1、太原科技大学毕业设计太原科技大学毕业设计（论文）题目：旋风分离器内流场的数值模拟姓名陈明武学院（系） 应用科学学院专业工程力学班级101801指导教师李兴莉2014 年6 月 8 日太原科技大学毕业设计（论文）任务书学院（直属系）： 应用科学学院时间： 2013 年 12 月 20 日学 生 姓 名陈明武指 导 教 师李兴莉设计（论文）题目旋风分离器内流场的数值模拟主要研究内容1. 了解 FLUENT 软件在计算流体力学方面的应用和旋风分离器的发展史；2. 详细研究与流体流动相关的基本力学原理，并确定旋风分离器所需要应用的流体力学知识；3. 利用 FLUENT 软件对旋风分离器内的流场进行数值
2、模拟；4. 对上述数值结果分析，探讨旋风分离器内部流场分布情况及不同直径颗粒在流场内运动的特征。研究方法查阅资料、理论分析、数值模拟主要技术指标（或 研究目标）1. 学会从流体力学的角度对流体流动中涉及到的力学原理进行理论分析；2. 用 FLUENT 软件对上述理论分析结果进行数值模拟；3. 通过以上研究分析，培养对实际具体问题进行建模、理论分析和数值模拟的基本能力。主要参考文献1. FLUENT 入门与进阶教程/于勇主编.-北京：北京理工大学出版社，2008.92. FLUENT 12 流体分析及工程仿真/腾龙科技编著.-北京：清华大学出版社，2011.13. 流体工程仿真计算实例与分析/韩
3、占忠编.-北京：北京理工大学出版，2009.8太原科技大学毕业设计目录II摘要IIIABSTRACTIV第一章前 言11.1 旋风分离器的概况11.1.1 旋风分离器的发展历史11.1.2 旋风分离器研究现状21.2 本文研究的主要内容3第二章相关理论知识42.1 空气动力学概述42.1.1 流体流动所遵循的基本定理42.1.2 空气动力学的分类52.2 计算流体力学基础52.2.1 计算流体动力学方法的形成和发展52.2.2 计算流体动力学的工作步骤62.3 数值模拟软件 Fluent 介绍72.3.1 Fluent 网格划分技术72.3.2 Fluent 的数值算法82.3.3 Fluen
4、t 软件的基本构成82.3.4 Fluent 软件计算类型及应用领域92.3.5 Fluent 软件的分析过程92.4 本章小结9第三章旋风分离器内流场的数值模拟103.1 模型的建立103.1.1 问题描述与模型建立103.1.2 利用 GAMBIT 建立计算域和指定边界条件103.2 旋风分离器内流场的数值模拟123.2.1 利用 FLUENT 软件进行求解的过程123.2.2 计算结果及后处理143.2.3 对比结果及后处理163.3 旋风分离器内颗粒轨迹的模拟173.3.1 模型的设定173.3.2 结果显示及分析193.3.3 对比下的结果与分析213.4 本章小结22结论23致谢2
5、4参考文献25附录26附录 1 中文翻译26附录 2 英文翻译32太原科技大学毕业设计旋风分离器内流场的数值模拟摘要随着计算流体力学的发展，数值模拟技术以其高效、低成本、能适应多种可变因素 等优势在越来越多的领域得到推广和应用。本文以旋风分离器为研究对象，利用 FLUENT 软件对其内部流场进行了数值模拟，得到了一些有价值的结论。具体工作如下：首先描述了旋风分离器的发展历史及主要概况，然后以流体力学和空气动力学为基础，借鉴国内外对旋风分离器的相关研究，利用 GAMBIT 软件进行建模、网格划分，并导入计算流体力学软件 FLUENT 中对旋风分离器内部流场进行数值模拟。重点研究了旋风分离器在使用
6、过程中内部流场情况及不同直径颗粒在流场内的运动特征。模拟结果表明：旋风分离器内部流场不对称且注入颗粒后，当颗粒直径越大时，其惯性力也就越大，在高速旋转的情况下，其更容易保持原有的运行轨迹，最后达到分离的效果。入口处速度的不同不会对流场内部压力造成影响，但注入颗粒时会影响颗粒的分离效果，所以入口处速度必须达到一定数值，过高或者过低都不会达到预期的分离效果。关键词：旋风分离器，FLUENT 软件，流场，颗粒直径。IVNumerical Simulation of Flow Field in the Cyclone SeparatorABSTRACTWith the development of c
