋风分离器结构示意图1.1. 2湍流模型旋风分离器内流场是复杂的三维、湍流、强旋流场，具有很强的各向异性特点,为此采用Fl u ent软件计算流场时，选择能较好地反映湍流各向异性的RSM(Re yno I d s s tr ess mod el)模型。压力梯度项采用 PRESO ! ( p ress u re sta gg ering o pt ion)方法进行预处理1.1

5、.3边界条件1.1. 3.1入口边界条件旋风分离器入口边界条件采用速度入口条件。流体为常态的空气，入口速度32Vi= uavg =20m/s湍流脉动动能 k -(uavgI )2 = 0.7 35 m2/s2, UiUj in = - kin = 0.23 4 9 m2/s2，u'iu'j 0 m2/s2, c0.75h1.5l = 17.021 m2/s3, 其中,C = 0.09 , h=1.42, uavg为入口处的平均流速，1是湍流强度，Dh为入口水力直径，l为湍 流特征尺寸。取 I =0.05, l 0.07Dh , Dh =0.11 6m。1 .1 .3 .2出口边

6、界条件出口边界条件按充分发展管流条件处理，所有变量在出口截面处轴向梯度为 零,即三0。这种处理方法对出口截面的选择要求比较高，一般只有当出口区 域有一平直段且离开回流区已经较远时采用。为此在计算中将旋风分离器的出口管路加长，以保证充分发展条件的成立。1.1.3.3 壁面边界条件壁面处采用无滑移边界条件，默认壁面粗糙度为0. 5。壁面效应是旋涡和湍流的主要来源，因此近壁区的处理对数值求解结果的准确性有显著影响。由于 在靠近固体壁面的区域内，流底层的粘性作用增强而湍流扩散相对减弱，作用于 高雷诺数下的湍流输运方程已不能严格有效。近壁网格点用标准壁面函数近似处 理。差分格式在Flue n t中，认的

7、差分格式是一阶迎风格式。论分析和计算过程中发现，阶迎风格式只具有一阶精度的截差，虽然具有良好的收敛稳定性，但数值耗散过大，尤其对于强旋转流，致使结果产生很大的误差；二阶格式具有较高的数值计 算精度，但二阶格式本身具有色散性，结果会产生非物理震荡，不具有守恒性；QU ICK差分格式比前两种格式都有所改善，保留了结果的守恒，又使数值结果 具有二阶以上的精度的截差。QUICK差分格式最能准确的预报旋风分离器内的 流场,二阶迎风格式只能在某些方面给出好的结果，另一些方面却远偏离实际情况，一阶迎风格式由于精度差，根本不能用于旋风分离器这种复杂流场的模拟。 因此，本文将采用QU ICK格式控制方程的离散。1 .1.5算法用FL