山东大学
硕士学位论文
变速搅拌槽内流场的数值模拟及实验研究
姓名：张翠勋
申请学位级别：硕士
专业：化工过程机械
指导教师：周慎杰
20090519
建筑小区内气流流场的数值模拟分析 文摘：本文采用计算流体动力学CFD（computational fluid dynamics）的方法，对北京地区冬季北风情况下某建筑小区内的气流流动进行了数值模拟仿真。借助数值模拟能模拟真实情况、资料详细的优点，对该小区两个主要区域在冬季北风向这一不利工况下的气流流动情况进行了分析，由此可见，通过CFD方法对小区气流流动进行模拟仿真，并且以直观形象的可视化结果展现于设计者和客户，可方便地对小区布局设计进行指导以及对小区内微气候进行评价。 1. 前言 建筑师们在设计建筑小区时，注意力多集中在建筑平面的功能布置，美观设计及空间利用上，而很少考虑到小区内高层、高密度建筑群中气流流动情况对人的影响：局部地方（尤其是高层）风速太大可能对人们的生活、行动造成不便，也有可能在某些地方形成旋涡和死角，不利于室内的自然通风，从而形成不好的小区微气候。因此，为了营造绿色舒适的建筑小区微环境，需要在规划设计阶段对小区内气流流动情况作出预测评价，以指导设计。通常可用模型实验或者数值模拟的方法对小区内的空气流动进行预测。模型实验方法周期太长，价格昂贵，不利于用于设计阶段的方案预测和分析；而数值计算相当于在计算机上做实验，相比模型实验方法周期较短，价格低廉，可以以较为形象和直观的方式将结果展示出来，利于非专业人士通过形象的流场图和动画了解小区内气流流动情况。因此这里将介绍利用数值模拟技术模拟仿真小区内气流流动的详细情况，藉此对小区微气候作出评价分析以及对小区的设计作出改进优化。国外早在1980年代就利用数值模拟手段对室外气流流动进行研究，但主要针对单体建筑[1]。近年来，我国也开始对高密度的建筑小区这一具有中国特色的建筑形式内的气流流场进行数值模拟研究[2]。随着计算机技术、数值计算技术以及湍流模拟技术的发展，如今我们可以对非常复杂的实际建筑小区内气流流动进行模拟仿真，方便、直观地对小区微气候作出评价。下面将以一个实际的建筑小区为例进行分析。 2. 计算流体动力学技术简介 简而言之，流体流动的数值模拟即在计算机上做实验。它在计算域内离散空气流动遵循的流体动力学方程组，将强烈非线性的偏微分方程组转变为代数方程组，再采用一定的数值计算技术求解之，从而获得整个计算区域内流场分布的详细信息，最后可将结果用计算机图形学技术形象直观地表示出来。这就是所谓的计算流体动力学CFD （Computational Fluid Dynamics）。由于实际空气是粘性流体，流动基本为湍流流动，故这其中涉及湍流模拟技术。自1974年以来，人们开始进行大量的CFD技术应用于建筑环境的模拟研究工作[3]。如今，CFD技术已经在建筑环境和设备模拟中取得了很大的成就。这里我们采用国际公认的权威CFD技术研究机构：英国帝国理工学院CHAM 研究所开发的PHOENICS软件对下面的小区内空气流动情况进行模拟仿真分析。该软件具有众多的湍流模型和数值差分格式，并经过了上千个算例的实验验证，能保证计算结果的准确性。有关CFD技术的内容可参考有关文献和专著。 3. 计算工况说明 这里将要分析的小区是北京东润枫景小区，它是北京朝阳区东风农场改建住宅区，总建筑面积约49万平方米，
基于CFX的离心泵 内部流场数值模拟基于CFX的离心泵内部流场数值模拟 随着计算流体力学和计算机技术的快速发展，泵内部的流动特征成为热点研究方向，目前应用 CFX 软件的科研人员还较少，所以将CFX 使用的基本过程加以整理供初学者参考。如有不对之处敬请指教。 、CFX数值计算的完整流程 、基于ICEM CFD勺离心泵网格划分 2.1导入几何模型 2.2修整模型 2.3创建实体 2.4仓U建PRAT 2.5设置全局参数 2.6划分网格 2.7检查网格质量并光顺网格2.8导出网格—选择求解器2.9导出网格 、CFX-Pre设置过程 3.1基本步骤 3.2新建文件
3.3导入网格 3.4定义模拟类型3.5创建计算域3.6指定边界条件3.7建立交界面
3.8定义求解控制 3.9定义输出控制 3.10写求解器输入文件 3.11定义运行 3.12计算过程 四、CFX-Post 后处理 4.1计算泵的扬程和效率 4.2云图 4.3矢量图 4.4流线图 2.1导入几何模型 在ICEMCFD软件界面内，单击File宀Imort Geometry^STEP/IGES（—般将离心泵装配文件保存成STEP格式）， 将离心泵造型导入I C E M如图3所示。 图3导入几何模型界面
2.2 修整模型 单击Geometry^Repair Geometry 宀Build Topology，设置Tolerenee，然后单击Apply，如图 4 所示。拓扑 分析后生成的曲线颜色指示邻近表面的关系：gree n =自由边，yellow =单边，red =双边，blue =多边，线条 颜色显示的开/关Model tree T Geometry T Curves T Color by cou nt,Red curves 表示面之间的间隙在容差之 内，这是需要的物理模型, N41 f !孕ECHH 匚丁E> !1 Z-和-1 ：z? ...... ....................... 兰直卤* 百曲gw 卜宀-im * Q涕曲空JIT^J 厂社tt-sfri- Piwpe^ifl-5 CorFklr air^ i Cphcri s Quip^jr 匸* JO 匸叭和皈X XWM X ■an. y% wn- Yellow edges 通常是一些需要修补的几何。 亠 图4修整模型界面 2-3 创建实体单击Geometry^Creade Body,详细过程如图5所示。