7、omputational fluid dynamics, numerical simulation technology has been applied in many fields due to its high efficiency, low cost and better adaption to variable factors. In this article, as for the cyclone separator, using the Fluent software, the internal flow fields are simulated and some valuabl
8、e conclusions are drawn.This article described the general situation and the development history of the cyclone separator. Then, on the basis of fluid mechanics and aerodynamics, taking example by study of cyclone separator at home and abroad for reference, using the GAMBIT software to model, mesh,
9、and importing into the computational fluid dynamics software of FLUENT, the numerical simulations of internal flow field in cyclone separator are performed. It is focused on the internal flow field distribution and the motion characteristics of different diameter particles in the flow field in the c
10、yclone separator,The simulation results show that the internal flow field in cyclone separator is asymmetric. When the particle diameter is larger, the inertial force is greater. It is easier to keep the original trajectory at high speed, finally to achieve the effect of separation after injecting p
11、articles. The difference of entrance velocity has no influence on internal pressure of flow field, but will influence the particle separation when particles are injected. Therefore, the entrance speed must reach a certain value and the desired separation effect will not be obtained at too high or to
12、o low speed.Key words: cyclone separator, FLUENT software, the flow field, particle diameter.太原科技大学毕业设计第一章前言1.1 旋风分离器的概况旋风分离器是一种使含有固体颗粒的气体旋转，并依靠离心力达到气固分离的装置。由于它具有对10Lm 以上的粉体分离效率高、结构简单紧凑、操作维护方便等优点，故在石油化工、冶金、采矿、轻工等领域得到广泛应用。随着工业发展的需要，为使旋风分 离器达到高效低阻的目的，自1886年 Morse 的第一台圆锥形旋风分离器问世以来百余年里，国内外众多学者对分离器的结构、尺寸
13、、流场特性等进行了大量的研究，出现了许 多不同用途的旋风分离器，现从两个方面来进行概述。- 0 -1.1.1 旋风分离器的发展历程图1.1 旋风分离器旋风分离器内颗粒流体的流动属于稀浓度颗粒流体力学，故可先分析纯气体流场。在1949 年，TeLinden 对旋风分离器内三维流场用球形毕托管作了比较出色的实验测试研究并得出：切向速度轴对称分布，在同一断面随其与轴心的距离减小而增大。达到最大值后又逐渐减小；径向速度在中心区方向朝外，在外围区方向朝内，形成源汇流；轴向速度在部区域气流向下，在轴心区域气流向上；压力分布是壁面处大于中心处。他的测试结果，无论切向、径向、轴向都有一定的规律性，对称性也相当
