折流式旋转床气相流动的CFD模拟

发布时间：2019-09-19 22:07

【摘要】：采用计算流体力学(CFD)方法对折流式旋转床气相流场和压力分布进行了模拟,研究了折流式旋转床转速、进气量对转子外侧和内侧气相流场的影响,并用实验数据对模型进行了验证.结果表明,模拟结果与实验数据相对误差在9%以内;气体由转子外侧进入转子内时,流速明显改变,切向速度占总速度的76.1%~99.9%,轴向速度和径向速度均较小.随气体流量和转速增大,切向速度明显增大.气体流出转子内侧时,动圈附近存在一个最低压力和一个最高压力,产生了逆时针旋转和顺时针旋转2个漩涡.两漩涡交界处气体流动较剧烈,靠近转轴处气体存在回流,但速度较小.
【图文】：

示意图,折流式旋转床,实验装置,示意图

42过程工程学报第17卷下旋转床的转子内腔，结果表明，旋转床转子内腔中的气体呈螺旋式上升和下降，以切向气速为主，轴向气速和径向气速均较小.本工作基于前人的实验结果和方法[12-14]，利用Fluent软件，分别通过改变转速和进气量对旋转床压降分布状态进行了模拟，并用实验数据进行验证.2模型2.1物理模型与网格划分折流式旋转床如图1所示，壳体外径为0.42m，高0.16m.转子内径为0.101m，外径为0.284m，高0.051m.转子由9对动静圈和1个短静圈组成，9个静圈高度为0.038m，外径分别为0.130,0.157,0.178,0.197,0.216,0.235,0.250,0.265,0.284m，短静圈位于转子的内缘，高0.02m，外径为0.101m.9个动圈的高度为0.044m，外径分别为0.117,0.145,0.168,0.189,0.208,0.229,0.242,0.260,0.276m，其中无孔部分高度为0.013m，孔径为0.0015m，孔间距为0.0025m.对折流式旋转床建立二维模型，研究对象为旋转床进气口平面且与转轴垂直的剖面.采用GAMBIT对模型结构化四边形进行网格划分，并对动网格进行加密和无关性监控，结果表明与网格的数无关，取网格数约为10万个.网格检查中纵横比小于3，网格单元夹角≤0.1，最小尺寸为1.32×10-4，最大尺寸为1.67×10-3，保证了较好的网格质量.图1折流式旋转床实验装置示意图Fig.1Schematicdiagramofexperimentalapparatusoftherotatingzigzagbed2.2边界条件设置气体入口设置为质量流量入口，均匀分布且切向进入入口截面；气体出口设置为压力出口，设置初始值和操作条件为大气压，速度0.057~0.234m/s.将动圈设置为旋转墙，转速600~1200r/min，模拟用气相为空气.2.3计算方法选用RNGk-湍流模型计算旋转床内的气相流场，公式如下：divudivgradS,t其中，为气体密度(kg/m3)

示意图,转子,位点,示意图

进气管图3气体速度矢量局部放大图(轴在右边)Fig.3Gasvelocityvectordiagramoflocalamplification(shaftontheright)进入旋转床后，迅速充满旋转床转子外缘与壳体间的腔体，然后从周围沿切向进入转子.从图可看出，气体刚进入转子时沿径向运动，受到静盘上折流圈的阻挡，速度方向发生变化，此时气体大部分沿着静折流圈向下运动，克服离心力作用后进入下一个间隙继续向出口方向运动，少部分气体从动圈上部分的小孔中流过.4.2转子外侧气相流场分布为研究转子外侧气体速度的变化情况，在转子入口位置设置a~e五个监测点(图4)，高度z=0.013m，距转子中心的距离ra=0.280m，rb=0.318m，rc=0.351m，rd=0.384m，re=0.417m.将气体速度分解为切向速度vθ(以旋转床旋转方向为正)、轴向速度vz(以垂直向上为正)和径向速度vr(以指向旋转轴方向为正).图4转子外侧检测位点示意图Fig.4Schematicdiagramoftestsiteontheoutsideoftherotor不同转速和气量条件下，气相切向、径向和轴向速度随半径的分布如图5所示，折流式旋转床转子外侧气体的切向速度vθ远大于径向速度vr和轴向速度vz，切向速度vθ占总速度v的76.1%~99.9%.切向速度、径向速度和轴向速度与气量G和转速n有关.气量增大，速度明显增大.速度随转速增加而增大.在a截面中，当r/Rro1(Rro为转子外径)，气体沿轴向向上(vz0)，由于截面a距动圈较近，受到转子的离心力，气相切向、径向和轴向速度大于b，c，d，e截面.当r/Rro1时，气相切向、径向和轴向速度受转速、气量影响基本不变.r/Rro=1时，，由于截面b靠近静圈，气体受到静圈的阻挡，径向速度最低.静圈静止不动，径向速度和轴向速度不受影响.气体的径向速度主要受动静圈影?
【作者单位】：浙江工业大学化学工程学院浙江省生物燃料利用技术研究重点实验室;
【分类号】：TQ051.1;TQ018

【参考文献】