結(jié)構(gòu)形式對擋板出口截面流體力學(xué)性能的影響

張海春， 周圓圓， 龔 斌， 吳劍華， 張 靜

(1.長春中車軌道車輛有限公司， 吉林 長春 130052；2.沈陽化工大學(xué) 遼寧省化工新技術(shù)轉(zhuǎn)移推廣中心， 遼寧 沈陽 110142)

車輛清洗是提高軌道服務(wù)質(zhì)量的一項(xiàng)重要措施.洗車污水的濁度較高，含有大量的較細(xì)泥沙顆粒.一般要對沙水進(jìn)行重力分離，以達(dá)到污水排放標(biāo)準(zhǔn).分層器是一種應(yīng)用廣泛的沙水重力分離設(shè)備，通常會在分層器入口添加防沖擊結(jié)構(gòu)，吸收流體介質(zhì)的動能，改善分層器內(nèi)已分層物料流場的分布狀況.在非均相重力分離的實(shí)際應(yīng)用中，進(jìn)料口處設(shè)置擋板可以明顯減小流場內(nèi)的回流面積，增大有效流動區(qū)域，提高分離效率，這為分層器的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供了參考[1].擋板的最佳位置是在回流區(qū)域，可用來破壞回流區(qū)，提高分層器的運(yùn)行效率[2].在入口布置一塊徑向擋板和兩塊軸向擋板，以三塊擋板構(gòu)成的出口截面作為分層器主流場入口，其流動狀態(tài)對分離效率至關(guān)重要.張靜等[3]運(yùn)用模擬的方法對擋板局域內(nèi)沖擊射流受擋板曲率和沖擊間距的影響進(jìn)行分析，預(yù)測了滯點(diǎn)壓力和沖擊力，并利用速度場解釋了局域壓力場成因.然而，對于擋板局域和分層器內(nèi)關(guān)聯(lián)的重要環(huán)節(jié)——擋板出口截面沒有進(jìn)行詳盡分析.

沖擊射流具有獨(dú)特的流動現(xiàn)象.Cooper[4]、Craft[5]和Ashforth-Frost等[6]對沖擊射流的流動結(jié)構(gòu)進(jìn)行了精確的實(shí)驗(yàn)測量和數(shù)值計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在剪切層和噴嘴入口附近產(chǎn)生漩渦，其形成與射流出口雷諾數(shù)、是否受限和沖擊高度相關(guān).Ozmen等[7]利用熱線風(fēng)速儀研究發(fā)現(xiàn)，近壁面徑向湍流強(qiáng)度存在兩個峰值，徑向擋板徑向壓力系數(shù)分布與沖擊寬度相關(guān).毛軍逵等[8]通過煙線流動可視化方法研究了柱面擋板，其中，凹柱面隨沖擊雷諾數(shù)Re的增加，在沖擊滯止區(qū)域兩側(cè)形成穩(wěn)定的旋流結(jié)構(gòu)，高壓區(qū)逐漸增強(qiáng)；而凹柱面上的流動不穩(wěn)定性降低并易形成回流[9-10]. Madarame 等[11]研究表明，對于向上平面射流撞擊自由面的自感振蕩，脈線法是CFD模擬的有效驗(yàn)證方法和可視化補(bǔ)充.Torré等[12-13]利用脈線法表示沖擊射流軌跡，實(shí)驗(yàn)和CFD結(jié)果吻合度較高，使用統(tǒng)計(jì)分析建立的相關(guān)性表明，對于橫流模型中的射流，脈線法能很好地描述射流軌跡.

針對擋板局域范圍內(nèi)沖擊射流受限流動，本文采用脈線法與CFD模擬相結(jié)合，對擋板局域示蹤劑濃度及出口截面上流場分布特性進(jìn)行分析.通過示蹤劑對沖擊射流軌跡的可視化演示，探討擋板作用下受限沖擊射流流動特性.分析凹柱面(K>0)、平面(K=0)、凸柱面(K< 0)三種擋板形式對擋板局域受限射流出口截面上流體力學(xué)性能的影響，為立式圓筒體分層器內(nèi)非均相分離提供基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù).

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型

為分析擋板形式對擋板內(nèi)及出口局域示蹤劑濃度場的影響，本文的物理模型參照文獻(xiàn)[3]所示結(jié)構(gòu)，附加示蹤劑加料管，如圖1所示.示蹤劑加料管為壁厚1 mm圓管，出口與主流體入口平齊.分層器抽象模型具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1.其中，擋板相對曲率定義為

表1 分層器抽象模型結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 分層器抽象模型簡圖

K=d/2R.

