旋转风幕流场的数值模拟及实验研究-图文

第17卷第6期中国2007年6月China安全Safety科学Science学报Vol.17No.6JournalJun.2007旋转风幕流场的数值模拟及实验研究教授李永存讲师林爱晖刘荣华教授王海桥(湖南科技大学能源与安全工程学院,湘潭411201学科分类与代码:620.2030中图分类号:X936文献标识码:A基金项目:国家自然科学基金资助(50474062。3【摘要】基于流体力学中空气射流理论,建立气幕旋风排风罩流场的三维数学模型。影响气幕旋风排风罩效果的因素很多,主要包括:射流气动参数、吹吸气动参数以及流动空间的边界条件和装置结构等。针对不同送风速度、不同送风角度下两种情况进行分析,并利用FLUENT计算动力学软件对这两种情况下气幕旋风排风罩的流场进行了数值模拟,经过比较确定出最佳效果时的参数,并利用示综烟雾进行了实验。结果表明:,所确定的最佳效果时的参数和实际情况基本一致,可用于工程实际。【关键词】旋转风幕;数值模拟;实验研究;;NumericalResearchonRotaryAirCurtainLIYong,LecturerLINAi2huiLIURong2hua,Prof.WANGHai2qiao,Prof.(SchoolofEnergy&SafetyEngineering,HunanUniversityofScience&Technology,Xiangtan411201,ChinaAbstract:Thethree2dimensionalmathematicalmodelofflowfieldofaircurtaincycloneexhausthoodisbuiltbasedontheairjettheoryoffluiddynamics.Therearemanyfactorsaffectingtheeffectofaircurtaincycloneexhausthoodmainlyincludingjetaerodynamicparameters,blowandexhaustaerodynamicparame2ters,boundaryofflowspace,deviceconstructionandsoon.Then,byuseofFLUENTsoftwareofcompu2tationfluiddynamics,numericalsimulationsoftheflowfieldofaircurtaincycloneexhausthoodarere2spectivelymadeunderthetwokindsofconditionsofdifferentconveyingairvelocityanddifferentconveyingangles.Aftercomparison,theparametersunderoptimumefficiencyofventilationarefixed.Toverifythecorrection,anexperimentontracingsmokeismade.Theresultsshowthatthemathematicalmodelofaircurtaincycloneexhausthoodiscorrect,theoptimumparametersarecoincidentwithpracticalconditionandthemodelcanbeusedintheengineeringfield.Keywords:rotaryaircurtain;numericalsimulation;experimentalresearch;flowfield;mathematicalmodel0引言在工业生产过程中散发的各种有害物如不加以控制,会使环境受到污染和破坏,危害人类健康。控制工业有害物对室内外空气环境的影响和破坏,是当前亟待解决的问题。用通风方法改善车间的空气环境,简单地说,就是在局部地点或整个车间把不符合卫生标准的污浊空气排至室外,把新鲜空气或经过净化符合卫生要求的空气送入室内。而防止室内有害物最有效的方法是:在有害物产生地点直接将3文章编号:1003-3033(200706-0018-07;收稿日期:2007-01-21;修稿日期:2007-05-30第6期李永存等:旋转风幕流场的数值模拟及实验研究・19・其捕集起来,经过净化处理,排至室外[1]。局部排风罩是局部排风系统的重要组成部分。通过局部排风罩的气流运动,可在有害物散发地点直接捕集有害物或控制其在车间的扩散,保证室内工作区有害物浓度不超过国家卫生标准的要求。利用平面风幕来隔断空间的研究已取得很大的进展,而且这种技术也相当成熟。但利用特殊风幕(旋转风幕来控制有害物的研究却起步较晚,尚有许多问题需要解[2]决。气幕旋风排风罩就是局部排风罩的一种(即吹吸式排风罩,它是利用人工龙卷风的原理来控制和捕集有害物的。与传统的平面风幕相比,旋转风幕除注重了工作面有害物的控制之外,还能用较小的排风量即可有效排除有害物,提高作业人员工作区的空气品质,改善工作环境。对于气幕旋风排风罩的有关研究,目前主要侧重于实验方法[3]作用;同时气流在旋转过程中又受到离心力的作用。在向心力和离心力平衡的范围内,旋转气流形成涡流,涡流收束于负压核心并朝向排风口。它是由吹吸气流共同作用的,而吹吸气流是吹风射流和吸风射流相互作用、相互影响的复杂气流。[4—7]当Re大于30时,射流就变成紊流,故实际射流几乎是紊流射流,因此,紊流射流是该流场的流态。而有关数值模拟方面的研究未在有关文献上见到。