基于RSM和LES湍流模型的旋流分离器流场数值模拟.pdf

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1、第42卷第3期化工机械409基于RSM和LES湍流模型的旋流分离器流场数值模拟+徐艳”柯林吴泽民吕凤霞张佳良(东北石油大学机械科学与工程学院)摘要采用三维结构网格，分别用雷诺应力模型和大涡模拟对旋流分离器内流场进行数值模拟，得到不同截面上速度、湍流强度和涡量的分布规律，并将速度模拟结果与LDV测试结果进行对比，结果表明，大涡模拟结果更接近LDV测量值，更适合旋流分离器内流场的数值模拟。关键词旋流分离器雷诺应力大涡模拟亚格子尺度模型LDV中图分类号TQ051．8文献标识码A文章编号0254-6094(2015)03-0409-05湍流模型是旋流分离器流场数值模拟研究

2、的关键，旋流分离器数值模拟的湍流模型研究表明，基于涡粘性假设下的混合长度模型、标准k-8模型、各种修正的k-e模型都存在不同程度的缺陷。解决上述各种模型缺陷的根本途径在于彻底放弃基于各向同性的涡粘性假设的湍流模型，转而采用基于各向异性的雷诺应力模型(RSM)和大涡模拟(LES)。近年来，LES也已被应用于水力旋流器内部流动的数值研究。DelgadilloJA和RajamaniRK分别采用LES、RSM和“重整化群”k-8湍流模型模拟旋流器流动，将其结果与试验结果对比发现，大涡模拟计算更为精确¨’21；SchmidtS等采用LES方法处理流体的非稳态特性，得到了较好

3、的结果‘3。1。笔者分别采用RSM和LES方法对旋流分离器三维流场进行数值模拟，并将模拟结果与实验结果进行比较，得到旋流分离器流场的分布规律。1RSM控制方程1．1基本控制方程对于不可压缩流动，时均化后，Navier—Stokes方程为：丝：0(1)Ox。、。警+p毒(Hi小一老+毒(卢詈一p再)㈩a石i＼7。ax，’7／其中，茗。、巧(i，，=1，2，3)代表坐标分量；M；、叶(i，_『=1，2，3)为时均速度分量；p为时均压力；／x为流体的动力粘度；P为流体密度；i可为雷诺应力分量。1．2RSM湍流模型通过求解下列雷诺应力输运方程来封闭基本方程：去(p再)+击

4、(眺再)咄嵋+咖q+Sq(3)其中，右端各项(扩散项D¨应力产生项P{『、压力应变项咖p粘性耗散项占口)的具体形式为：吁击(鲁警+p警)㈩Pq=一p(一u．uI--差+再薏)㈣咖i=_clpk(u,'ui----7一丁2蛾)_c2(P。一÷P“占。)(6)$国家自然科学基金资助项目(11402051)，国家火炬计划(2013GH530190)，黑龙江省应用技术研究项目(GAl3A402)，黑龙江省博士后基金资助项目(LBH—Z12273)，黑龙江省教育厅资助项目(kyl20444)。+·徐艳，女，1978年1月生，副教授。黑龙江省大庆市，163318。410化工机

5、械2015年其中，肛。为湍动粘度，矿。=0．82。这里C。=1．8，6fi为Kroneckerdelta，k为湍动能，P从=2p，占为湍流耗散率，占ij=一-q‘-p68¨这样就形成封闭的雷诺应力方程组。2LES控制方程2．1基本控制方程大涡模拟是把包括脉动运动在内的湍流瞬时运动量分解成大尺度运动和小尺度运动两部分。大尺度运动通过数值求解运动微分方程直接计算出来，小尺度运动对大尺度运动的影响则通过亚格子雷诺应力来模拟。对于不可压缩流动，大涡控制方程即滤波后的Navier．Stokes方程如下：塑+旦(戚)=o(7)Otc3x．、。‘’‘’告(戚)+去(厄弓)=一尝

6、+p杀+蠹[p(五ti～。uj)](8)其中，孑；，=一Ui—ttj—u；u，为亚格子(SGS)应力，需要封闭模型¨1。2。2亚格子尺度模型在涡粘模型中，亚格子应力张量式中一Tq与滤波后的应变速率张量s。的关系为：r“一÷下“占口=一2肛。SF(9)其中，p。是亚格子尺度湍流粘度，应变张量S。定义为：s。；÷(詈+差)(10，KimWW和MenonS在1997年提出了湍动能输运亚格子模型(Kinetic—EnergyTransport)，它在非均衡湍流的复杂流动中应用效果良好川。笔者采用湍动能输运亚格子模型(Kinetic—EnergyTransport)，计算旋

7、流分离器内复杂流动。肛。=C⋯k。。t／2af(11)k。=÷(u：一12)af=v173式中Ⅳ——过滤尺寸；I

8、}。——亚格子尺度动能。亚格子尺度应力可表示为：fⅡ一z2，ksg$占“=-2C护kW,nA届Ⅱ(12)(13)(14)通过求解输运方程得到k。“p等+p警=一r。薏～。p等+毒(鲁等)(15)其中，c。和C。由动态属性决定，盯。为I．0。3旋流分离器内流场数值计算模型3．1计算域及网格笔者以双锥型水力旋流器为研究对象，其主直径D=56mm，流体由两侧切向人13流入，在旋流器内部形成强螺湍流，从底流与溢流两个出口流出，其具体结构参数如图I所示。图1双锥

9、型水力旋流