CFD计算速的分析

精品文档---下载后可任意编辑 贾继斌 陈功 (中国石油大学(北京)化工学院，北京102249) 摘 要：基于CFD计算旋转流的三维速度计算值是以空间的几何中心为基准给定的。但旋转流由于流动的不稳定性或空间结构的非轴对称性导致旋转流的旋转中心偏离空间的几何中心。这就使参照旋转中心为基准的三维速度分布不同于基于CFD计算的三维速度分布，两者之间存在着一定的差别。在实际应用中一般分析问题是建立在以旋转中心为基准的三维速度分布上的，因此需要将参考几何中心CFD计算的速度变换为参考旋转中心的速度。本文以旋风分离器为实例分析了由于基准不同所产生的速度变化，给出了CFD计算旋流时旋转中心与几何中心不重合的速度变换的方法。结论也同样适用于其他类似旋转流的计算分析。 关键词：CFD，旋流，旋转偏心，速度变换，旋风分离器 中图分类号：TQ 051.8 文献标识码 A 文章编号 引 言 旋转流是一种工业上广泛应用的流动形式，如旋风分离器，水力旋流器，旋转射流等。一般基于CFD计算旋转流的三维速度计算值是以空间的几何中心为基准坐标给定的。但由于旋转流动过程的不稳定性或几何结构上非轴对称等原因，旋转流的旋转中心偏离空间的几何中心[1]，存在着旋转偏心的现象，即旋转流的旋转中心与几何中心不在一个轴线上，两个中心不重合。若以不同的中心为参考基准，旋转流在空间上同一点的三维速度是不同的，存在着一定的差别，互相直接对等替换必定为后续的计算或分析带来较大的误差。在实际应用中，由于分析问题的特点，在对旋转流流场进行分析中有时需要以旋转中心为基准的三维速度分布，此时应对基于CFD计算的旋转流三维速度值进行修正，将参考几何中心计算的流场变换为参考旋转中心的流场。 本文以蜗壳式旋风分离器流场为CFD计算对象，重点分析旋风分离器内旋转流的旋转中心与旋风分离器的几何中心不在一个轴线上所导致的速度重量之间的差异，给出了将基于几何中心计算的流场换算到参考旋转中心的流场的方法。结论方法也同样适用于其他有关类似旋转流的计算分析。 1 基于几何中心的CFD计算旋转流时的速度分布 模拟旋风分离器尺寸如图1所示，进气口尺寸176mm×73mm，筒体内径300mm，升气管内径96mm。为保证充分进展条件的成立，将出口管路加长。 图1 旋风分离器结构示意图 旋风分离器内流场是复杂的三维、湍流、强旋流场，具有很强的各向异性特点，为此采纳Fluent软件计算流场时，选择能较好地反映湍流各向异性的RSM（Reynolds stress model）模型。压力梯度项采纳PRESTO!（pressure staggering option）方法进行预处理 1.1.3 边界条件 1.1.3.1 入口边界条件 旋风分离器入口边界条件采纳速度入口条件。流体为常态的空气, 入口速度Vi＝=20m/s，湍流脉动动能＝0.735 m2/s2，＝＝0.49 m2/s2， m2/s2，=17.021 m2/s3，其中，＝，＝，为入口处的平均流速，I是湍流强度，DH为入口水力直径，为湍流特征尺寸。取I=0.05，，DH =。 1.1.3.2 出口边界条件 出口边界条件按充分进展管流条件处理，所有变量在出口截面处轴向梯度为零，即。这种处理方法对出口截面的选择要求比较高,一般只有当出口区域有一平直段且离开回流区已经较远时采纳。为此在计算中将旋风分离器的出口管路加长，以保证充分进展条件的成立。 1.1.3.3 壁面边界条件 壁面处采纳无滑移边界条件，。