渦環輸送特性的實驗與仿真分析

紀妍妍,韓東,何緯峰,朱德志,彭濤

(1. 南京航空航天大學 能源與動力學院,江蘇 南京 210016;2. 江蘇樂科節能科技股份有限公司,江蘇 泰州 214501)

0 引言

渦環自20世紀70年代被發現以來,學者相繼研究發現渦環可保持遠距離環狀運動。渦環輸送主要應用于空氣送風及噴淋除塵等領域。因此,加深對渦環物理特征的研究可以揭示非定常流體的流動本質,對于將其應用于實際工程具有重要意義。

DIDDEN[1]通過實驗研究了渦環的形成過程與機理并確定了渦環卷起時的速度場與環量,得出渦環在噴嘴邊緣卷起時速度與環量均較大的結論。HETTEL等[2]對渦環卷起過程進行數值仿真,研究自由黏性渦環卷起過程中相似律的有效程度,發現相似律在起始時間有效。向陽[3]通過數值計算和實驗驗證的方式研究了渦環的結構以及渦環演化過程中渦核的生長階段,并根據渦量矩定理分析渦環演化過程瞬時力的變化,指出渦環演化的機理與變化規律。

ZHANG等[4]對不同活塞速度和不同活塞推程及不同裝置長度下形成的渦環演化過程進行了數值模擬,指出渦環可用于水域中提高推進效率。浩金牛[5]將渦環應用于煙氣,通過數值仿真和實驗驗證的方式分析了在一定的裝置和狀況下煙圈的形成及運動情況,發現孔口越大,圓推板速度越大,圓推板行程越大,煙圈上升高度越高。WANG等[6]進一步以實驗方式研究了不同活塞推程和不同特定距離及新風量對渦環狀態的影響,可為渦環應用在個性化通風中提供依據。

目前大部分研究只關注渦環自身結構以及生成和演化過程中渦環平動速度和能量的變化,對于結構變化對渦環輸送特性的影響缺乏深入的研究。因此,本文重點關注不同長徑比和環徑比及活塞停頓時間對空氣渦環輸送特性的影響。通過搭建實驗臺和正交實驗方法測量了不同工況下渦環的輸送距離,使用方差分析研究渦環輸送距離的變化,通過計算流體動力學(CFD)分析不同工況下渦環輸送過程的速度場和壓力場,以加深對渦環流動現象的認識與理解。

1 實驗方法

1.1 實驗系統

流體流經突變壁面時會發生邊界層分離現象,在壓差作用下卷吸成渦環。本文主要研究空氣卷吸形成的渦環對該部分空氣的輸送特性,因煙氣密度與空氣密度相近,實驗過程中使用煙氣跟蹤空氣渦環的輸送過程。