收稿日期:2004-06-20 作者简介:綦 蕾(1981-),女,湖南株洲人,博士生,qileil @https://www.doczj.com/doc/f212527464.html, . 汽轮机末级三维非定常流动数值模拟 綦 蕾 郑 宁 程洪贵 (北京航空航天大学能源与动力工程学院,北京100083) 摘 要:空冷汽轮机组采用空气作为冷却介质,是一种典型的变工况运行机组.深入了解透平叶片在设计状态和高背压条件下的非定常流动机理,能更好设计 空冷汽轮机以及提高叶轮机械的性能和稳定性.主要利用三维粘性非定常数值模拟的方法对设计状态和高背压条件下透平叶片内部的流动进行模拟,并分析了设计状态和高背压条件下非定常流动机理.结果表明,在设计状态动静干涉作用是导致非定常现象产生的主要原因;在高背压条件下动静干涉作用很弱,导致非定常现象不明显. 关 键 词:透平;非定常流动;动静干涉 中图分类号:V 221文献标识码:A 文章编号:1001-5965(2005)02-0206-06 Numerical simulation of the 3-D unsteady flo w in the last stage of the steam turbine Qi Lei Zheng Ning Cheng Honggui (S c hool of Jet Propulsion ,Beijing University of Aeronautics and Astronautics ,Beijing 100083,China ) Abstract :Air cooling steam tur bine uses air as working fluid ,and it works in variable -operating condition .It is important for the design of air cooling steam tur bine and the performance and stability of tur bine to study unsteady flow mechanism in design and off -design state .The flow of turbine in design and off -design state was simulated by the method of numerical simulation of 3-D viscous flow ,and the flow mechanism in design and off -design state was studed .The results sho w r otor -stator interaction causes unsteady flow in design state ,and the rotor -stator interaction in off -design state is weak ,the unsteady phenomena is not obvious in off -design state . Key words :turbine ;unsteady flow ;rotor -stator interaction 空冷汽轮机组与湿冷汽轮机组相比,具有明显的节约水资源的优势,其不利因素在于空冷汽轮机组低压缸末级的出口背压较高,且随着工作环境的变化,出口背压变化范围较大,末级叶片应力会大幅度变化.当背压高于设计状态接近鼓风状态时,汽轮机组在小容积流量下工作,末级动叶进口的流动存在大负攻角,动叶顶部的负攻角更为明显.大负攻角来流在动叶压力面造成大尺度分离流动,而大尺度分离流动和叶片自身的微幅振动,可能导致叶片气动弹性失稳,甚至发生颤振,造成末级叶片损坏.深入了解透平叶片在高背 压条件下的非定常流动机理,并有效地在设计中 控制叶片排内流动,减小叶片应力,提高工作效率,对于空冷汽轮机极为重要,对提高叶轮机械的性能和稳定性也具有重要意义. 叶轮机械内部的流动本质上是三维非定常复杂流动.在一定的负荷水平下,叶轮机械的效率和稳定工作范围等是衡量其性能好坏的重要指标.效率的高低取决于气流流过叶片通道时损失的大小.非定常作用将直接影响到损失的产生、输运和扩散,并在叶片上产生非定常负荷.叶轮机内非定常流动通常包括2层含义,分别对应2类不同的 2005年2月第31卷第2期北京航空航天大学学报Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics February 2005 Vol .31 No .2 DOI :10.13700/j .bh .1001-5965.2005.02.022
定常流动 流体（气体、液体）流动时，若流体中任何一点的压力，速度和密度等物理量都不随时间变化，则这种流动就称为定常流动；反之，只要压力，速度和密度中任意一个物理量随时间而变化，液体就是作非定常流动或者说液体作时变流动。 所以，定常流动时，管中流体每单位时间流过的体积(体积流量)qV为常量，流体每单位体积的质量(密度)ρ也是常量。 非定常流动 流体的流动状态随时间改变的流动。若流动状态不随时间而变化，则为定常流动。流体通常的流动几乎都是非定常的。 分类 按流动随时间变化的速率，非定常流动可分为三类：①流场变化速率极慢的流动：流场中任意一点的平均速度随时间逐渐增加或减小，在这种情况下可以忽略加速度效应，这种流动又称为准定常流动。水库的排灌过程就属于准定常流动。可认为准定常流动在每一瞬间都服从定常流动的方程，时间效应只是以参量形式表现出来。②流场变化速率很快的流动：在这种情况下须考虑加速度效应。活塞式水泵或真空泵所造成的流动，飞行器和船舶操纵问题中所考虑的流动都属这一类。这类流动和定常流动有本质上的差别。例如，用伯努利方程（见伯努利定理）描述这类流动，就须增加一个与加速度有关的项，成为： ,式中为理想流体沿流线的速度分布；A和B表示同一流线上的两个点;P 为压强;为密度；g为重力加速度；z为重力方向上的坐标；ds为流线上的长度 元。③流场变化速率极快的流动：在这种情况下流体的弹性力显得十分重要，例如瞬间关闭水管的阀门。阀门突然关闭时，整个流场中流体不可能立即完全静止下来，速度和压强的变化以压力波（或激波）的形式从阀门向上游传播，产生很大的振动和声响，即所谓水击现象。这种现象不仅发生在水流中，也发生在其他任何流体中。在空气中的核爆炸也会发生类似现象。 除上述三类流动外，某些状态反复出现的流动也被认为是一种非定常流动。典型的例子是流场各点的平均速度和压强随时间作周期性波动的流动，即所谓脉
