非穩(wěn)態(tài)旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕流場數(shù)值分析及實驗研究

林愛暉，李永存

(1.湖南城建職業(yè)技術(shù)學(xué)院設(shè)備系，湖南湘潭411101;2.湖南科技大學(xué)能源與安全工程學(xué)院，湖南湘潭411201)

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)過程中散發(fā)的各種有害物如不加以控制，會使環(huán)境受到污染和破壞，危害人類健康?？刂乒I(yè)粉塵對室內(nèi)外空氣環(huán)境的影響和破壞，是當(dāng)前亟待解決的問題［1］。利用平面風(fēng)幕來隔斷空間的研究已取得很大進(jìn)展，而且這種技術(shù)也相當(dāng)成熟。但利用特殊風(fēng)幕(旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕)來控制粉塵的研究卻起步較晚，尚有許多問題需要解決。

氣幕旋風(fēng)排風(fēng)罩是利用人工龍卷風(fēng)的原理來控制和捕集粉塵的，與傳統(tǒng)的平面風(fēng)幕相比，旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕除注重了工作面粉塵的控制之外，還能用較小的排風(fēng)量即可有效排除粉塵，提高工作人員工作區(qū)的空氣品質(zhì)，改善環(huán)境。對于氣幕旋風(fēng)排風(fēng)罩的有關(guān)研究，目前主要側(cè)重于實驗方法，數(shù)值分析與實驗相結(jié)合的方法卻很少［2］。針對氣幕旋風(fēng)排風(fēng)罩控塵特性，借助紊動射流、流體力學(xué)等理論，在一些基本假設(shè)條件上，建立了氣幕旋風(fēng)排風(fēng)罩流場的數(shù)學(xué)模型。并利用CFD商用軟件FLUENT研究其流場，不僅能對該裝置的流場在實驗前有個清晰的認(rèn)識，而且還能拓寬和完善旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕控塵理論，具有一定的現(xiàn)實意義。

1 非穩(wěn)態(tài)旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕流場

氣幕旋風(fēng)排風(fēng)罩是利用人工產(chǎn)生的氣旋捕集和控制粉塵，在它的四角安裝四根送風(fēng)立柱，以一定的角度按同一旋轉(zhuǎn)方向側(cè)吹出連續(xù)的氣幕，形成氣幕空間，在氣幕中心上方設(shè)立排風(fēng)口。在旋流中心，由于吸氣而產(chǎn)生負(fù)壓，這負(fù)壓核心使旋轉(zhuǎn)氣流受到向心力的作用;同時氣流在旋轉(zhuǎn)過程中又受到離心力的作用，在向心力和離心力平衡的范圍內(nèi)，旋轉(zhuǎn)氣流形成漩渦，渦流收束于負(fù)壓核心并朝向排風(fēng)口。它是由吹吸氣流共同作用的，而吹吸氣流是吹風(fēng)射流和吸風(fēng)射流相互作用、相互影響的復(fù)雜氣流。

當(dāng)Re＞30時［3-5］射流就變成紊流，實際射流幾乎都是紊流射流。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 基本假設(shè)

為了方便計算，將該模型簡化，并做出如下假設(shè):

1)送風(fēng)氣流可視為不可壓縮氣流，且為常溫。

2)忽略重力，假設(shè)壁面絕熱。

3)四根送風(fēng)立柱的送風(fēng)量相等，速度大小和分布相同。

4)四根送風(fēng)立柱的送風(fēng)角度相等。

5)送風(fēng)口寬度一致。

6)采用控制容積法進(jìn)行計算時，假設(shè)選取的控制容積足夠大，將風(fēng)幕對環(huán)境空氣的影響控制在所選取的控制容積之內(nèi)，而對控制容積之外的環(huán)境沒有影響。

7)為了方便數(shù)值計算，送風(fēng)口采用條縫形風(fēng)口。

2.2 控制方程組［6］

要對風(fēng)幕進(jìn)行數(shù)值模擬，必須將控制流體的流動、傳熱傳質(zhì)及其他過程表示成數(shù)學(xué)形式，通常表示成控制微分方程的形式，采用的控制方程包括:

1)連續(xù)方程:

式中，u，v，w分別為x，y，z方向的速度，m/s;

2)動量方程:

式中，ρ為密度，kg/m3;μ為動力粘度，Pa·s;p為壓力，Pa。

2.3 k-ε湍流模型

風(fēng)幕的流動為湍流，采用k-ε湍流模型進(jìn)行計算。旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕的k-ε湍流模型如下:

