污泥熱風(fēng)射流干化風(fēng)流場(chǎng)特性研究

【摘 要】介紹了研究太陽能污泥干化室風(fēng)流場(chǎng)的重要性，提出基于Fluent軟件的RANS法的RNG k-epsilon湍流模型，建立單個(gè)風(fēng)機(jī)和群機(jī)的局部對(duì)稱模型模擬干化室近地面流場(chǎng)速度特征，結(jié)合物模試驗(yàn)和原型觀測(cè)對(duì)模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，最后提出了比較合理的風(fēng)機(jī)布置方案。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)機(jī)；湍流模型；風(fēng)流場(chǎng)；污泥干化

0.前言

污泥熱風(fēng)射流干化作為一種新型的污泥干化技術(shù)，結(jié)合了傳統(tǒng)的污泥干化手段，利用太陽輻射熱能和射流技術(shù)對(duì)污泥進(jìn)行批量干化處理，在提高干化效率的同時(shí)減少了能耗。由于太陽能利用的限制性，干化室內(nèi)部風(fēng)流場(chǎng)的控制研究就顯得尤為重要。目前關(guān)于氣流組織形態(tài)研究的主要方法是基于CFD軟件的數(shù)值模擬，它具有成本低，精度高，適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，傳統(tǒng)的理論分析和模型試驗(yàn)因?yàn)樽陨淼木窒扌灾饾u成為輔助驗(yàn)證的手段。因此，本文結(jié)合流體力學(xué)等相關(guān)理論知識(shí)基于Fluent軟件對(duì)太陽能干化室內(nèi)部風(fēng)流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并進(jìn)行了相關(guān)模型試驗(yàn)和原型觀測(cè)作為對(duì)比驗(yàn)證。

1.風(fēng)流場(chǎng)特性研究方法

太陽能干化室內(nèi)，風(fēng)機(jī)架設(shè)在空間中上部垂直向污泥表面送風(fēng)，送風(fēng)口斷面為的正方形，氣體出流認(rèn)為是具有一定速度的均勻射流。由于送風(fēng)口距離干化室地面的流程較短，而射流流速較大，所以氣體射流的擴(kuò)散主要受到垂直速度方向的地面邊界影響，認(rèn)為屬于非貼附型高雷諾數(shù)受限對(duì)稱紊動(dòng)射流。風(fēng)機(jī)頻率恒定時(shí)射流充分發(fā)展后的干化室內(nèi)部空間氣流是處于穩(wěn)定態(tài)的湍流。

太陽能干化室內(nèi)風(fēng)機(jī)布置方式的不同將顯著影響風(fēng)流場(chǎng)的特性，在干化室尺寸確定的情況下，改變風(fēng)機(jī)的高度、頻率、出風(fēng)口面積以及排列方式均會(huì)對(duì)風(fēng)流場(chǎng)的組織形態(tài)產(chǎn)生影響，而實(shí)際應(yīng)用中近污泥面的表面流速狀態(tài)是具有研究?jī)r(jià)值的。

1.1建立湍流模型

目前湍流的數(shù)值模擬方法主要有三種：直接數(shù)值模擬（DNS），雷平均NS方程（RANS）和大渦模擬（LES）。綜合考慮下選用RANS法的RNG k-epsilon三維湍流模型，該模型由標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon模型變化而來，具有更廣的適用性和可靠度。在不顯著影響計(jì)算結(jié)果的前提下作如下接近實(shí)際情況的假設(shè)：

（1）干化室內(nèi)部為不可壓縮氣體并符合Boussinessq假設(shè)，內(nèi)部氣密性良好。

（2）充分發(fā)展后的空間內(nèi)風(fēng)流場(chǎng)為穩(wěn)定態(tài)湍流，氣體各向同性。

（3）氣體流速較低，風(fēng)流場(chǎng)具有高雷諾數(shù)。

（4）不考慮能量耗散。

風(fēng)流場(chǎng)的湍流模型包括單機(jī)和群機(jī)的局部對(duì)稱模型，模型尺寸均按照實(shí)際尺寸建立。

1.2物模及原型觀測(cè)

計(jì)算得到單臺(tái)風(fēng)機(jī)的垂直輻射面積約33平方米，按1：1比例建立6×6×4m單風(fēng)機(jī)局部物理模型，采用LVFSC-11光電式風(fēng)速傳感器的風(fēng)杯風(fēng)速儀沿風(fēng)機(jī)中心水平發(fā)散方向布置測(cè)點(diǎn)，變換頻率、高度進(jìn)行近地面風(fēng)速特征值測(cè)定。原型觀測(cè)為干化室現(xiàn)場(chǎng)的近地面風(fēng)速特征值測(cè)定。

2.數(shù)值模擬結(jié)果及分析

本文將單風(fēng)機(jī)物理模型測(cè)得的近地面風(fēng)速數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬相同工況下計(jì)算得到的風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如下圖所示：

圖 1 出風(fēng)口速度5m/s時(shí)近地面風(fēng)速值

可以看出，模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果是比較一致的，在水平距離風(fēng)機(jī)中心約1.0m處風(fēng)速達(dá)到峰值，符合的比較好，因此認(rèn)為數(shù)值計(jì)算的結(jié)果是具有可信度的。

改變影響風(fēng)流場(chǎng)的各類條件進(jìn)行單機(jī)湍流模型的數(shù)值計(jì)算，結(jié)果表明：

（1）風(fēng)機(jī)頻率越高，即轉(zhuǎn)速越大，風(fēng)機(jī)的風(fēng)速相應(yīng)也越大，此時(shí)近地面風(fēng)速的峰值呈線性遞增，峰值位置不變。