毕业设计说明书 作者：学号： 学院： 系(专业)：热能与动力工程 题目：空调房间气流组织数值模拟和优化指导者：讲师 (姓名) (专业技术职务) 评阅者： (姓名) (专业技术职务) 2012 年 6 月2 日 毕业设计（论文）中文摘要
毕业设计（论文）外文摘要 Title Numerical simulation of air-conditioned room air distribution and optimization Abstract Airflow-organizing in air-conditioned indoor air environment, air quality has an important effect is directly related to the indoor temperature, area, flow rate and air-conditioning energy consumption is an important part of the air-conditioned. Effective ventilation and airflow organization has an important significance for improving indoor air quality, to ensure the realization of healthy buildings, healthy comfort air conditioning. The main factors to affect the flow in room inlet velocity, the location of the air inlet into the return air relative position Firstly, the establishment of a physical model and mesh using Gambit software, and numerical simulations using Fluent software, said in an intuitive way the temperature field and velocity field of airflow under different air distribution program, analyzing the draw for office and other similar air-conditioned room, Side of the send side back, on sending the next time, on to send back, next to send back to the four air distribution are more appropriate. But the better Side of the send side back and on to send back on the air current forms of organization. Keywords：Airflow-organizing;Numerical simulation; Turbulence model;Temperature field;Velocity field.
基于CFX的离心泵内部流场数值模拟 基于CFX的离心泵内部流场数值模拟 随着计算流体力学和计算机技术的快速发展，泵内部的流动特征成为热点研究方向，目前应用CFX 软件的科研人员还较少，所以将CFX使用的基本过程加以整理供初学者参考。如有不对之处敬请指教。 一、 CFX数值计算的完整流程 二、基于ICEM CFD的离心泵网格划分 2.1 导入几何模型 2.2 修整模型 2.3 创建实体 2.4 创建PRAT 2.5 设置全局参数 2.6 划分网格 2.7 检查网格质量并光顺网格 2.8 导出网格－选择求解器 2.9 导出网格 三、CFX-Pre 设置过程 3.1 基本步骤 3.2 新建文件 3.3 导入网格 3.4 定义模拟类型 3.5 创建计算域 3.6 指定边界条件 3.7 建立交界面 3.8 定义求解控制
3.10 写求解器输入文件 3.11 定义运行 3.12 计算过程 四、 CFX-Post后处理 4.1 计算泵的扬程和效率 4.2 云图 4.3 矢量图 4.4 流线图 2.1 导入几何模型 在ICEM CFD软件界面内，单击File→Imort Geometry→STEP/IGES（一般将离心泵装配文件保存成STEP格式），将离心泵造型导入ICEM，如图3所示。 图3 导入几何模型界面 2.2 修整模型 单击Geometry→Repair Geometry→Build Topology，设置Tolerence，然后单击Apply，如图4所示。拓扑分析后生成的曲线颜色指示邻近表面的关系：green = 自由边， yellow = 单边，red = 双边， blue =多边，线条
