沙塵掠過圓管氣固兩相流數(shù)值模擬

司小雨+駱清國+桂勇+周亮+劉紅彬+孫志新

摘 要：為計(jì)算沙塵對圓管散熱性能的影響規(guī)律，根據(jù)其幾何參數(shù)建立了計(jì)算域物理模型，然后基于Fluent數(shù)值仿真軟件，采用離散相模型（discrete phase model，DPM）和相間耦合的SIMPLE算法，對圓管氣側(cè)和水側(cè)流場進(jìn)行三維數(shù)值仿真計(jì)算，研究結(jié)果表明：沙塵顆粒的加入有利于提高散熱效果，同時(shí)氣側(cè)換熱系數(shù)隨沙塵體積分?jǐn)?shù)的增大而增大，隨粒徑的增大而減小。

關(guān)鍵詞：圓管；氣固兩相流；離散相模型

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.236

裝甲車輛在行駛過程中極易誘發(fā)沙塵環(huán)境，將會對散熱器性能發(fā)揮產(chǎn)生重要影響[1]，因此研究沙塵對散熱器散熱性能的影響規(guī)律具有重要意義。

由于沙塵在散熱器內(nèi)流動形式主要是沖刷管束，因此本文以圓管為研究對象，采用歐拉-拉格朗日法[2]，利用離散相模型（discrete phase model，DPM）和相間耦合的SIMPLE算法，對圓管氣側(cè)和水側(cè)流場進(jìn)行三維數(shù)值仿真計(jì)算，研究了沙塵對散熱器散熱性能影響規(guī)律，為散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 物理模型及網(wǎng)格劃分

根據(jù)圓管幾何參數(shù)，利用Pro/E軟件建立三維實(shí)體模型和氣、水兩側(cè)計(jì)算域，然后利用Mesh網(wǎng)格劃分工具對計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到網(wǎng)格總數(shù)323266個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)189684個(gè)，三維實(shí)體模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示。

2 邊界條件和初始條件

數(shù)值模擬中，邊界條件的準(zhǔn)確性對計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生重要影響，本研究主要包括以下四類邊界條件：

（1）入口邊界條件：入口均采取速度邊界條件，速度方向與入口平面垂直，速度和溫度根據(jù)實(shí)際工況設(shè)定。

（2）出口邊界條件：出口邊界均采用壓力出口邊界條件，相對大氣壓力的值為0Pa。

（3）固體壁面邊界條件：除了入口、出口和內(nèi)部邊界條件以外，其他的都默認(rèn)為壁面邊界，熱輻射較小，忽略不計(jì)。

（4）離散相邊界條件：采用隨機(jī)軌道模型，入口和出口設(shè)置為逃逸條件，壁面處設(shè)置為反射條件。

鄧鶴鳴[3]等人在研究沙塵天氣中沙粒對放點(diǎn)的影響時(shí)，測得沙塵顆粒的物理性質(zhì)如表1所示：

根據(jù)Geldart[4]顆粒分類法的適用條件，本文在模擬時(shí)選取0.12mm、0.42mm、0.78mm三種顆粒進(jìn)行研究。

3 結(jié)果分析

將劃好的網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent軟件，對求解器和邊界條件進(jìn)行設(shè)置，對整個(gè)區(qū)域進(jìn)行初始化，采用穩(wěn)態(tài)方式進(jìn)行模擬。

3.1 沙塵顆粒粒徑對散熱的影響

通過圖2可以看出，氣側(cè)換熱系數(shù)隨著顆粒粒徑的增大而減小。這是由于隨著顆粒粒徑的增大，單位時(shí)間內(nèi)與換熱面碰撞的顆粒數(shù)量減少，對換熱面邊界層的破壞效果減弱，降低了散熱效果。

3.2 沙塵顆粒體積分?jǐn)?shù)對散熱的影響

通過圖3可以看出，氣側(cè)換熱系數(shù)隨著沙塵顆粒體積分?jǐn)?shù)的增大而增大。這是由于隨著沙塵顆粒體積分?jǐn)?shù)的增大，增加了顆粒與換熱面碰撞的概率，增強(qiáng)了對換熱面邊界層的破壞效果，提高了散熱效果。

4 結(jié)論

本文考慮了氣固兩相及風(fēng)側(cè)和水側(cè)間的耦合作用，采用Fluent軟件對沙塵掠過圓管氣固兩相流進(jìn)行仿真計(jì)算，較好地模擬了沙塵的運(yùn)動軌跡及對散熱的影響，通過研究得出如下結(jié)論：

（1）顆粒粒徑增大，降低了顆粒與壁面的碰撞頻率，減弱了對換熱面邊界層的破壞效果，降低了散熱效果。

（2）沙塵顆粒體積分?jǐn)?shù)增大提高，增加了顆粒與換熱面接觸與碰撞的概率，增強(qiáng)了對換熱面邊界層的破壞效果，提高了散熱效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]張鈞享.高機(jī)動性運(yùn)載車輛動力系統(tǒng)[M].北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2000.

[2]Gidaspow D. Multiphase Flows and Fluidization[J].San Diego：Academic Press Inc，1994：86-119.

[3]鄧鶴鳴，何正浩，馬軍，許宇航，朱路，郭潤凱.沙塵天氣下大沙粒對放點(diǎn)發(fā)展的影響[J].高電壓技術(shù)，2010，36（05）：1246-1252.

[4]漆海峰.煤粉的流動性對比研究及其影響因素分析[D].廣東： 華南理工大學(xué)，2012.

作者簡介：司小雨（1986-），男，碩士研究生，研究方向：裝甲車輛動力系統(tǒng)總體技術(shù)。