沙塵試驗箱內(nèi)部流場的數(shù)值仿真與分析

王杰葉長青孟祥瑋

（惠州出入境檢驗檢疫局廣東惠州516006）

沙塵試驗箱內(nèi)部流場的數(shù)值仿真與分析

王杰葉長青孟祥瑋

（惠州出入境檢驗檢疫局廣東惠州516006）

為了設(shè)計出符合標(biāo)準(zhǔn)要求的沙塵試驗箱，實現(xiàn)對關(guān)鍵試驗條件的準(zhǔn)確控制，有必要對沙塵在試驗箱內(nèi)部的運動情況進(jìn)行研究。采用FLUENT軟件，建立二維數(shù)學(xué)模型，對循環(huán)吹沙塵試驗箱內(nèi)部流場（空氣-沙塵兩相流）進(jìn)行數(shù)值模擬，得出了沙塵試驗箱內(nèi)部風(fēng)速和沙塵濃度分布情況。結(jié)果表明，氣流在試樣周圍產(chǎn)生繞流和漩渦，沙塵在試樣背風(fēng)面發(fā)生沉積。該結(jié)果對自行設(shè)計與研制沙塵試驗設(shè)備具有重要的指導(dǎo)意義和參考價值。

沙塵試驗；數(shù)值模擬；氣固兩相流；流場分布

1 前言

沙塵試驗是環(huán)境試驗之一，是評價產(chǎn)品對沙塵環(huán)境適應(yīng)能力的重要手段。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2423.37-2006將沙塵試驗的類型劃分為5種：交變氣壓（La1）、恒定氣壓（La2）、自由降塵（Lb）、循環(huán)吹沙塵（Lc1）以及自由吹沙塵（Lc2）。其中吹沙塵試驗條件較為復(fù)雜，試驗箱內(nèi)部風(fēng)速和沙塵濃度的大小及均勻性是影響吹沙塵試驗結(jié)果一致性的主要因素之一[1]。為了設(shè)計出符合標(biāo)準(zhǔn)要求的沙塵試驗箱，實現(xiàn)對關(guān)鍵試驗條件的準(zhǔn)確控制，有必要對沙塵在試驗箱內(nèi)部的運動情況進(jìn)行研究。本文重點研究吹沙塵試驗箱內(nèi)部的流場，為敘述簡便，下文“沙塵試驗箱”特指循環(huán)吹沙塵試驗箱。

由于流場的計算需要應(yīng)用流體力學(xué)等專業(yè)知識，對人員的要求較高，相關(guān)的研究還比較少。隨著計算機(jī)軟硬件及仿真應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）仿真技術(shù)在流體力學(xué)領(lǐng)域中得到很大發(fā)展[2]。其中FLUENT就是最具代表性的仿真軟件之一，它使用方便，可靠性高，已經(jīng)在工程實踐中得到較廣泛的應(yīng)用。本研究將采用FLUENT軟件對沙塵試驗箱的風(fēng)速和沙塵濃度分布進(jìn)行模擬，從而為沙塵試驗箱的設(shè)計與制造提供參考。

2 數(shù)學(xué)原理

沙塵在沙塵試驗箱內(nèi)部的運動為典型的氣固兩相流運動。對于氣-固兩相流，可以采用的數(shù)值模擬模型主要包括歐拉雙流體模型和拉格朗日模型。歐拉雙流體模型將兩相視作不同的兩種連續(xù)介質(zhì)，忽略單個顆粒之間的受力情況，從整體的角度對顆粒進(jìn)行受力分析，此時不考慮單個顆粒對整體的影響。拉格朗日模型將氣體視作連續(xù)介質(zhì)，固粒視作離散介質(zhì)，分析每個單元的運動情況和彼此之間的碰撞情況[3]。