(1)

1.2 網(wǎng)格分布

本文是在文獻(xiàn)[3]的基礎(chǔ)上作進(jìn)一步研究，網(wǎng)格方案、邊界條件及模型選擇均沿用該文獻(xiàn)的結(jié)論.立式分層器內(nèi)流場整體劃分邊長為8 mm的四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格.利用四面體網(wǎng)格邊上增加節(jié)點(diǎn)的方法，對入口局域長×寬×高=120 mm×120 mm×120 mm的正方體區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密.對平擋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性研究表明，未加密、一次加密、二次加密網(wǎng)格與三次加密網(wǎng)格的入口中心線上速度偏差分別為14.7 %、5.4 %、2.3 %.選擇二次加密網(wǎng)格作為網(wǎng)格劃分方案，三種擋板結(jié)構(gòu)水平對稱面上網(wǎng)格分布及對應(yīng)單元網(wǎng)格體積如圖2所示.計(jì)算域內(nèi)總網(wǎng)格為240～279萬，細(xì)化區(qū)域單元網(wǎng)格體積范圍在0.338～2.47 mm3.

圖2 網(wǎng)格分析

1.3 模型選擇及邊界條件

研究介質(zhì)為不可壓縮流體水(ρ=998.2 kg/m3，μ=1.003×10-3Pa·s)，湍流雷諾數(shù)范圍為Re=3 000～11 000，定性尺寸為入口管直徑d=30 mm.采用Realizablek-ε湍流模型對研究對象進(jìn)行模擬計(jì)算.入口為均勻速度入口，所有壁面為光滑無滑移壁面，圓筒體上下截面設(shè)置為壓力出口邊界，上下截面表壓分別為100 mm(979.2 Pa)和1 000 mm(9 792.3 Pa)水柱.

為了與實(shí)驗(yàn)做對比研究，對Re=7 000(uin=0.234 m/s)條件下進(jìn)行示蹤劑擴(kuò)散數(shù)值模擬.其中，水循環(huán)入口中心位置設(shè)置直徑為1.0 mm的圓截面作為示蹤劑入口，在穩(wěn)態(tài)單相流計(jì)算過程中，該圓截面設(shè)置為壁面，數(shù)值計(jì)算的收斂極限設(shè)置為10-4.穩(wěn)態(tài)計(jì)算收斂結(jié)束，模型修改為非穩(wěn)態(tài)兩相流混合模型.基礎(chǔ)相和第二相(示蹤劑)均為不可壓縮水，直徑為1.0 mm的圓截面修改為速度入口，速度為0.234 m/s，第二相含率為1.第二相離散采用二階迎風(fēng)格式，時間步為0.001 s，最大迭代次數(shù)20次，每隔1 s保存一個計(jì)算結(jié)果.

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

為減小分層器出口對流體流動的影響，將圖1結(jié)構(gòu)放置于1 000 mm×1 000 mm×1 000 mm方箱體中，上下留出100 mm空間，如圖3(a)所示，使流體出口設(shè)置在圓筒體上下截面上，對擋板局域流體影響最小.為節(jié)約成本，三種形式徑向擋板利用UPBOX 3D打印機(jī)制作，并增加護(hù)板，擋板與護(hù)板如圖3(b)所示.在安裝三種徑向擋板時，通過護(hù)板保持出口截面寬度b=35 mm，而且保證徑向擋板受流體沖擊時位置穩(wěn)定.

2.2 實(shí)驗(yàn)流程及方法

實(shí)驗(yàn)流程由水循環(huán)系統(tǒng)、示蹤劑添加系統(tǒng)、拍攝系統(tǒng)3部分組成，如圖4所示.水循環(huán)系統(tǒng)中，先在箱體中注滿水，再啟動循環(huán)泵，閥門全開以排凈循環(huán)系統(tǒng)中空氣.調(diào)整閥門，控制入口流量.在方箱外側(cè)局域出口對應(yīng)位置，下軸向擋板外表面均貼附亞光白紙，降低背景對拍攝的影響，為后處理提供最佳圖像.同時，出口側(cè)上軸向擋板和護(hù)板側(cè)面貼附刻度尺[如圖3(b)]，為定量判定示蹤劑分布提供輔助參考.

圖4 實(shí)驗(yàn)流程裝置

選擇酸性墨水藍(lán)溶液作為示蹤劑.示蹤劑添加系統(tǒng)由示蹤劑容器、蠕動泵、輸送管線組成.水循環(huán)系統(tǒng)流量穩(wěn)定后，啟動蠕動泵，流量控制在10 mL/min，與模擬示蹤劑速度保持一致，水循環(huán)系統(tǒng)流量計(jì)測量誤差為5‰.一定時間后可見示蹤劑流出，關(guān)閉蠕動泵，等待拍攝.