壁面效应是旋涡和湍流的主要来源,因此近壁区的处理对数值求解结果的准确性有显著影响。由于在靠近固体壁面的区域内，流底层的粘性作用增强而湍流扩散相对减弱，作用于高雷诺数下的湍流输运方程已不能严格有效。近壁网格点用标准壁面函数近似处理。 差分格式 在Fluent中，认的差分格式是一阶迎风格式。论分析和计算过程中发现，阶迎风格式只具有一阶精度的截差，虽然具有良好的收敛稳定性，但数值耗散过大，尤其对于强旋转流，致使结果产生很大的误差；二阶格式具有较高的数值计算精度，但二阶格式本身具有色散性,结果会产生非物理震荡，不具有守恒性；QUICK差分格式比前两种格式都有所改善，保留了结果的守恒，又使数值结果具有二阶以上的精度的截差。QUICK差分格式最能准确的预报旋风分离器内的流场,二阶迎风格式只能在某些方面给出好的结果，另一些方面却远偏离实际情况，一阶迎风格式由于精度差，根本不能用于旋风分离器这种复杂流场的模拟。因此，本文将采纳QUICK格式控制方程的离散。 用FLUENT程序中的离散求解器进行数值求解的。现有的对旋风分离器内流场的模拟,所采纳的数值求解方法多采纳SMPLE方法及其改进的方法。对于一般的流动,SIMPLE算法足以满足要求了。但是，在SMPLE算法中，为了求解的方便，省去了速度修正方程中的某些项，使得方程不协调一致。因而，对于很多问题应该使用协调一致的SMPLE算法，即SIMPLEC算法。旋风分离器内部的流体流动非常复杂，是用压力-速度藕合做限制的，故而用SIMPLEC算法还将会提高迭代的收敛性。SMPLEC算法也是使用压力和速度之间的相互校正关系来强制质量守恒并猎取压力场的，具体计算方法与SIMPLE算法基本相同。本文将应用SMPLEC算法进行求解。 网格划分 计算中采纳结构化网格，并整体生成，网格节点共有978，653个（见图2）。 在蜗壳式旋风分离器的数值模拟中，由于蜗壳部分结构的复杂性，大多数讨论者在网格划分时，将旋风分离器分为若干的区块，在每一个区块内尽可能地生成结构化网格。这种网格划分方法在CFD计算中广泛采纳，尤其是计算区域局部结构突变剧烈的部位（如飞行器的CFD计算）。这种网格划分，对于计算域庞大的项目，或是对于控制体宏观特征的求解是可行的，这样做，一方面可以大大地减少计算的工作量，同时又能得到可接受精度范围的计算结果。对于蜗壳式旋风分离器，分块结构化网格的生成，确实能够在一定程度上减少网格的数量，从而降低计算工作量。但本论文在试算中发现，采纳这种网格，反而使计算的迭代速度明显降低，而且计算的特征参数云图及等值线等，在分块的连接处存在明显的不连续现象。这是由于在块与块的衔接面处（以下称界面），计算信息在两种不连续的网格之间进行传递时，会造成较大的插值误差积累。当界面处的流动状况变化剧烈时，极易造成收敛速度的明显降低，甚至发散。 本文利用网格生成软件G做前处理，将计算域分成5个子区域(进 口段、出口段、环形空间、圆柱段分离空间和圆锥段分离空间)，每两个相邻的子域在界面上的网格节点保持一致；当两个子域的网格疏密相差较大时，在界面的法线方向上，设置网格过渡层，使相邻网格的大小差别控制在一个适合的范围内，以保证网格的过渡比较平缓。这样，就能够保证相邻子域在计算信息的传递时，迭代误差最小。根据这种方法，就可以生成整体的结构化网格。避开了特征参数云图及等值线的不连续现象。 图2旋风分离器计算网格划分 图3为旋风分离器0°～180°剖面气相流场切向、轴向和径向速度的云图。图4为旋风分离器0°～180°剖面气相流场静