有关室内悬浮颗粒的数值模拟

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1、室内悬浮颗粒的数值模拟湖南大学李孔清龚光彩汤广发摘要：本文应用多流体模型和小滑移模型对一1000级电子洁净厂房分别进行了数值仿真，得到了流场，温度场及颗粒分布等有用信息，并与实验所测数据进行了比较。文中分析比较了这两种模型的优缺点及其精度，得出在一定的条件下，多流体模型比小滑移模型更适合模拟洁净室中稀疏悬浮颗粒。关键词：悬浮颗粒，数值模拟，多流体模型，小滑移模型ABSTRACT:Multi-Fluidmodel(MF)andNo-Slip(NS)modelhavebeenappliedtonumericallysimulat

2、eaelectroniccleanworkshopofclass1000respectivelyinthispaper.Informationaboutflowpattern,temperaturedistributionaswellasparticulatedistributionetchavebeenattainedfromthesimulationresultandcomparisonhasbeenmadeagainstexperimentaltestdata.Conclusionshavebeenmadethroug

3、hanalyticcomparisonofbothadvantageanddisadvantageaswellasaccuracybetweentwomodelsthatMFperformsbetterthanNSinthesimulationofsparsesuspensionparticleincleanroomundercertaincircumstances.KEYWORDS:Suspensionparticle,Numericalsimulation,Multifluidmodel,No-slipmodel主要符号

4、表拉丁字母符号希腊字母符号下脚标u速度μ动力粘性系数k颗粒k湍流动能ε湍流动能耗散率i,j,k坐标方向n颗粒数密度ν运动粘性系数T湍流的p压力ρ密度Gk平均流产生项σ普朗特数Gb浮力产生相τ时间尺度g重力加速度0引言气粒两相流是自然界普遍存在的流动现象。研究其运动规律有助于更好地解释、理解自然界和工程界有关现象，并在实践中加以利用，改进和完善现有设备、设施。两相流技术在生产、生活中运用也日渐广泛，并逐渐渗透到各行各业，各个生产工艺或过程中。理解颗粒的输运过程或运动规律是设计净化系统或设备及采样仪器仪表的基础。通过干燥或去湿来

5、提取空气中含有的特殊物质也取决于颗粒的输运过程。不同时期由于其应用水平和要求及研究方法与手段的不同，研究的内容和深度也不一样。本文采用CFD技术与实验相结合的方法对室内悬浮稀疏颗粒的运动进行了数值仿真，对不同的颗粒模型进行了对比研究。图11000级洁净室1计算对象本文的计算对象为某厂1000级的洁净厂房。房间尺寸为7.6×4×2.5（长×宽×高，单位：m）。其物理模型如图1所示：在顶棚上均匀布置四个500mm×500mm的送风口。在长度方向两侧各布置3个600mm×400mm回风口。房间周围均为空调厂房，洁净度为10000级

6、。本次数值仿真与试验是应建设方的要求，对其洁净厂房在建成后进行的一次数值验证。1．1网格划分图2网格分布对上述对象在x,y和z方向分别划分成63，35，和27个网格。在入口处和出口处对网格进行了加密，共59535个节点，网格形状为长方体。具体网格划分如图2所示：1．2网格不均匀性分析x方向网格最大间距与最小间距之比为：1：0.386。y方向网格最大间距与最小间距之比为：1：0.444。z方向网格最大间距与最小间距之比为：1：0.660。总体网格最大间距与最小间距之比为：1：0.343。2数学模型本次研究采用文献1提供的颗粒数

7、学模型，并正对室内悬浮颗粒为稀疏悬浮颗粒这一特性作了适当简化（具体见文献2）。研究中选择多流体模型和小滑移模型两种模型作为基础。自行开发了MFC程序对此对象进行了数值计算。其中所用的数学物理模型如下：2.1多流体模型此模型为假设颗粒相在微观上同样遵循N-S方程，采用体积平均的方法对层流方程进行了第一次处理，然后再按雷诺时平均对其所得方程进行处理。其控制方程如下：气相连续方程：(1)颗粒相连续方程：(2)气相动量方程：(3)颗粒相动量方程：(4)气体的紊流动能与耗散率方程由于篇幅所限没有在此列出，具体参见文献1。显然上述方程组

8、不能封闭，颗粒的湍流粘性系数νk未知，在实践中，不同学者提出了不同的封闭方程的方法。一种简单的方法是使用Hinze-Tchen颗粒湍流粘性系数模型，有点类似单相流中混合长度模型。其表达式为：（5）2．2小滑移模型从20世纪50年代到60年代，Marble和S.L.Soo提出了连续介质模型即