针对气幕旋风排风罩的特性,借助紊动射流、流体力学、空气动力学、传热传质学等理论,件上,CFD商业软件F,图2送风夹角示意图2数学模型211基本假设,而且还能拓宽和完善旋转风幕控制有害物理论,有很大的现实意义。1旋转风幕流场气幕旋风排风罩的结构如图1所示。它是利用人工产生的气旋捕集和控制有害物。在它的4角安装4根送风立柱,以一定的角度α(见图2按同一旋转方向侧吹出连续的气幕,形成气幕空间。在气幕中心上方设有排风口。在旋转气流中心由于吸气而产生负压,这负压核心使旋转气流受到向心力的为进行数值模拟,首先假设:1送风气流可视为不可压缩气流,且为常温。2忽略重力,假设壁面绝热。3气幕处于稳定状态,各点的流速、流量、压力、密度为定常,不随时间变化,流动为稳态紊流,紊[8]流满足Boussinesq假设。44根送风立柱的送风量相等,速度大小和分布相同。54根送风立柱的送风角度相等。6送风口宽度一致。7采用控制容积法进行计算时,假设选取的控制容积足够大,将风幕对环境空气的影响控制在所选取的控制容积之内,而假设对控制容积之外的环境没有影响。8为了方便数值计算,送风口采用条缝形风口。212控制方程组图1气幕旋风排风罩要对风幕进行数值模拟,必须将控制流体的流动、传热传质及其他过程表示成数学形式,通常表示成控制微分方程的形式,其数学模型示意图如图3所示。・20・中国China安全科学SafetyScience学报第17卷Journal2007年2iiεμtC1ε-C2ε+k9xj99xjk(6214边界条件进口边界(送风口边界:在此边界上施加速度进口计算条件。us=Qs/A式中,A———送风口的面积;Qs———送风流量;ui———us的速度分量。出口边界(周围4面:由于该边界上的速度和压力均为未知的情形,故选自由出流(outflow。出口边界(排风口:已知该出口的速度,对该图3数学模型示意图笔者采用的控制方程包括:1连续方程:边界施以速度入口,在设置边界条件时速度值设为负值。:ui0,,垂直于壁面上的压力+=09x9y9z2动量方程::划分网格时建立的辅助面,设为内部面,流体可自由穿过此面。215网格划分[11]xz=-=+999999x9yz9x(2在建立模型时,计算区域为4m×4m×1m,送风风柱为0.01m×0.01m×1m,送风口大小为0.01m每两个风柱之间的距离为0.6m,排风口是大小为0.5m×0.3m的圆柱。为了计算的精确性,设立辅助面对送风口划分网格时进行了局部加密,由于该模型不规则,生成的网格是非结构化网格,单元总数约为36万个。+999+x99z-9y=-(3+9999999z(43数值计算结果及分析311不同送风夹角对该装置的影响213k-ε湍流模型风幕的流动为湍流,采用k-ε湍流模型进行计算。在湍流的工程计算中,k-ε两方程的应用最广,旋转风幕的k-ε湍流模型如下:1k方程:[9—10]风幕的送风角度是风幕设计的主要特性参数之一,它直接影响到风幕的流动情况和风幕控制有害物和粉尘效果,送风角度过大或过小都不利于有害物的捕捉。风幕的送风角度α为0°,20°,30°时,速度取5m/s,对风幕流场进行了数值计算。计算结果如图4～图6所示。从图4～图6可以看出,夹角为30°时形成的旋转风幕最差。这是因为送风射流的射程短,一射流对另一射流的卷吸、诱导作用减弱,不能形成稳定的流场,容易使粉尘或有害气体外逸,气幕旋风排风罩的除尘效率降低。因此,送风夹角不是越大越好。+9t9xi2ε方程:9xjμμ++σ9(5iε-ρ+9xj99xj9xjμtμ++σ9(i9t9xiα=0°图4z=0.2的平面的速度场α=0°z=0.2平面的压力等值线图7α=20图5=0.2的平面的速度场α=20°图8z=0.2平面的压力等值线之一,它直接影响到粉尘和有害气体的捕捉。送风夹角为20°,其他参数不变的情况下,风幕的送风速度在1～5m/s范围内变化时,对旋转风幕的流场进行了数值计算,计算结果如图9～图11所示。α=30°z=0.2的平面的速度场图60°和20°哪一个更合适,从图4和图5的速度场不能明显看出,需要比较它们的压力场,两种情况下的压力场如图7和图8所示。从图7中可以看出,中心静压强为0.02Pa,而图8中,中心静压强为-0.22Pa,压强越小,粉尘或有害气体越容易被捕捉,气幕旋风排风罩的除尘效率越高。结合上述两种情况,选送风夹角为20°最适宜。312不同送风速度对装置的影响图9v=1m/sz=0.2平面的速度场风幕的送风速度也是风幕设计的主要特性参数幕的送风速度存在优化,为了保证旋转风幕的形成,提高气幕旋风排风罩的工作效率,风幕的送风速度不能太小,但也不能太大。速度太大不但降低了工作效率,使风机的能耗增大,造成了不必要的浪费。4实验研究在进行实验前搭建了一个气幕旋风排风罩装置,实验系统示意图如图12所示。所有数据与数值模拟采用的数据一致,对以上两种在不同送风速度和不同送风夹角下的情况进行实验验证,采用示综烟雾在实验室进行实验,实验效果与数值模拟的结果相符合,证明所建立的数学模型是正确的。图10v=3m/sz=0.2平面的速度场图11v=/s=0.图12实验系统示意图[12]用射流出口雷诺数能反映气幕稳定性规律郎建议采用Re>1200[13],411不同夹角的实验效果图13～图15当出口Re<1000左右时,气幕一般不稳定。林太,该状态下一般的扰动都vυd能被阻尼掉,气幕较为稳定。Re=,当υ=1m/s时,Re=3921<1000风幕不稳定,当υ=3m/s时,1200>Re=11764>1000风幕不理想,对于此装置从图13～图15可以明显看出,送风夹角为20°时,对烟雾控制效果最佳,与数值模拟结果相符合。送风速度最小应大于3m/s。从图9～图11看出,送风速度是旋转风幕形成的决定性因素,其大小变化对风幕性能影