拍攝系統(tǒng)由兩個攝像機(jī)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，相機(jī)1得到Z軸法向面圖像，相機(jī)2得到X軸法向面即擋板出口截面圖像，由軟件控制兩個攝像機(jī)同步.先啟動攝像機(jī)，再啟動蠕動泵，連續(xù)拍攝.對拍攝圖像取數(shù)值模擬對應(yīng)時刻進(jìn)行后處理.

2.3 模擬與實(shí)驗(yàn)比較

圖5對入口Re=7 000，t=1 s，2 s，3 s，4 s四個時間點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)和CFD模擬的示蹤劑濃度分布作出描述.從X軸法向面圖像可以看出：示蹤劑經(jīng)歷了噴出t=1 s→撞擊徑向擋板t=2 s→向上下軸向擋板流動，受軸向擋板限制沿平擋板表面向圓筒體壁面流動t=3 s→遇壁面再向入口流動，與入口流體匯合再流向徑向擋板t=4 s.從三種類型擋板t=4 s圖像可以看出：擋板內(nèi)流體以入口水平對稱面為基準(zhǔn)形成上下兩個對稱的旋流結(jié)構(gòu)，在擋板沖擊區(qū)流動趨勢相同，壁面射流區(qū)差異不明顯.濃度分布規(guī)律與文獻(xiàn)[3]對速度場的研究結(jié)論一致.

圖5 擋板出口截面示蹤劑濃度分布(Re=7 000)

圖5中多個時間點(diǎn)示蹤劑濃度分布云圖與CFD模擬結(jié)果類似.運(yùn)用matlab對實(shí)驗(yàn)圖像進(jìn)行處理，不同濃度所占面積的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合程度達(dá)到90 %，從側(cè)面說明了該模擬方案對擋板內(nèi)流場預(yù)測的可行性.

3 擋板形式對出口截面流動特性的影響

擋板出口截面是流體在擋板內(nèi)流動與分離器內(nèi)流動的分界面，該截面上的流動特性直接決定了分離器內(nèi)流體的流動特性.現(xiàn)針對不同結(jié)構(gòu)擋板進(jìn)行數(shù)值模擬分析，深入探究出口截面上流動參數(shù)的差異，為分離器入口擋板設(shè)計(jì)提供理論依據(jù).

3.1 靜壓力

對三種形式徑向擋板出口截面靜壓力進(jìn)行分析，定義靜壓力系數(shù)為

(2)

圖6描述了擋板形式對出口截面靜壓力系數(shù)分布的影響.在出口截面上，以水平對稱面為基準(zhǔn)形成上下兩個對稱的負(fù)壓區(qū)域.通過比較發(fā)現(xiàn)：隨著徑向擋板曲率減小，負(fù)壓中心向上下兩側(cè)軸向擋板趨近.其中，K=0.1的Cp≤-0.1區(qū)域面積最大，占出口截面總面積的69.3 %；K=0面積最小，Cp≤-0.1區(qū)域面積占總面積的48.4 %；K=-0.1的Cp≤-0.1區(qū)域面積占總面積的57.5 %.出口截面壓力低于設(shè)備入口壓力的主要原因是流動受上下軸向擋板的限制，形成對稱旋流結(jié)構(gòu)，出口截面上兩個對稱的低壓區(qū)成為回流形成的主要誘因.

圖6 靜壓力系數(shù)分布(Re=7 000)

3.2 回流比

在立式圓筒體分層器中，物料在徑向擋板的作用下，進(jìn)入罐體后形成壁面射流.擋板出口截面上速度分布決定了罐體內(nèi)壁面射流流動結(jié)構(gòu)，是分層效率的關(guān)鍵因素.不同形式擋板內(nèi)沖擊射流的差異決定了出口截面上的流場特性.

圖7描述了三種形式擋板出口截面上的法向速度分布，以水平對稱面為基準(zhǔn)形成上下對稱結(jié)構(gòu).在徑向擋板附近有明顯的出流速度(ux>0)分布；在水平對稱面兩側(cè)形成回流(ux<0).

圖7 法向速度分布(Re=7 000)

在圖7中可看出明顯的回流范圍，盡管回流速度相對較低，卻增加了阻力和擾動，對后續(xù)流動有較大影響.同時，隨著K值減小，回流區(qū)向徑向擋板移動，對分層器內(nèi)中心區(qū)域的擾動也增大.

圖8對Re=3 000～11 000范圍內(nèi)不同形式擋板出口截面上回流面積比S(回流面積與出口截面積比)進(jìn)行比較，K=-0.1的回流區(qū)域面積高出平板23 %，比K=0.1高出30 %.

圖8 回流面積比例與雷諾數(shù)的關(guān)系

3.3 渦量

圖9為不同形式擋板出口截面上的二次流流線.