装有气流分布板的脱硫喷淋塔流场数值模拟 过小玲1金保升孙志翱 （东南大学热能工程研究所，江苏南京210096） 摘要以600 MW机组喷淋塔为研究对象，利用Fluent软件，对装有一定开孔率气流分布板的脱 -模型作为计算模型，并结合拉硫喷淋塔进行了空塔和喷淋状态下热态流场数值模拟。计算中选用kε 格朗日颗粒轨道模型，用SIMPLE算法进行计算。计算结果表明，气流分布板对塔内流场、温度场和压力场都有一定的影响；引入喷淋液后，由于喷淋液滴对塔内流场强烈的整流作用，内部速度明显趋于均匀化。 关键词喷淋塔Fluent软件数值模拟气流分布板 Flow simulation for FGD spray scrubber with gas distributing board Guo Xiaoling, Jin Baosheng, Sun Zhiao (Department of Power Engineering, Southeast University, Nanjing Jiangsu 210096) Abstract: The research was based on a spray scrubber with a gas distributing board in a capacity of 600 MW unit, using software of Fluent to simulate the field in the spray scrubber. Both under spray and without spray conditions were simulated. The gas flow was described using standard kε-model and SIMPLE algorithm. Lagrange particle trajectory model was used to imitate the initial condition of the slurry droplet. The results showed that the gas distributing board had a significant influence on the interior field. When spray was introduced, the gas velocity became uniform. This was because the slurry droplets bring huge influence on the flue gas flow by cutting down the scale of the eddy of the flue gas. Keywords: Spray scrubber Fluent Numerical simulation Gas distributing board 喷淋塔是湿法烟气脱硫工程中的核心设备，其内部复杂的两相流动直接影响着喷淋塔的设计及其脱硫效率。对于脱硫喷淋塔，仅靠试验难以揭示塔内的各种参数[1]。而数值模拟方法具有经济、高效的特点，且排除了模型试验方法中存在的缩小误差的问题及安全问题[2]特别是利用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)通用软件之后，还避免了复杂的编程工作，已经成为研究塔内流场的有力工具[3]。目前国内数值模拟基本上为二维的冷态模拟[4]，或者是三维空塔的模拟；而国外学者的研究主要集中在脱硫机理或浆液液滴的运动方面[5-7]，很少针对脱硫塔进行流场等研究。 本文以600 MW机组带气流分布板的喷淋塔为研究对象建立三维模型，用Fluent软件对喷淋塔空塔和喷淋状态下的热态流场进行了数值模拟。采用kε -模型，并结合浆液液滴随机生成模型，用SIMPLE算法进行计算。 1 喷淋塔模型的建立 1.1 烟气流动的物理模型 1.1.1 物理模型简化 烟气脱硫塔结构如图1(a)所示。烟气沿水平下倾烟道进入塔体，在上升过程中先通过气流分布板，再依次经过3个喷淋层。脱硫浆液由均匀布置于喷淋层的雾化喷嘴引入，与1第一作者：过小玲,女，1981年生，硕士，研究方向为烟气脱硫技术。
室内气流组织数值模拟与舒适度分析 摘要：分别对采用百叶侧送侧回、喷口侧送侧回、散流器顶送下回、分层空调、置换通风方式的室内空调室内气流的速度场和温度场进行了数值模拟，并对其结 果进行了实验验证。根据ADPI指标对这几种送回风方式进行了热舒适性评价。 结果表明，分层空调和置换通风是室内中较好的气流组织方式。 关键词：室内；气流组织；速度场；温度场；数值模拟；热舒适 引言 传统空调系统的气流组织是以送风射流为基础的，通过反复迭代检查温度和 速度。最后，找到合理的回风方案和参数。空调房间内的供气射流大多是多个非 等温湍流射流，一般设计方法是基于单股等温紊流射流的规律，射流约束修正系数、射流重合度和非等温射流的修正系数。介绍。这种方法忽略了很多其他因素，如排风口的尺寸和位置、热源的性质和位置等，因此必然有一定的误差，在某些 情况下甚至有很大的误差。若简单地将这种方法用于空间空调系统的气流组织设计，是不合适的。 空间空调系统的气流设计没有成熟的理论和实验结论。主要研究方法是将气 流的数值分析与模型相结合。由于气流的数值分析涉及到各种可能的内部扰动、 边界条件和初始条件，所以可以完全反映房间内的气流分布，从而确定气流的最 佳方案。 1室内空气流动的有限元数值模拟 机械通风房间内的空气流动多属于非稳态湍流流动，直接模拟尚不现实。在 解决实际问题时，需要对物理模型进行一定的假设和简化处理。笔者作了以下假设： 1）室内空气为低速不可压缩气体，且符合 Boussinesq 假设； 2）室内空气流动为准稳态湍流流动； 3）忽略能量方程中粘性效应引起的能量耗散。 2各种送风方式下大空间室内气流组织数值模拟 2.1研宄对象 本文的研宄对象为有内热源、尺寸为12 mX &4 mX5.0 m（长X宽X高）的长 方体建筑模型（如图1所示），风口设在外墙侧。人员和设备由于不断放出热量，对室内气流分布特性有重要影响，将其视作内热源处理。内热源模型为0.4 mX 1.2 mX 1.3 m（长X宽X高）的长方体。在内热源模型内部不求解控制方程，把它的内表面视作速度为0的壁面。考虑模型的对称性，取一个空调送风单元（3 mX 4.2 mX 5.0 m）进行模拟计算分析。本文主要讨论0.1 m和1.1m高度的情况，这 两个平面之间的区域可以代表工作区。 2.2边界条件的处理 室内温度设定为（26±2）°C，内墙的温度设定为26°C，外墙为26.5屋顶为26°C。人体和设备的发热功率之和为600 W。本文应用有限元的非统一网格，在 人体和设备周围、外墙附近及风口附近对网格进行加密，在壁面附近采用壁面函 数法。非线性方程组由FIDAP（流体力学有限元软件包）的求解器通过迭代求解。 2.3常用送回风方式下室内气流组织模拟及气流分布特性评价