實驗系統如圖1所示,主要由3部分組成:氣動部分、渦環發生部分和可視化部分。

1—空氣壓縮機;2—氣缸;3—渦環發生器;4—發煙盒;5—電磁閥;6—節流閥;7—風機;8—控制器。

氣動部分包括空氣壓縮機、控制器、電磁閥、氣缸;渦環發生部分包括氣缸活塞桿、渦環發生器;可視化部分包括風機、節流閥、發煙盒(用于產生煙氣實現可視化)。

空氣壓縮機及控制器與電磁閥相連,電磁閥與氣缸相連,氣缸活塞桿與渦環發生器中的活塞相接,風機通過節流閥與發煙盒相連,發煙盒通過管道與渦環發生器進氣口相接。

實驗系統中的主要裝置為渦環發生器,結構尺寸圖如圖2所示(A為長徑比)。渦環發生器包括圓柱形筒壁、空腔、活塞、進氣口、圓環擋板。

圖2 渦環發生器結構尺寸圖

1.2 實驗方法

空氣壓縮機沖壓至特定的壓力值,通過電磁閥向氣缸提供壓縮空氣,控制器控制電磁閥的啟閉,通過調節氣缸上的閥門,使壓縮空氣經電磁閥通入氣缸后,推動活塞桿運動特定距離,帶動渦環發生器底部的活塞運動;發煙盒中放置點燃的煙餅并封閉,通過風機將發煙盒中的煙氣經管道由渦環發生器進氣口噴入渦環發生器空腔內,通過風機與發煙盒之間的節流閥控制渦環發生器進氣口的煙氣流量。渦環發生器空腔中的空氣在活塞的瞬時推動作用下從出口位置沖出生成渦環。測量渦環穩定時所處位置距出口處的距離,即渦環對該部分空氣的輸送距離L。實驗中以長徑比A(渦環發生器長度與其內徑之比)和環徑比B(渦環發生器圓環擋板寬度與內半徑之比)及活塞停頓時間T(活塞一個沖程中前進段與后退段之間的間隔時間)為變量,采用正交實驗的方法研究A、B、T與L之間的關系。為避免實驗時的偶然性及操作誤差,每種實驗工況重復20次,取20次實驗中渦環穩定時距離的平均值作為該工況下最終的渦環輸送距離。實驗過程中渦環輸送過程如圖3所示。

圖3 渦環輸送過程圖

2 仿真方法

2.1 數值模型

由于渦環結構存在軸對稱的特點,所以無量綱非定常不可壓軸對稱N-S方程可用于此研究。

(1)

式中:r、θ、z分別為x、y、z方向坐標,m;ur、uz分別為x、y方向的空氣速度,m/s;σ為應力,Pa。

公式中應力分量可由以下公式求得:

(2)

式中:P為無量綱靜壓,Re為雷諾數。

2.2 計算域和邊界條件

采用ANSYS FLUENT進行數值仿真[7]。計算域包含兩部分:渦環發生器和外流場,均為結構化網格,時間步長0.5ms。計算域和計算條件的設置如圖4所示。

圖4 計算域和計算條件

圖4中:渦環發生器進氣口為速度入口,使用用戶自定義函數(UDF)控制入口邊界的階段性流動。由于煙氣密度與空氣密度相近,本研究通入流體為空氣,通入速度為3m/s;外流場為出口,設置為通風邊界。采用動網格技術[8]中的鋪層技術和UDF來模擬活塞運動。

2.3 求解設置

湍流模型選用SSTk-ω模型,壓力-速度耦合算法為SIMPLE算法,空間離散化方式中壓力選用二階格式,動量選用二階迎風格式,湍流動能選用一階迎風格式,初始化方式為標準初始化,采用瞬態計算,收斂標準為獨立變量的相對誤差小于10-3。

2.4 網格無關性驗證

選用外流場中特定位置的速度進行網格無關性研究,計算了3種不同數量的網格,邊界條件與求解設置相同,網格數量分別是55萬、110萬、220萬,計算結果如圖5所示。110萬的網格與220萬的網格吻合度更高,為減少計算時間,選用數量為110萬的網格進行后續研究。

圖5 網格無關性驗證

3 結果分析

3.1 實驗結果分析

1)渦環的輸送距離

使用實驗方法研究空氣渦環對空氣的輸送距離。采用正交實驗計算27組實驗工況,具體工況及渦環輸送距離如表1所示。

表1 實驗工況及渦環輸送距離

由表1可以看出渦環輸送距離有較大差異,0代表該種工況下未生成渦環,而是霧狀射流;工況1下A=2.0,B=0.25,T=0.4s時,渦環輸送距離最遠,為277cm。

2)渦環的輸送特性分析

采用IBM SPSS Statistics數據統計分析軟件對實驗結果進行方差分析。由主體間效應檢驗得出3個因素對渦環輸送特性的影響程度,具體見表2。

表2 主體間效應檢驗

由表2可見長徑比A對渦環輸送距離L的影響最顯著,其次是環徑比B,而活塞停頓時間T的影響較微小?？諝庠跍u環發生器圓環擋板的作用下,經歷突縮截面后發生射流收縮由于剪切作用卷起形成渦環[9-10],而渦環發生器的幾何結構尺寸會影響氣體邊界層[11]的形成及其射流收縮的程度進而影響渦環的形成及運動速度,從而影響L;活塞停頓之后后退的動作對沖出渦環發生器出口的空氣引射力較微弱,故T對渦環形成及運動速度幾乎不產生影響,所以對L的影響較小。

圖6為3種不同環徑比下渦環的輸送距離,在B=0.25,T=1.2s時及B=0.75的3種情況下,L隨A增加先增大后減小;在B=0.25,T=0.4s和2s時及B=0.50的3種情況下,L均隨A增大而減小。