14、好。在国内，中科院力学研究所、上海化工研究院在 400 及 830 旋风分离器模型上，用五孔球形探针及热线风速仪进行了测试。许宏庆在 288 模型上，用双色激光多普勒测速太原科技大学毕业设计仪进行了测试。这些流场测试图呈现出的规律大致与 TerLinden 所得结果相同，但他们都认为非对称的切向进口造成了旋涡中心与几何中心不一致，径向速度分布呈现非轴对称性等现象，同时还证实了上涡流的存在。1962 年，Lewellen 把不可压缩流体的连续性方 Navier-stokes 方程在圆柱坐标系和轴对称定常流动下进行了简化，通过引入流函数和环量，得到了强旋转简化层流模型1。国内中科院力学所贾复等人曾
15、利用此模型对旋风分离器内流场进行了解析计算，由于模型过于简化，仅能作些定性的说明。1975 年 Bloor、Ingham 运用普朗特提出的混合长理论确定湍流表观粘度，并对水力旋流器流场进行了分析，建立了适合于工程应用的初级湍流模型。1982 年 boy 等人利用 Rodi 推得的关于雷诺应力的近似代数关系式，得到了高级湍流模型。用这些模型计算得到的切向速度数值解与实验测定结果较吻合2。关于引入粉尘后，粉尘对气体流动的影响和其使含尘气流压降低于纯气流压降，以及粉尘之间的碰撞、团聚分离效率的影响等，Mothes 等作了较全面的研究，国内张民权利用 Dietz 提出的模型分别进行了理论计算和实验验证
16、3。1.1.2 旋风分离器研究现状结构改进通过对旋风分离器内气固流况的剖析，针对影响旋风分离器效率的顶部上涡流和下部的二次带尘，影响动力消耗的进口膨胀损失和出口旋转摩擦等因素，人们进行了不少改进。为了消除因上涡流而引起粉尘从出口管短路逃逸的现象，60 多年前 VanTongeren提出的方法是加旁室及时引出增浓粉尘。我国的 C 型、B 型、英国的 Bull 型等就属此类。由于设置了灰尘隔离室，使旁路式分离器较普通分离器的效率高 5%左右4。另外， Cardiff 大学的 Biffin 等人研制的新型带集涡室的旋风分离器、德国西门子公司顶端带导向叶片的旋流分离器、日本专利多头切向进口的多管分离器
17、，以及国内的倾斜螺旋形进 口的 CLT/A、CLG、DI 型等也都是为了削弱上涡流的带尘。在改善锥体、锥底的气固流况所作的改进方面，最突出的是扩散式分离器(CLK 型)。由于它的倒锥体及锥下部的反射屏，减少了粉尘返混和灰斗上部的卷吸夹带，使扩散式的分离效率 90%95%，但这种分离器的主要缺点是压降较高。再有反射型龙卷风分离器，同样也是利用了反射板的作用， 减少了底部粉尘的扬吸。另外，1968 年国外研制的一种具有反向碗及水滴体的直筒型旋风子，由于反向碗的屏挡作用，加上水滴体利用了内旋流的二次分离作用，从而增强了 抗返混能力。在国内，时铭显等对导叶式直筒旋风子进行一系列的研究，为了改善底部 气
18、固流况，提出了分离性能较好的排尘底板结构。有关为降低能量损失所作的研究，主- 26 -要是减小进、出口部分的压力损失。以上内容是对旋风分离器百余年的发展作了一简单的回顾，随着石油化工特别是其中流态化技术的发展，以及环境保护问题的日益重要，为节省能耗、回收有用粉尘，仍有必要继续对这种无运动部件、能适应高温高压下使用的分离器作进一步深入的研究和改进。1.2 本文研究的主要内容本研究以流体力学为基础，详细研究旋风分离器内流场情况，借助建模软件GAMBIT 及计算流体力学软件 FLUENT 对其进行数值模拟。根据所得到的理论分析和数值模拟结果，探讨了旋风分离器内部流场旋流状况，此外还分析了旋风分离器内
19、不同直径颗粒的运动情况，并分析了入口处速度的不同对内部流场及颗粒分离的影响，从而可以的出分离的原理。第二章相关理论知识2.1 空气动力学概述空气动力学通常所说的空气动力学研究内容是飞机、导弹等飞行器在各种飞行条件下流场中气体的速度、压力和密度等参量的变化规律，飞行器所受的举力和阻力等及其变化规律，气体介质或气体与飞行器之间所发生的物理化学变化以及传热传质规律等。2.1.1 空气动力学的分类（1） 根据流体运动的速度范围或飞行器的飞行速度，空气动力学可分为低速空气动力学和高速空气动力学。通常大致以 400 千米/小时这一速度作为划分的界线。在低速空气动力学中，气体介质可视为不可压缩的，对应的流动