考慮到試驗沙塵尺寸極為微?。?100 μm），可以認(rèn)為在試驗箱內(nèi)部為連續(xù)分布，因此研究采用氣固兩相流雙流體模型。

氣固兩相的連續(xù)性方程[4]：

動量守恒方程：

式中：α為體積分?jǐn)?shù)，ρ為密度，u為速度，τ為黏性應(yīng)力，p為氣體壓力，g為重力加速度，β為拖曳系數(shù)，ρs*為固體壓力。下標(biāo)s表示固相，g表示氣相。

3 物理模型

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2423.37-2006，吹沙塵試驗箱的結(jié)構(gòu)由鼓風(fēng)機(jī)、進(jìn)風(fēng)段（即前處理箱）、試驗箱、回風(fēng)段等部分組成循環(huán)風(fēng)道，沙塵顆粒由儲塵罐注入，與空氣混合后在進(jìn)風(fēng)段經(jīng)導(dǎo)流葉片整流后，水平流過試驗段，由回風(fēng)段流出。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 吹沙塵試驗箱結(jié)構(gòu)圖

本文主要研究進(jìn)風(fēng)段、試驗段及回風(fēng)段的流場特性，為便于計算，將問題簡化為二維模型。采用FLUENT附帶的GAMBIT軟件，建立仿真模型。確定幾何尺寸如下：左側(cè)漏斗形區(qū)域為進(jìn)風(fēng)段，其中水平部分為0.1 m×1.0 m（W×L），擴(kuò)張部分長度為0.25 m，最小寬度為0.1 m，最大寬度為0.6 m；中間為試驗段，尺寸為0.6 m×1.0 m（W×L）；右側(cè)為出口段，尺寸與進(jìn)口段相同。在進(jìn)風(fēng)口之后安裝有導(dǎo)風(fēng)板，尺寸為0.02 m×0.1 m（W×L）。試驗樣品尺寸為0.2 m× 0.1 m（W×L）。圖2是采用簡化模型的示意圖。劃分網(wǎng)格，生成網(wǎng)格總數(shù)約為43萬。經(jīng)檢查，等角失真（EquiAngle Skew）小于0.4的網(wǎng)格比例超過99%，網(wǎng)格質(zhì)量較高，可以進(jìn)行仿真。

圖2 計算區(qū)域示意圖

4 軟件設(shè)置及邊界條件

將計算網(wǎng)格導(dǎo)入FLUENT求解器，選擇多相流模型（Multiphase Models）中的歐拉模型（Eulerian Model），將空氣作為第一相，固體顆粒作為第二相；在材料（Materials）中設(shè)置材料特性。第一相空氣密度為1.225 kg/m3，粘度為1.84×10-5Pa·s；第二相沙塵密度取3000 kg/m3，體積分?jǐn)?shù)為10-5，顆粒直徑為10 μm。試驗箱內(nèi)氣流流動為二維穩(wěn)態(tài)定常流動模型，采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型。

顆粒運動時受力比較復(fù)雜。在氣固兩相流運動中，顆粒粒徑很小、濃度很稀，顆粒所受的流體曳力是最主要的，其次是重力，其他力在量級上與之相比非常小，一般可以忽略不計[5]。

邊界條件包括入口速度邊界、自由出口邊界、模型外邊界和壁面邊界，近壁區(qū)模擬采用壁面函數(shù)法。初始條件：氣流和沙塵均以20 m/s速度從進(jìn)風(fēng)口沿X軸正方向均勻進(jìn)入。

5 仿真結(jié)果及分析

經(jīng)過仿真運算，得到試驗箱內(nèi)部風(fēng)速分布圖，如圖3。圖4為樣品前方0.1 m、0.2 m、0.3 m截面的氣流速度分布。

圖3 風(fēng)速矢量圖（風(fēng)速大小以灰度深淺表示）

圖4 樣品前方3個截面（x=0.65、0.75、0.85 m）上的速度分布

圖3 表明，氣流從進(jìn)風(fēng)口流入后，經(jīng)過擴(kuò)散，發(fā)展成為均勻的水平氣流，并在試件周圍改變了流動方向。在試件正前方，風(fēng)速減弱，并從試樣周圍邊界繞流；在試樣后方，形成兩個漩渦。圖4表明，樣品對速度場的均勻性產(chǎn)生了影響，在較遠(yuǎn)的截面上風(fēng)速才基本均勻。在對風(fēng)速進(jìn)行監(jiān)測時測量點應(yīng)該遠(yuǎn)離試樣，距離應(yīng)為樣品最大幾何尺寸兩倍以上。