喷口射流流场的数值模拟 摘要 本文在对数学模型及物理模型进行理论分析的基础上，基于ε-k 方程双方程模型与SIMPLE 算法，运用模拟软件6.1，对不同喷口流场进行了三维模拟，证实了射流流场与喷口内部流线有密切关系，并对结果进行了分析比较，从而为喷口的优化设计提供了依据。 关键词 喷口；计算流体力学；数值模拟 1 引言 目前，高大空间的空调一般采用分层空调的方式。该系统一般采用喷口送风，喷口的结构，位置对室内气流组织影响较大。国内的生产厂家较少涉足该喷口的制作，有的厂家尽管生产，一般都套用国外产品的性能参数.由于制造工艺等方面的原因，其性能参数与国外的产品不同，按此设计其空调效果较差。实践证明，一些进口的喷口，空调效果比较理想。 从物理角度而言，空调通风房间的空气流动是由风口射流引起的，射流动量流量和质量流量对室内空气分布情况起关键作用。为了能准确的描述风口，产生了很多风口模型的模拟方法。就目前的研究情况来说，比较广泛使用的风口模型模拟方法[1] 主要包括传统模型法、基本模型法、动量方法、盒子方法和指定速度方法。通常这些模型对末端装置的特性不予考虑或考虑得不够，模拟主要是针对室内的气流运动而进行的，而没有模拟送风装置内部的气流[2] 。本文通过计算机直接模拟喷口形成入口边界条件对不同结构的喷口进行了模拟。 2 数学物理模型 2.1 风口模型 计算机直接模拟喷口形成入口边界条件是先从管道到喷口出口处的三维区域进行模拟，得出出口断面处的各变量参数，然后将此结果作为对室内空气流动模拟的入口边界条件。 2.2 基本方程 ［4］ Fluent6.1 把连续方程、动量方程、能量方程写成如式2.1所示的通用方程形式： ()φφφφρρφS x u x t i i i =???? ? ???Γ-?? +?? （2.1） 式中：φ _____通用变量，如u ,v ,w ,T ,,K ε等； ρ _____流体的密度， kg/m 3；
汽车外流场的数值模拟 宁燕，辛喆 中国农业大学， 北京 （100083） E-mail ：rn063@https://www.doczj.com/doc/f212527464.html, 摘 要：利用CFD 方法，运用FLUENT 软件对斜背式车型的外流场进行了数值模拟，并对结果进行了处理与分析。研究了车身周围涡系的三维结构和车身表面分离流的情况，表明由于车身前后的压力差和主流的拖拽作用等，在汽车尾部形成了极其复杂的涡系。 关键词：汽车空气动力学；CFD ；车身外流场；FLUENT 1. 引 言 汽车空气动力学的研究主要有两种方法[1]：一种是进行风洞实验，另一种是利用计算流体动力学（CFD ）技术进行数值模拟。传统的汽车空气动力学研究是在风洞中进行实验，存在着费用昂贵、开发周期长等问题。另外，在风洞实验时，只能在有限个截面和其上有限个点处测得速度、压力和温度值，而不可能获得整车流场中任意点的详细信息。 随着计算机技术和计算流体动力学的发展，汽车外流场的计算机数值仿真由于其具有可再现性、周期短以及低成本等优越性而成为研究汽车空气动力学性能的另一种有效方法。 2. 控制方程和湍流模型 汽车外流场一般为定常、等温和不可压缩三维流场，由于外形复杂易引起分离，所以应按湍流处理。汽车外流场的时均控制方程式[2]如下：3,2,1,=j i ；z x y x x x ===321,,；，： u u =1w u v u ==32,平均连续方程：0=??i i x u 平均动量方程：??? ???????????????+????+???=??i j j i eff j j j i j x u x u x x p x u u μρ κ方程 ρεκσμμκρκ?+??????????+??=??G x x x u j t j j j )( ε方程 κερκεεσμμερε221)(C G C x x x u j t j j j ?+??????? ???+??=?? -1-
大空间建筑室内气流组织数值模拟与舒适性分析 发表时间：2019-04-30T10:40:18.810Z 来源：《基层建设》2019年第4期作者：王雷谢恩 [导读] 摘要：在我国快速发展的过程中，我国的国民经济得到了快速的发展，分别对采用百叶侧送侧回、喷口侧送侧回、散流器顶送下回、分层空调、置换通风方式的大空间建筑空调室内气流的速度场和温度场进行了数值模拟,并对其结果进行了实验验证。 中建三局第一建设工程有限责任公司湖北武汉 430040 摘要：在我国快速发展的过程中，我国的国民经济得到了快速的发展，分别对采用百叶侧送侧回、喷口侧送侧回、散流器顶送下回、分层空调、置换通风方式的大空间建筑空调室内气流的速度场和温度场进行了数值模拟,并对其结果进行了实验验证。根据ADPI指标对这几种送回风方式进行了热舒适性评价。结果表明,分层空调和置换通风是大空间建筑中较好的气流组织方式。 关键词：大空间建筑；气流组织；速度场；温度场；数值模拟 引言 常规空调系统气流组织的设计是以送风射流为基础,通过反复迭代对温度和速度进行校核,最后找到合理的送回风方案和参数。