圖6 不同環徑比下渦環輸送距離

T一定時,B=0.25的結構生成的渦環輸送特性更佳?？諝庠诹鹘泩A環擋板時,通過動量交換消耗主流區的能量較少,碰撞損失與渦流損失均較小,主流有足夠大的能量卷吸成渦環并移動遠距離。B增大時,擋板在出口的固定壁面面積增加,射流收縮程度較大,空氣流經出口時形成的局部損失較大[12],同時主流區流體流速較高,沒有足夠的能量與時間卷吸成渦環,只能以霧狀射流形式迅速消散,不利于渦環生成以及輸送,所以B=0.25的結構生成的渦環輸送特性更佳。B一定時,A為2.0的結構生成的渦環輸送特性更佳。A較小時,沿程損失較小,速度邊界層在渦環發生器軸心處流速較大,空氣有足夠大的能量沖出而形成渦環[13]并移動遠距離。A增大時,空氣沿程損失增大,流速減小,在流出渦環發生器前能量損失較大,不利于其沖出形成渦環并輸送,所以A=2.0的結構生成渦環輸送特性更佳。T對生成的渦環輸送特性的影響不顯著,說明在實驗選取的3種水平下,渦環的輸送幾乎不受該參數的影響。

3.2 仿真結果分析

1)模型驗證

采用CFD數值仿真方法對工況1、4、7、8、17、26共6種不同實驗工況的模型進行了數值模擬并與實驗條件下渦環輸送的結果進行比較,模型驗證結果如圖7所示。最大誤差為8.78%,在10%以內,證明數值仿真結果可以用于流場分析。

圖7 模型驗證

2)渦環輸送特性仿真分析

工況1的數值仿真結果與渦環實物對比如圖8所示,展現了該工況下活塞推動后2個不同時刻的速度變化與壓力變化及輸送距離。速度云圖中速度輪廓兩側的低速圓形區即渦環所處位置[3],在5.8s時渦環速度最高為0.7m/s。隨著計算時間變長,渦環速度變小,至穩定時速度降低至0.12m/s,空氣在30s的演化時間內保持環狀移動了254cm的距離且前后能量耗散較小。在壓力云圖中,靜壓的負壓絕對值逐漸減小,渦環卷吸性能逐漸降低,但空氣始終與外流場存在壓差,故一直具有卷吸能力,至30.8s時渦環穩定,此時渦環移動的距離即為輸送距離,表明渦環具有在減少能量耗散的同時將空氣遠距離輸送的特性。

工況26的數值仿真結果如圖9所示,展現了該工況下活塞推動后1個時刻的速度變化與壓力變化?？諝庠?s時幾乎全部消散,未形成渦環;壓力云圖同樣表現了快速消散的趨勢,在第4s時不可見。該工況下A與B均較大,空氣沿程損失以及局部損失均過大,主流能量較小,難以形成渦環。

圖9 工況26下2個不同時刻的速度云圖與壓力云圖

通過6種不同工況下的數值仿真發現:活塞推動空氣沖出外流場后,渦環初期速度不高并在輸送過程中緩慢降低,負壓區始終存在,渦環保持卷吸狀態,卷吸能力隨著壓力降低而下降,最終在較小速度下將空氣輸送較遠距離直至消散。

4 結語

采用實驗方法與CFD數值仿真方法研究了渦環發生器不同長徑比與環徑比及活塞停頓時間對空氣渦環輸送特性的影響,得出以下結論。

1)長徑比對渦環輸送特性的影響最大,其次是環徑比,活塞停頓時間對渦環輸送特性的影響不明顯。

2)長徑比2.0、環徑比0.25、活塞停頓時間0.4s時,渦環輸送距離為277cm,為實驗最遠輸送距離。長徑比較大時流體沿程損失增大,不利于形成渦環并輸送;環徑比較大時氣體局部損失增大,不利于渦環生成以及輸送。

3)渦環輸送過程能量耗散較小,可以在較小速度下將空氣遠距離輸送,但是隨著速度和壓力的降低,渦環的卷吸能力下降,最終逐漸消散。

以上結論對于加深對空氣渦環流動現象的認識與理解以及將渦環應用于實際工程有重要指導意義。