20、称为不可压缩流动。大于这个速度的流动，须考虑气体的压缩性影响和气体热力学特性的变化。这种对应于高速空气动力学的流动称为。可压缩流动根据其流动马赫数的不同又可分为四种各具不同特点的流动：马赫数恒小于 1 的流动称为，恒大于 1 的流动称为超声速流动，马赫数接近于 1 的流动称为跨声速流动，通常又把流动马赫数大于 5 的流动称为高超声速流动。气体动力学则是专门研究可压缩流体流动的学科。它涉及可压缩流动和高速空气动力学。（2） 根据流动中是否必须考虑气体介质的粘性，空气动力学又可分为理想空气动力 学(或理想气体动力学)和粘性空气动力学。除了上述分类以外，空气动力学中还有一些边缘性的分支学科。当流动问
21、题的特征尺度同气体分子平均自由程接近时，或者说在流 动气体的密度低到流体力学中不再适用时，气体介质的不连续性便显露出来，此时就必 须用分子运动论观点，研究气体的流动规律和气体与物体的相互作用，这个分支学科便 是。研究气体在高温下的物理化学现象以及伴随的能量传递和转换等过程的分支学科， 则称为高温气体动力学。研究内容空气动力学的一些基本理论和内容分别叙述如下： 在低速空气动力学和相应的不可压缩流动中，介质密度变化很小，可视为常数，而基本 理论是无粘二维和三维的位势流基本解、翼型理论、举力线理论、和低速边界层理论等。对于亚声速流动，无粘位势流动服从非线性椭圆型偏微分方程，研究这类流动的主要理 论和
22、近似方法有小扰动线化方法，普朗特-格劳厄脱法则、卡门-钱学森公式和；在粘性流动方面有可压缩边界层理论。对于超声速流动，无粘流动所服从的方程是非线性双曲型 偏微分方程。在超声速流动中，基本的研究内容是、膨胀波、激波、锥型流，等等。主要的理论处理方法有超声速小扰动理论、和高速边界层理论等。跨声速无粘流动可分外流和内流两大部分，流动变化复杂，流动的控制方程为非线性混合型偏微分方程，从理论上求解困难较大。对流动规律研究的一个重要方面是寻求方程的数值解。在一定条件下可有跨声速相似律，在高超声速流动方面，研究流动速度远远大于声速时的流动现象和规律，以及流动中出现的物理化学变化、烧蚀、传热传质和物体所受的作
23、用力。高超声速流动的主要特点是高马赫数和大能量。这些特点使流动具有一般超声速流动所没有的流体动力特征和物理化学变化。在高超声速流动中和问题变得比较重要。高超声速流动分无粘流动和高超声速粘性流两大方面。工业空气动力学主要研究在中风同各种结构物和人类活动间的相互作用，研究大气边界层内风的特性、风对建筑物的作用、风引起的质量迁移、风对运输车辆的作用和，以及低层大气的流动特性和各种颗粒物在大气中的扩散规律，特别是扩散的规律等等。2.1.2 流体流动所遵循的基本定理在运动学方面，遵循质量守恒定律；在动力学方面，遵循牛顿第二定律；在能量转换和传递方面，遵循能量守恒定律；在热力学方面,遵循热力学第一和第二定
24、律；介质属性方面，遵循相应的气体状态方程和粘性、导热性的变化规律，等等。实验研究则是借助实验设备或装置观察和记录各种流动现象，测量气流同物体的相互作用，发现新的物理特点并从中找出规律性的结果。由于近代高速电子计算机的迅速发展，数值计算在研究复杂流动和受力计算方面起着重要作用，高速电子计算机在实验研究中的作用也日益增大。因此，理论研究、实验研究、数值计算三方面的紧密结合是近代空气动力学研究的主要特征。 空气动力学研究的过程一般是：通过实验和观察，对流动现象和机理进行分析，提出合理的力学模型，根据上述几个方面的物理定律提出描述流动的基本方程和定解条件（对于太复杂的数学方程，则须根据观察和实验所得到
25、的特性作进一步的补充和简化，以便得到定性或定量的解析结果或数值计算结果）；然后根据实验结果，再进一步检验理论分析或数值结果的正确性和适用范围，并提出进一步深入进行实验或理论研究的问题。如此不断反复、更广泛而深入地揭示空气动力学问题的本质。2.2 计算流体力学基础2.2.1 计算流体动力学方法的形成和发展计算流体力学作为一门新学科，形成于 20 世纪 60 年代中期，涉及经典流体力学、计算方法、数值分析、程序编制和图像处理等学科，它的出现标志着工程流体力学发展的新阶段。自 19 世纪物理模型的理论诞生以来，物理模型一直是流体力学理论研究和解决工程流动问题的主要手段。为了进一步定量描述各种流动的物