空调房间的送风射流大多属于多股非等温受限湍流射流,而一般的设计方法是在单股等温湍流送风射流规律的基础上,引入射流受限、射流重合和非等温射流修正系数,这种方法忽略了很多其他因素,如排风口的尺寸和位置、热源的性质和位置等,因此必然有一定的误差,在某些情况下甚至有很大的误差。若简单地将这种方法用于高大空间空调系统的气流组织设计,是不合适的。对于高大空间空调系统的气流组织设计,目前尚无成熟的理论和实验结论,主要研究手段是将气流数值分析和模型相结合。由于气流数值分析涉及室内各种可能的内扰、边界条件和初始条件,因此能全面地反映室内的气流分布情况,从而便于确定最优的气流组织方案。 1大空间气流组织的研究意义 对于现代的工艺空调车间，不但要满足工艺方面的要求，而且还要营造良好的室内人工环境。在生产过程中必须保证生产工艺所要求的温度、风速、湿度，为生产提供条件，同时也要求提供合适的新风量，保证一定的洁净度和噪声标准，为工作人员提供良好的工作环境。在各类工艺空调建筑内，空气调节是实现这些人工环境的最佳手段。在大空间空调中，经过处理的空气由送风口进入，与室内空气进行热湿交换，经过回风口排出。空气的进入与排出，必然引起室内空气的流动，而不同的空气流动状况有不同的空调效果，合理组织室内空气的流动，使室内空气的温度、湿度、流动速度等能更好地满足工艺要求，符合人们的舒适感觉。由此可见，大空间气流组织直接影响室内的空调效果，是关系到工作区的温湿度基数、精度及区域温差、工作区的气流速度及洁净度和人们舒适感觉的重要因素，是空气调节的重要环节，对其进行研究己口渐成为一项重要的课题。 2大空间建筑室内气流组织有限元法数值模拟 2.1物理模型假设 机械通风房间内的空气流动多属于非稳态湍流流动,直接模拟尚不现实。在解决实际问题时,需要对物理模型进行一定的假设和简化处理。笔者作了以下假设:1)室内空气为低速不可压缩气体,且符合Boussinesq假设;2)室内空气流动为准稳态湍流流动;3)忽略能量方程中由于黏性作用引起的能量耗散。4）控制方程求解与罚函数的采用应用K-ε两方程模型模拟湍流,加上连续性方程、动量方程、能量方程组成控制方程组。方程组中空气密度ρ=1.1941kg/m3,黏度μ=1.81×10-5Pas,6个经验系数的取值如下:Cμ=0.09,C1=1.44,C2=1.92,σT=0.9～ 1.0,σK=1.0,σε=1.3。对流场控制方程用有限元法求解。为防止病态方程组出现,本文采用罚函数法。罚函数模型是压力速度模型的变形形式,把连续方程作为罚函数约束导入动量方程从而消去压力项,得到只有速度项的动量方程,即令p=-λp(v)(1)式中λp是罚参数。在求解其他变量之前,将压力从全部未知量中消去,这将减少求解未知量的数目。压力在其他变量求出后重新求得。 2.2各种送风方式下大空间室内气流组织数值模拟 2.2.1下送风方式(置换通风)室内气流组织模拟 置换通风气流组织的影响因素很多,例如热源的大小和位置、送风温度以及障碍物的高度和位置等。由于长方体内热源模型的假设不能很好反映置换通风的流动特点,所以在此将内热源简化为一个处于房间底部正中间的面积为0.4m×0.4m的面热源,热源温度为40℃。为了模拟热源气流的上升,假设送风速度为0.3m/s,考虑冷气流的特点,假定地面温度为22℃,其余边界条件与前文相同。置换通风的送风温差一般为2～4℃,本文取4℃,则送风温度为22℃,送风速度为0.25m/s,送风口尺寸为1.0m×0.5m。尺寸为1.0m×0.5m的回风口布置在屋顶靠近置换装置的一侧,回风速度为0.35m/s。模拟显示z=0.1m断面上平均温度为22.66℃,平均速度为0.025m/s。 2.2.2边界条件的处理 室内温度设定为(26±2)℃,内墙的温度设定为26℃,外墙为26.5℃,屋顶为26℃。人体和设备的发热功率之和为600W。本文应用有限元的非统一网格,在人体和设备周围、外墙附近及风口附近对网格进行加密,在壁面附近采用壁面函数法。非线性方程组由FIDAP(流体力学有限元软件包)的求解器通过迭代求解。 2.3五种送回风方式室内气流分布特性评价 对舒适性空调来说,评价标准不外乎舒适性和经济性两个方面,前者是对气流在工作区形成的温度场、速度场能否满足人员的卫生和舒适要求的评价,后者则考虑为消除工作区的余热,送风的耗冷量是否最低。对气流组织性能有多种评价指标,如温度不均匀系数kt,速度不均匀系数kv,符合给定条件测点比例数F,以及能量利用系数η等。 3送回风参数对地面附近温度场和速度场的影响 前面我们对子午胎车间在冬夏两季最不利情况下进行了气流组织模拟预测，并对其设计效果进行了评价，结果表明原来的设计将使车间内冬季温度偏高，夏季温度偏低，不利于节能。这一章中我们将对夏季最不利工况进行研究，模拟预测子午胎车间在不同送风参数和回风口高度下的温度场和速度场，对比分析找出最佳送风参数和回风口高度，力图得出同类大空间车间的设计规律。 4结论 从流场情况看,上送风的几种形式中,百叶侧送侧回、喷口侧送侧回、散流器顶送下回、分层空调有相似的气流流动规律,但分层空调较为节能;喷口送风工作区平均温度、速度均较低,垂直温差、不均匀系数均较小,能量利用系数较大;散流器顶送下回方式气流在整个空间的分布较均匀,可较好地减少内热源对周围环境的热影响(z=1.1m平面上最高温度值比其他方式小),但其平均速度较大,在风口下部的人有吹风感;百叶