1)k方程:

2)ε方程:

式中，k為紊流脈動動能，J;ε為紊流能量耗散率，J/s。

2.4 邊界條件

進(jìn)口邊界(送風(fēng)口邊界):在此邊界上施加速度進(jìn)口計算條件。在計算過程中，近似認(rèn)為風(fēng)幕風(fēng)口為均勻單向流動，由于射流速度遠(yuǎn)大于脈動速度，因此橫向速度可以忽略，僅考慮主流速度。

出口邊界(排風(fēng)口):已知該出口的速度，對該邊界施以速度入口，在設(shè)置邊界條件時速度值設(shè)為負(fù)值。

出口邊界(周圍四面):由于該邊界上的速度和壓力均為未知的情形，故選自由出流。

壁面邊界:所有壁面均施加無滑移固體邊界條件，即ui=0;壁面以絕熱對待;垂直于壁面上的壓力梯度為0;采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

內(nèi)部面邊界:劃分網(wǎng)格時建立的輔助面，設(shè)為內(nèi)部面，流體可自由穿過此面。

3 數(shù)值計算結(jié)果及分析

無論哪種排風(fēng)罩，都希望在有效地吸走污染氣體的同時，排風(fēng)量越小越好。對于懸掛式排風(fēng)罩，其排風(fēng)量隨著罩口離污染源距離的增大而增大。罩口附近速度場衰減很快，排風(fēng)罩離污染源愈近，效果愈好。旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕排風(fēng)罩的捕集效果不直接與排風(fēng)口離污染源的距離有關(guān)，而是與形成穩(wěn)定旋風(fēng)的條件有關(guān)，即與送風(fēng)立柱的送風(fēng)量及排風(fēng)罩的排風(fēng)量有著密切的關(guān)系。由于排風(fēng)口的負(fù)壓作用，使得送風(fēng)射流的內(nèi)側(cè)向里彎曲，并且在以立柱的射流對相鄰立柱的卷吸、誘導(dǎo)作用下，形成旋轉(zhuǎn)氣流(人工旋風(fēng))。在一定送風(fēng)量下，變化排風(fēng)量，其他送風(fēng)參數(shù)不變，進(jìn)行數(shù)值模擬。圖1～4為離地面高0.7m的截面壓力速度分布圖。從圖中可以看出，增加排風(fēng)量，軸心速度和中心靜壓的絕對值增加很小，即，作為污染物載體的空氣流量增加很少。而排風(fēng)量的增加，實質(zhì)上主要是增加了排風(fēng)口附近的空氣流量。

4 實驗研究

在進(jìn)行試驗前搭建了一個氣幕旋風(fēng)排風(fēng)罩裝置。所有數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬采用的數(shù)據(jù)一致，對不同排風(fēng)量下的情況進(jìn)行實驗驗證，采用示蹤煙霧法在實驗室進(jìn)行實驗，實驗結(jié)果與數(shù)值模擬的結(jié)果相符合，證明所建立的數(shù)學(xué)模型是正確的。見圖5和圖6。

圖1 排風(fēng)量為346m3/h的壓力場

圖2 排風(fēng)量為346m3/h的適度等值線

圖3 排風(fēng)量為518m3/h的壓力場

圖4 排風(fēng)量為518m3/h的速度等值線

圖5 排風(fēng)量為346m3/h的效果圖

圖6 排風(fēng)量為516m3/h的效果圖

5 結(jié)論

1)送風(fēng)量一定，增加排風(fēng)量，軸心速度和中心靜壓的絕對值增加很小，即，作為污染物載體的空氣流量增加很少。而排風(fēng)量的增加，實質(zhì)上主要是增加了排風(fēng)口附近的空氣流量。

2)實驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果是相符的，相應(yīng)地也證明了所建立的數(shù)學(xué)模型的正確性。

［1］ 孫一堅.工業(yè)通風(fēng)(第三版)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1994.

［2］ 陸亞俊，洪中華，刑元福.氣幕旋風(fēng)排氣罩的實驗研究［J］.通風(fēng)除塵，1992，(4):31-35.

［3］ 劉亞俊，葛少成，劉劍.風(fēng)幕集塵風(fēng)機(jī)及其短路流場的數(shù)學(xué)模型研究［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報，2002，(1):69-72.

［4］ 余常昭.紊動射流［M］.北京:高等教育出版社，1993.

［5］ 平浚.射流理論基礎(chǔ)及理論［M］.北京:宇航出版社，1995.

［6］ 王福軍.計算流體動力學(xué)分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.