26、理现象，数学模型应运而出。数学模型将己知的流体动力学基本定律用数学方程进行描述，在一定的定解条件（初始条件和边界条件下）求解这些数学方程，从而模拟某个流体动力学问题或工程实际问题。由各种流动现象而建立的数学模型（由微分方程表示的定解问题），例如连续性方程、动量方程等组成的微分方程组，多是非线性和非稳定性的，只有很少量特定条件下的问题，可根据求解问题的特性对方程和边界条件作相应简化，而得到其解析解。绝大多数的工程问题只能通过数值计算方法才能求得结果，在这方面往往受到计算机容量和速度的限制。随着计算机技术和现代计算方法的发展，这一障碍己经逾越，许多复杂的工程流动问题均可通过数值计算解决。计算流体力
27、学的任务是研究各种流体问题的数值计算方法。以各种离散化方法建立各种数值模型，并通过计算机进行解算，得到在时间和空间上的数字集合体，最终获得定量描述流场的数值解。与物理模型的实验研究相比，数值计算的特点是适应性强，应用面广。首先一般流动问题其控制方程均为非线性，自变量多，计算域的几何形状任意，边界条件复杂，对这些无法求得解析解的问题，用数值解则能很好地满足工程的需要；其次可以利用计算机进行各种数值实验，通过不同参数的选取对计算结果进行改进。它不受物理模型的限制，比较省时省钱，灵活性大。但数值计算也有弱点:一是依赖于基本方程的可靠性，且最终结果不能提供任何形式的解析表达式，只能是有限个离散点上的数
28、值解；二是它本身不能定性描述流动现象，要借助原型观测或物理模型实验提供的流动参数，并且需要对模型进行验证和校准；三是程序的编制和资料的收集、整理和运用，在相当程度上依赖于经验和技巧。所以，数值计算和理论分析、观测和实验是相互联系相互促进的要有机地结合起来，才能较好地解决工程实际问题。近几十年来，流体数值计算有了很大发展。进入 80 代后，紊流模式不断完善，三维紊流的数学模型己进入实用阶段。90 年代后，集成的商用 CFD 流体计算软件得到广泛应用，使流体数值计算在更大的范围内快速发展。目前，计算流体力学作为一种基本的研究方法和设计手段已经逐步进入了航空、航天、气象、能源等许多应用领域。2.2.
29、2 计算流体动力学的工作步骤采用计算流体动力学对工程流动问题进行数值模拟，通常要经过以下几个步骤：（1） 建立反映工程问题或物理问题本质的数学模型。具体说就是要建立反映问题各个量之间关系的微分方程及其相应的定解条件（包括边界条件和初始条件），这是数值模拟的出发点。没有正确完善的数学模型，数值模拟就毫无意义。工程流体问题的数学模型即流动运动控制方程通常包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程，以及这些方程相应的定解条件。（2） 寻求求解模型方程的高效率、高精度的计算方法，即建立针对流体控制方程的数值离散化方法，如有限差分法、有限元法、有限体积法等。这里的计算方法不仅包括微分方程的离散化方法及
30、求解方法，还包括定解条件引入计算过程的方法。（3） 编制程序进行计算。这部分的工作包括计算网格划分、初始条件和边界条件的输入、控制参数的设定等。这是整个工作中花费时间最多的部分。由于求解的问题比较复杂，比如 Navier-Stokes 方程就是一个十分复杂的非线性方程组，数值求解方法在理论上不是绝对完善，所以需要通过实验加以验证。正是从这个意义上讲，数值模拟又叫数值实验。(4)显示计算结果。利用计算机图形学的方法将计算结果在计算机上呈现，以便观察分析流动状态。为了进行 CFD 计算，我们既可以借助商用软件来完成计算任务，也可以自己直接编写计算程序。两种方法的基本过程是相同的。2.3 数值模拟软
31、件 Fluent 介绍Fluent 软件是美国 FLUENT 公司开发的通用 CFD 流场计算分析软件，包含有结构化及非结构化网格两个版本，可以计算的物理问题类型有：不可压缩与可压缩流动，定常流动与非定常流动，含有粒子与液滴的蒸发、燃烧的过程，多组份介质的化学反映过程等。Fluent 是所有 CFD 软件中，优化模块最多，计算方法最先进，稳定性和精度最佳的软件群，被广泛应用于模拟各种流体流动、传热、燃烧和污染物扩散等问题。Fluent 软件采用 C/C+语言开发完成，支持 UNIX 和 Windows 等多种平台，支持基于 MPI 的并行环境。用户能够通过交互的菜单界面与计算机进行交流，并利用多窗口方式随时观察计算进程和计算结果。Fluent 计算结果可以通过云图、矢量图、等值线图、XY 散点图等方式显示、储存和打印，甚至传送给其他 CFD 软件。Fluent 软件还提供用户编程接口，可以让用户根据自身情况定制或控制相关的计算以及结果的输入和输出。2.3.1 Fluent 网格划分技术Fluent 软件采用非结构化网格与适应性网格相结合的方式对网格进行划分。非结构化网格划分便于处理具有复杂外形