第37卷 第1期中 国 激 光 Vol.37,No.12010年1月 CHIN ES E J OURNAL OF LAS ERS J anuary ,2010 文章编号:025827025(2010)0120261205 激光熔覆载气式同轴送粉三维气流流场的数值模拟 董辰辉1,2 姚建华1,2 胡晓冬1,2 陈智君1,2 1 浙江工业大学机械制造及自动化教育部重点实验室,浙江杭州310014 2 浙江工业大学激光加工技术工程研究中心,浙江杭州310014 摘要 根据Navier 2Stokes 方程,采用COMSOL Multiphysics 软件进行了载气式同轴送粉系统的三维气流流场数值模拟。结果显示熔覆层的存在会使其上方气流流速减小、压强增大、相应的气流流量减小,并得到了气流汇聚点距喷嘴的距离。 关键词 激光技术;同轴送粉;三维流场;数值模拟;Navier 2Stokes 方程;喷嘴 中图分类号 TN249;TF124 文献标识码 A doi :10.3788/CJL 20103701.0261 Th ree Di me ns i o n al N u me rical Si m ul a t i on of Coa xi al P ow de r Feedi n g Fl ow wi t h Ca r r yi n g Gas Dong Chenhui 1,2 Y ao J ianhua 1,2 Hu Xiaodong 1,2 Chen Zhijun 1,2 1 Key L abor a tor y of Mecha nical Ma n uf act u re a n d Autom a tion ,M u nist r y of Ed ucation ,Zheji a ng U niversit y of Tech nology ,Ha ngzhou ,Zheji a ng 310014,Chi n a 2 Resea rch Cen ter of L aser Processi ng Tech nology a n d Engi neeri ng ,Zheji a ng U niversit y of Tech nology ,Ha ngzhou , Zheji a ng 310014,Chi n a Abs t r act The three 2dimensional incomp ressible Navier 2Stokes application mode of COMSOL Multiphysics software is used for modeling and simulating the coaxial powder feeding flow with carrying gas in this article.The dist ributing of velocity field and p ressure of flow is studied.Numerical simulations show the cladding layer results in the decrease of velocity and flow of gas ,and the increase of p ressure.The distance between the powder head and the convergent point of gas is calculated. Key w or ds laser technique ;coaxial powder feeding ;three dimensional flow ;numerical simulation ;Navier 2Stokes equation ;nozzle 收稿日期:2009203223;收到修改稿日期:2009204203 基金项目:科技部国际合作项目(J G 2JD 22008001),浙江省自然科学基金(Y107489)和浙江工业大学教改项目资助课题。 作者简介:董辰辉(1983—),男,硕士研究生,主要从事激光熔覆中送粉过程的数值模拟方面的研究。E 2mail :dch_1209@https://www.doczj.com/doc/f212527464.html, 导师简介:姚建华(1965— ),男,博士,教授,主要从事激光先进制造与加工技术等方面的研究。E 2mail :laser @https://www.doczj.com/doc/f212527464.html, 1 引 言 激光熔覆技术是采用高能激光束在金属表面熔 覆一层硬度高、热稳定性好、与基体形成冶金结合的复合涂层的工艺。载气式同轴送粉是实现激光熔覆的关键技术之一,它主要依靠载气的动能把粉末均匀、稳定地输送出去,辅之以气体动力分散和运输,使粉末分散均匀、运输流畅,且能够重点解决立体送粉和合金粉末的长距离输送问题。同轴送粉中粉末流与激光束同轴输出,能够将粉末均匀分散成环形,再汇聚后送入聚焦的激光光束中,并很好地适应扫 描方向的变化,具有激光熔覆技术所需要的各向同性的功能。在载气式同轴送粉系统中,金属粉末流 存在能量、动量和质量输送物理过程,它们直接决定熔覆层的尺寸、精度和性能,因此需要对其粉末流场进行深入的研究。 工业应用中有许多与载气式同轴送粉激光熔覆相似的工艺,如冷喷涂等,对这些类似的工艺过程中的两相流动,人们从理论到实践进行了研究[1]。此外,J ehnming [2]研究了雷诺数为2000时,同轴送粉喷嘴内的气粉两相流动,计算和分析粉末流浓度的
应用FLUENT进行射流流场的数值模拟 谢峻石何枫 清华大学工程力学系 一．引言 射流是流体运动的一种重要类型，射流的研究涉及到许多领域，如热力学、航空航天学、气象学、环境学、燃烧学、航空声学等。在机械制造与加工的过程中，就经常利用压缩空气喷枪喷射出高速射流进行除尘、除水、冷却、雾化、剥离、引射等。在工业生产中，改善气枪喷嘴的设计，提高气枪的工作效率对于节约能源具有重大的意义。 FLUENT是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。本文的工作就是将FLUENT应用于喷嘴射流流场的数值模拟，使我们更加深刻地理解问题产生的机理、为实验研究提供指导，节省实验所需的人力、物力和时间，并对实验结果的整理和规律的得出起到很好的指导作用.。 二．控制方程与湍流模式 非定常可压缩的射流满足如下的N-S方程： （1） 上式中，是控制体，是控制体边界面，W是求解变量，F是无粘通量，G是粘性通量，H是源项。