（2）風(fēng)機(jī)高度的變化對(duì)近地面風(fēng)速的大小和分布形態(tài)基本無影響，根據(jù)自由射流相關(guān)理論解釋為出風(fēng)口距離地面較近，風(fēng)速較大時(shí)，射流發(fā)展位于起始段，該段過程中卷吸周圍空氣導(dǎo)致速度衰減的變化量很小，因此射流沖擊地面輻散后的表面流速無顯著變化。

（3）風(fēng)機(jī)出風(fēng)口面積對(duì)于近地面風(fēng)速影響較大，且出風(fēng)口面積相對(duì)于干化室有效斷面面積較小時(shí)，速度峰值會(huì)顯著減小，而超過某個(gè)比例后則基本不增加，因此在保證近地面風(fēng)速較大的情況下，出風(fēng)口面積盡量減小是比較合理的選擇。另外，出風(fēng)口面積的增大會(huì)導(dǎo)致峰值位置遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)中心。

與單機(jī)模型類似，將原型觀測(cè)數(shù)據(jù)與群機(jī)湍流數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果吻合的較好。群機(jī)湍流模型主要研究風(fēng)機(jī)的不同布置方式對(duì)近地面風(fēng)速的影響。理想條件下單個(gè)風(fēng)機(jī)對(duì)于近地面的風(fēng)流場(chǎng)輻射范圍必定是以射流方向?yàn)檩S旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，呈圓形斷面向外發(fā)散，所以可以認(rèn)為干化室內(nèi)風(fēng)機(jī)的有效影響面為直徑相同的圓，有效面積指的是不小于某一近地面風(fēng)速最小值的最大圓面積，這樣才能夠使得污泥干化充分。另一方面，相鄰風(fēng)機(jī)的有效圓接觸的部分風(fēng)速必然受影響并減小，所以最合理最高效的風(fēng)機(jī)布置方式應(yīng)該是正三角形排布，這樣既能保證有效圓覆蓋的污泥面積最大，并且風(fēng)流場(chǎng)之間的相互抵消作用最小，減少能耗并提高干化污泥的產(chǎn)量。

利用群機(jī)湍流模型模擬了不同正三角形邊長(zhǎng)情況下近地面的風(fēng)速分布情況，研究表明在風(fēng)機(jī)頻率、高度和出風(fēng)口面積一定時(shí)，正三角形邊長(zhǎng)為6m左右時(shí)布置風(fēng)機(jī)得到的近地面風(fēng)流場(chǎng)是比較好的。近地面速度等值線圖如下：

圖 2 風(fēng)機(jī)中心距6m時(shí)近地面風(fēng)速等值線圖

圖2中給出了一張風(fēng)機(jī)風(fēng)速5m/s時(shí)具有代表性近地面風(fēng)速等值線圖，中心淺色的圓圈是風(fēng)機(jī)中心的垂直投影，輻射半徑不到0.5m，此處風(fēng)速受壁面影響很大，風(fēng)速在1.0m/s左右波動(dòng)。向外發(fā)展的環(huán)形區(qū)域風(fēng)速較大，影響半徑范圍在0.5-2.9m左右，速度域在2-3.2m/s，該環(huán)形區(qū)域?qū)τ谖勰喔苫募铀傩Ч鞘置黠@的。同時(shí)相鄰風(fēng)機(jī)間的風(fēng)流場(chǎng)抵消影響也降到了令人滿意的程度。所以這種形式的風(fēng)機(jī)布置方式得到了理論和數(shù)值驗(yàn)證的有力支持，對(duì)提高干化效率有很大幫助。

4.結(jié)語

本文對(duì)污泥太陽能干化室的風(fēng)流場(chǎng)特性研究主要體現(xiàn)在近地面風(fēng)流場(chǎng)的影響控制，利用Fluent計(jì)算軟件建立湍流模型解算不同工況，并結(jié)合物模試驗(yàn)和原型觀測(cè)數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證，期望找到風(fēng)機(jī)的最優(yōu)設(shè)置及群機(jī)最優(yōu)布置方式用于提高污泥的整體干化效率，并提出了較為可靠的布置方案。而對(duì)于干化室大空間內(nèi)湍流發(fā)展情況的進(jìn)一步研究也是十分必要的，在考慮能量耗散的情況下，空間溫度場(chǎng)和濕度場(chǎng)的分布對(duì)于污泥干化的影響也十分顯著，此時(shí)空間內(nèi)風(fēng)流場(chǎng)的特性研究會(huì)比那得更為復(fù)雜，需要我們進(jìn)行更為深入的探究。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

[1]李先庭，趙彬.室內(nèi)空氣流動(dòng)數(shù)值模擬[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.

[2]周沛麗.運(yùn)用Fluent對(duì)室內(nèi)氣流組織的模擬研究[D].華南理工大學(xué)，2005.

[3]王漢青.高大空間多射流湍流場(chǎng)的大渦數(shù)值模擬研究[D].湖南大學(xué)，2003.

[4]張華.室內(nèi)受限射流通風(fēng)流場(chǎng)理論分析與求解[D].西安建筑科技大學(xué)，2011.

[5]任艷麗.高大空間氣流組織數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究[D].天津大學(xué)，2008.

[6]馮慧.非等溫水平貼附射流數(shù)值模擬[D].西安建筑科技大學(xué)，2007.

[7]蔣悅波.分體式空調(diào)室外機(jī)周圍熱環(huán)境研究[D].天津商業(yè)大學(xué)，2013.

[8]熊莉芳，林源等.k-epsilon湍流模型及其在Fluent軟件中的應(yīng)用[J].工業(yè)加熱，2007.