圖9 二次流流線(Re=7 000)

比照圖5、6、7可以看出：在水平對稱面兩側(cè)形成對稱漩渦結(jié)構(gòu)，漩渦的中心處示蹤劑濃度(t=4 s)最低，局域靜壓力最低，并產(chǎn)生回流.

為評價出口截面上二次流漩渦的強(qiáng)度，對該截面的法向渦量進(jìn)行計(jì)算，如圖10所示.渦量定義為

(3)

由圖10可以看出：忽略壁面影響，高渦量集中在靠近分層器壁面和上下軸向擋板區(qū)域，水平對稱面附近渦量較低.高渦量區(qū)域隨擋板曲率的減小而收縮，|ωx|≤2 s-1的區(qū)域相應(yīng)擴(kuò)大.K=0.1，0，-0.1三種擋板|ωx|≥10 s-1的面積分別占出口截面的30.0 %、25.3 %、18.3 %.

圖10 渦量分布(Re=7 000)

圖11為Re=3 000～11 000范圍內(nèi)三種形式出口截面渦量絕對值的均值比較.隨著雷諾數(shù)的增大，不同形式擋板渦量絕對值逐漸升高.平擋板出口截面的渦量最高，凹柱面擋板略低于平擋板，凸柱面擋板遠(yuǎn)低于其他兩種情況.K=0.1比K=0出口截面的渦量僅低2.3 %，而K=-0.1比K=0低19.8 %.

圖11 絕對渦量平均值

3.4 湍流強(qiáng)度

擋板出口截面(分層器入口)流體的湍流強(qiáng)度是設(shè)備內(nèi)流體擾動的前提條件.圖12對Re=7 000條件下三種形式擋板出口截面湍流強(qiáng)度分布進(jìn)行描述.湍流強(qiáng)度定義為

(4)

由圖12可以看出：三種形式擋板出口截面上，徑向擋板近壁面湍流強(qiáng)度較高，出口截面中心靠近分層器壁面處偏低.凹柱面相對其他兩種擋板湍流強(qiáng)度分布更均勻，凸柱面最高和最低湍流強(qiáng)度差異最大.K=0.1，0，-0.1三種擋板I≥15 %的面積分別占出口截面的12.0 %、14.0 %、19.3 %.

圖12 湍流強(qiáng)度分布

圖13為出口截面上湍流強(qiáng)度均值計(jì)算結(jié)果.擋板形式對出口截面湍流強(qiáng)度均值影響較低，凹柱面板略高于其他形式擋板.雷諾數(shù)對湍流強(qiáng)度均值影響較大，Re=3 000～11 000范圍內(nèi)三種形式出口截面湍流強(qiáng)度隨雷諾數(shù)線性增長.

圖13 湍流強(qiáng)度均值

4 結(jié) 論

在立式圓筒體分層器入口處設(shè)置凹柱面、平板和凸柱面三種擋板，在Re=7 000、分別采用三種結(jié)構(gòu)擋板的條件下，對示蹤劑分布隨時間變化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬，并進(jìn)行比對分析.對分層器入口Re=3 000～11 000范圍內(nèi)的流場進(jìn)行數(shù)值模擬，研究擋板結(jié)構(gòu)對局域流場和出口截面流體力學(xué)性能的影響.具體結(jié)論如下：

(1) 示蹤劑在擋板內(nèi)流體以水平對稱面為基準(zhǔn)形成上下兩個對稱的旋流結(jié)構(gòu)，擋板出口截面水平對稱面兩側(cè)形成對稱漩渦和對稱的回流區(qū)域.

(2) 擋板出口截面漩渦中心的示蹤劑濃度、靜壓力系數(shù)最低，并存在較低速度的回流；出口截面上水平對稱面附近渦量較低，湍流強(qiáng)度較低.

(3) 凸柱面擋板出口截面上的回流面積比其他兩種擋板高出很多，絕對渦量平均值卻低很多，三種擋板出口截面湍流強(qiáng)度差異不大.

(4) 凹柱面擋板使出口截面上的回流面積最小，對湍流強(qiáng)度也起到了限制作用，相對平擋板渦量也略有下降.而凸柱面盡管導(dǎo)致渦量大幅度下降，但回流面積卻大幅度上升.

符號說明：

CP—壓力系數(shù)；

I—湍流強(qiáng)度；

K—相對曲率；

P—靜壓力，Pa；

Pin—入口靜壓力，Pa；

t—時間，s；

Vc—網(wǎng)格體積，m3；

ρ—密度，kg/m3；

uin—入口管內(nèi)平均流速，m·s-1；

ux—出口截面法向速度，m·s-1；

uy—出口截面y軸速度，m·s-1；

uz—出口截面z軸速度，m·s-1；

ωx—出口截面法向渦量，s-1.