采用二阶精度的有限体积法对控制方程进行空间离散，时间离散采用Gauss-Seidel隐式迭代。 FLUENT软件包中提供了S-A(Spalart-Allmaras)，K-（包括标准K-、RNG K-和Realizable K-），Reynolds Stress等多种湍流模式，本文在大量数值实验的基础上，亚音速射流选择RNG K-湍流模式，超音速射流选择S-A湍流模式。 三．算例分析 （一）二维轴对称亚声速自由射流 计算了一个出口直径为3mm的轴对称收缩喷嘴的亚声速射流流场，压比为1.45。外流场的计算域为20D×5D（见图1）。 图1 计算域及网格示意图 图2显示的是速度分布，图3、图4分别显示了轴线上的速度分布以及截面上的速度分布计算值与实验值的比较。从图中可以看出，亚声速自由射流轴线上的速度核心区的长度约为5～6D，计算值与实验值吻合的比较一致，证明RNG k-湍流模式适合于轴对称亚音速自由射流的数值模拟。
收稿日期:1999-04-19;修订日期:2000-01-21 文章网址:http ://ww w .hk xb .net .cn /hkx b /2001/01/0010/ 文章编号:1000-6893(2001)01-0010-05 叶轮机三维非定常流动数值模拟的研究 邹正平,徐力平 (北京航空航天大学404教研室,北京 100083) NUMERICAL STUDY OF THE 3-D UNSTEADY FLOW IN TURBOMACHINERY STAGES ZOU Zheng -ping,XU Li-ping (F aculty 404,Beijing U niver sity o f A ero nautics and A st ro nautics,Beijing 100083,China) 摘 要:利用数值模拟手段对压气机内部非定常流场进行了初步研究,在数值模拟中引进了双重时间步方法。研究和讨论了物理时间步长及网格尺寸对计算结果的影响,给出了叶轮机通道中非定常流动的部分流动图画,并对非定常流场进行了初步的分析。关键词:双重时间步方法;非定常流动;叶轮机械 中图分类号:V 231.3 文献标识码:A Abstract :T he application o f the implicit dual time step appr oach to t he prediction o f t hr ee -dimensio nal unsteady flow thr oug h the sta ge of co mpressor is presented,and the effects of mesh densit y and real t ime step on the simulated r esults are investigat ed.T he numerical result s show t ha t t he effect of mesh densit y and rea l time step is lar ger ,and there ar e complex unsteady flow structures in the blade passages .Key words :dual time step appr oach;unsteady flow ;t ur bomachiner y 叶轮机械内部流动是工程实践中的最复杂流动之一。它本质上是三维非定常复杂流动;不仅边界层流动具有三维性,存在层流区、转捩区、湍流区以及激波与边界层干涉、流动分离等现象;主流亦为旋涡流动(如泄漏涡、马蹄涡、通道涡、刮削涡以及尾迹涡等各种涡系)所控制,以三维剪切流动为主要特征;同时还存在动静干涉等非定常作用。近年的研究表明,非定常的流动特性有可能对系统性能产生较大的影响 [1～4] 。其中非定常流动不 仅会给系统带来不利的影响[5] ,也具有改善系统 性能的潜力[6]。非定常流动的研究,不但可以帮助人们了解流动的规律,更重要的是为人们的设计提供指导,如Clocking 等现象的发现和利用[7] 。 数值模拟作为非定常流动研究的重要手段之一,近年来得到长足发展。目前人们已经可以对叶轮机非定常流场进行三维粘性数值模拟 [8～11] ,然 而,有些问题还需进一步解决,计算所需时间和对计算资源的需求过大就是其中之一。Jam eson 于90年代发展了隐式双重时间步方法(Implicit dual time step appro ach),使得计算速度大大加快[12] 。本文将隐式双重时间步方法应用到叶轮机非定常流场的计算中,研究了网格密度和物理时间步长对计算结果的影响,并对叶轮机内部非定常流场进行了初步的研究和探索。 1 数值方法 本文工作是在原有Denton 三维粘性定常程序基础上发展起来的 [13] ,隐式双重时间步方法的 主要思想是:在控制方程中引入虚拟时间项,在计算中物理时间步迭代求真实解,而每一物理时间步内,则利用虚拟时间步迭代直至收敛。 绝对柱坐标系下三维N -S 方程的积分形式可写为 t v Q d V + A {F n x +(G -Qv mg )n q + H n r } d A = v (S i +S v )d V (1) 隐式双重时间步方法即在方程(1)中引入虚拟时间项,如式(2)所示 v Q d V + t v Q d V + A {F n x + (G -Qv mg )n q + H n r } d A = v (S i +S v )d V (2) 在求解中,时间方向上对虚拟时间步迭代求解至非定常源项为零,则方程(2)为一非定常精确方程,其解为非定常流动解[11]。2 边界处理 采用简化方法,即保证叶片堵塞一致,按一定比例缩放叶片,如Daw es 等[15,16]。Arno ne 和 第22卷 第1期2001年 1月 航 空 学 报ACT A A ERO N A U T ICA ET A ST RON A U T ICA SI NI CA Vo l.22N o.1 Jan.2001