基于大涡模拟方法的旋流过滤器内流场数值模拟

作者:潘凤娟;郭雪岩;杨帆 刊名:《轻工机械》 上传者:袁于评

【摘要】旋流过滤器在设计改进过程中,缺少对旋流过滤器和传统旋流器内流场的对比分析,且多孔介质阻力对流场影响的研究也较少,针对这一问题,文章选用大涡模拟(LES)方法对传统旋流器和不同多孔介质阻力下的旋流过滤器流场进行了数值模拟。得到了不同多孔介质阻力对旋流过滤器的轴向速度、切向速度、径向速度、静压、涡量及Q值的影响规律,并与传统旋流器内流场进行对比,获得了旋流过滤器流场内丰富的流动信息。结果表明与传统旋流器相比,旋流过滤器最大切向速度和压降减小;随多孔介质区域阻力的减小,最大切向速度和压降也随之减小。旋流过滤器减弱了旋流强度,增加了过滤能力,其内流场受多孔介质区域阻力影响较大。

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水力旋流器是一种重要的固液分离设备,具有结构简单、操作方便等优点,被广泛应用于矿物加工、环保、化工等行业[1]283。近年来,为扩大旋流器的使用范围,降低其能耗,提高其分离效率,国内外研制出多种新型旋流设备。旋流过滤器是一种多功能化的新型分离设备,集离心分离和过滤机理于一身,有效的改善了 旋流器的分离性能,应用更为广泛[2]。Souza等[3]设计出一种典型的旋流过滤器,用多孔介质过滤锥代替传统旋流器中圆锥段的实体器壁,在过滤锥外加过滤收集腔。刘仁恒等[4]将传统旋流器的部分柱段和锥段实体器壁用多孔金属过滤材料代替,并在入口设有导向器。Vieira等[5]应用RSM方法研究了旋流过滤 器内的流体流动和分离效率,对其压降、速度和能耗进行了分析。韩柏等[6]选用RNG-模型对旋流过滤器内部流场进行了模拟,研究分析了其颗粒的轨迹、速度和质量分数的分布情况以及入口流量、底流率和固体颗粒粒径对旋流过滤器分离效率的影响。这些研究中对旋流过滤器内的流场分布分析不够完善,且多孔介质阻力对流场的影响涉及较少。因此本文对文献[7]中的传统旋流器结构进行改进,将其圆锥段的实体器壁用多孔介质代替,在过滤锥外加过滤收集腔,成为一典型的壁式旋流过滤器,选用LES模型对传统旋流器和5组不同多孔介质区域阻力下的旋流过滤器分别进行模拟,对比传统旋流器分析旋流过滤器的流场特征,并分析不同多孔介质区域阻力对旋流过滤器内的速度、压力、涡量和Q值的影响。1数值方法1.1物理模型及数值模型本文对Lim和Chen等[7]6416的旋流器的模型进行改进,设计了如图1所示的旋流过滤器的三维模型,其中,X代表旋流过滤器径向方向,Y代表旋流过滤器轴向方向。图中旋流过滤器除进口、溢流口和底流口外,又增加了过滤流口。图1旋流过滤器结构图Figure1StructureoffilteringhydrocycloneLES模型的主要思想是对大尺度涡进行直接数值求解,对小尺度涡建立模型。LES模型的控制方程是由N-S方程在物理空间或波数空间进行过滤得到的。构造亚格子应力的封闭模式是实现大涡模拟的关键[8]。本文亚格子模型选用的是Smagorinsky-Lilly模式,Smagorinsky-Lilly是动态Smagorinsky模式,可有效改善Smagorinsky模式中耗散太大的缺点,利用两次不同过滤尺度的亚格子应力的关系确定涡粘系数。多孔介质选用泡沫铝,在多孔介质参数的设定中,最重要的是惯性阻力系数和黏性阻力系数。本文选用BenjaminDietrich[9]提出的公式:1=110d2h;C2=1.452dh。式中:为孔隙率;dh为水力直径;1为黏性阻力系数;C2为惯性阻力系数。1.2网格划分和边界条件设置LES模型对网格要求十分严格,要求壁面处的网格足够精密。本文均采用六面体均匀渐变结构网格,既满足了大涡模拟对网格的要求,又减少了网格数量。旋流过滤器5个工况下的模拟均采用同一套网格,网格数量为430万,传统旋流器网格数量为390万。本文入口均采用速度入口,方向与入口平面垂直,速度为3.5ms-1;溢流口、底流口和过滤流口均采用压力出口,压力为标准大气压;湍流模型为LES大涡模拟;亚格子模型为Smagorinsky-Lilly模式;压力速度耦合方法为PISO算法,压力离散为PRESTO格式。多孔介质区域阻力设置如表1所示。表1中CH表示传统旋流器,FH1,FH2,FH3,FH4,FH5表示5组不同多孔介质阻力下的旋流过滤器,且在FLUENT设置过程中,除多孔介质区域设置的不同外,其余参数设置一致。表1多孔

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