圖5為樣品后方0.00 m、0.01 m、0.03 m 3個截面（分別是x=1.05、1.06、1.08 m）上的沙塵濃度分布。

圖5樣品后方3個截面（x=1.05、1.06、1.08 m）上的濃度分布

圖5 表明，樣品背風(fēng)面的沙塵濃度遠(yuǎn)高于其他區(qū)域。這是因為氣流在背風(fēng)面形成漩渦，沙塵運動速度下降，受重力影響，沙塵在此集聚并沉積。在對沙塵濃度進(jìn)行控制時，應(yīng)根據(jù)濃度的監(jiān)測結(jié)果，適時向試驗箱內(nèi)注入沙塵，才能保證沙塵濃度的穩(wěn)定。

6 結(jié)語

本研究采用FLUENT軟件建立二維數(shù)學(xué)模型，對循環(huán)吹沙塵試驗箱（Lc1）內(nèi)部流場特性進(jìn)行仿真分析，形象、直觀地得出了沙塵試驗箱內(nèi)部風(fēng)速和濃度分布情況。仿真結(jié)果表明，氣流在試樣周圍產(chǎn)生繞流和漩渦，沙塵在試樣背風(fēng)面發(fā)生沉積。上述結(jié)果對自行設(shè)計與研制沙塵試驗設(shè)備具有重要的指導(dǎo)意義。需要指出的是，本研究假設(shè)的邊界條件比較理想化，實際情況比較復(fù)雜，例如入口風(fēng)速通常不均勻[6]，試驗箱內(nèi)壁面對沙塵有靜電吸附作用等。因此，對試驗箱內(nèi)部流場更準(zhǔn)確的模擬，還需要進(jìn)一步的研究。

[1]GB/T 2423.37-2006電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗第2部分試驗方法試驗L：沙塵試驗[S].

[2]張帥帥.計算流體動力學(xué)及其應(yīng)用及CFD軟件的原理與應(yīng)用[M]．武漢：華中科技大學(xué)出版社，2011：1-3.

[3]林建忠.流-固兩相擬序渦流及穩(wěn)定性[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[4]張利珍，李運澤，王俊.氣固兩相流風(fēng)洞內(nèi)顆粒運動特性研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2007，19（14）：3200-3202.

[5]高德真，李佳璐，李德臣，等.基于FLUENT氣固兩相流數(shù)值模擬與分析[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報，2015，35（4）：5-8.

[6]李紅文，張濤.文丘里管內(nèi)氣固兩相流離散相仿真模型優(yōu)化[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，31（1）：42-47.

The Stimulation and Analysis of the Gas-Solid Two-Phase Flow in Dust and Sand Test Chamber

WANG Jie，YE Changqing，MENG Xiangwei
（Huizhou Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，Huizhou，Guangdong，516006）

Stimulate the gas-solid two-phase flow in the dust and sand test chamber with Euler-Euler Model，using computational fluid dynamics software FLUENT.The stimulation results indicate that the air flows around the test sample and generates vortex behind it，and the sand particles concentrate in the back side of the test sample.The result provides useful information for the design and manufacture of the sand and dust test equipment.

Sand and Dust Test；Numerical Simulation；Gas-Solid Two-Phase Flow；Mass Distribution

O359

E-mail：wangj@hz.gdciq.gov.cn

國家質(zhì)檢總局科技計劃項目（2015IK072）

20160-08-04