cfd計(jì)算速度的分析

1、CFDCFD計(jì)算旋轉(zhuǎn)流時(shí)旋轉(zhuǎn)中心與幾何中心不重合的速度變換計(jì)算旋轉(zhuǎn)流時(shí)旋轉(zhuǎn)中心與幾何中心不重合的速度變換賈繼斌陳功(中國(guó)石油大學(xué)(北京)化工學(xué)院，北京102249)摘要：基于CFD計(jì)算旋轉(zhuǎn)流的三維速度計(jì)算值是以空間的幾何中心為基準(zhǔn)給定的。但旋轉(zhuǎn)流由于流動(dòng)的不穩(wěn)定性或空間結(jié)構(gòu)的非軸對(duì)稱性導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)流的旋轉(zhuǎn)中心偏離空間的幾何中心。這就使參照旋轉(zhuǎn)中心為基準(zhǔn)的三維速度分布不同于基于CFD計(jì)算的三維速度分布，兩者之間存在著一定的差別。在實(shí)際應(yīng)用中一

2、般分析問(wèn)題是建立在以旋轉(zhuǎn)中心為基準(zhǔn)的三維速度分布上的，因此需要將參考幾何中心CFD計(jì)算的速度變換為參考旋轉(zhuǎn)中心的速度。本文以旋風(fēng)分離器為實(shí)例分析了由于基準(zhǔn)不同所產(chǎn)生的速度變化，給出了CFD計(jì)算旋流時(shí)旋轉(zhuǎn)中心與幾何中心不重合的速度變換的方法。結(jié)論也同樣適用于其他類似旋轉(zhuǎn)流的計(jì)算分析。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：CFD，旋流，旋轉(zhuǎn)偏心，速度變換，旋風(fēng)分離器中圖分類號(hào)中圖分類號(hào)：TQ051.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)引言旋轉(zhuǎn)流是一種工業(yè)上廣泛應(yīng)用的流動(dòng)形式，如

3、旋風(fēng)分離器，水力旋流器，旋轉(zhuǎn)射流等。一般基于CFD計(jì)算旋轉(zhuǎn)流的三維速度計(jì)算值是以空間的幾何中心為基準(zhǔn)坐標(biāo)給定的。但由于旋轉(zhuǎn)流動(dòng)過(guò)程的不穩(wěn)定性或幾何結(jié)構(gòu)上非軸對(duì)稱等原因，旋轉(zhuǎn)流的旋轉(zhuǎn)中心偏離空間的幾何中心[1]，存在著旋轉(zhuǎn)偏心的現(xiàn)象，即旋轉(zhuǎn)流的旋轉(zhuǎn)中心與幾何中心不在一個(gè)軸線上，兩個(gè)中心不重合。若以不同的中心為參考基準(zhǔn)，旋轉(zhuǎn)流在空間上同一點(diǎn)的三維速度是不同的，存在著一定的差別，互相直接對(duì)等替換必定為后續(xù)的計(jì)算或分析帶來(lái)較大的誤差。在實(shí)際應(yīng)用

4、中，由于分析問(wèn)題的特點(diǎn)，在對(duì)旋轉(zhuǎn)流流場(chǎng)進(jìn)行分析中有時(shí)需要以旋轉(zhuǎn)中心為基準(zhǔn)的三維速度分布，此時(shí)應(yīng)對(duì)基于CFD計(jì)算的旋轉(zhuǎn)流三維速度值進(jìn)行修正，將參考幾何中心計(jì)算的流場(chǎng)變換為參考旋轉(zhuǎn)中心的流場(chǎng)。本文以蝸殼式旋風(fēng)分離器流場(chǎng)為CFD計(jì)算對(duì)象，重點(diǎn)分析旋風(fēng)分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)流的旋轉(zhuǎn)中心與旋風(fēng)分離器的幾何中心不在一個(gè)軸線上所導(dǎo)致的速度分量之間的差異，給出了將基于幾何中心計(jì)算的流場(chǎng)換算到參考旋轉(zhuǎn)中心的流場(chǎng)的方法。結(jié)論方法也同樣適用于其他有關(guān)類似旋轉(zhuǎn)流的計(jì)算分

5、析。度Vi＝=20ms，湍流脈動(dòng)動(dòng)能＝0.735m2s2avgu2)(23Iukavg?，＝＝0.49m2s2，m2s2，=17.021m2s3，??injiuuink320?jiuulhc5.175.0???其中，＝0.09，＝1.42，為入口處的平均流速，I是湍流強(qiáng)度，DH為?Chavgu入口水力直徑，為湍流特征尺寸。取I=0.05，，DH=0.116m。lHDl07.0?1.1.3.21.1.3.2出口邊界條件出口邊界條件出口邊界

6、條件按充分發(fā)展管流條件處理，所有變量在出口截面處軸向梯度為零，即。這種處理方法對(duì)出口截面的選擇要求比較高一般只有當(dāng)出口0???Z?區(qū)域有一平直段且離開(kāi)回流區(qū)已經(jīng)較遠(yuǎn)時(shí)采用。為此在計(jì)算中將旋風(fēng)分離器的出口管路加長(zhǎng)，以保證充分發(fā)展條件的成立。1.1.3.31.1.3.3壁面邊界條件壁面邊界條件壁面處采用無(wú)滑移邊界條件，默認(rèn)壁面粗糙度為0.5。壁面效應(yīng)是旋渦和湍流的主要來(lái)源因此近壁區(qū)的處理對(duì)數(shù)值求解結(jié)果的準(zhǔn)確性有顯著影響。由于在靠近固體壁面的

7、區(qū)域內(nèi)，流底層的粘性作用增強(qiáng)而湍流擴(kuò)散相對(duì)減弱，作用于高雷諾數(shù)下的湍流輸運(yùn)方程已不能嚴(yán)格有效。近壁網(wǎng)格點(diǎn)用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)近似處理。1.1.41.1.4差分格式差分格式在Fluent中，認(rèn)的差分格式是一階迎風(fēng)格式。論分析和計(jì)算過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，階迎風(fēng)格式只具有一階精度的截差，雖然具有良好的收斂穩(wěn)定性，但數(shù)值耗散過(guò)大，尤其對(duì)于強(qiáng)旋轉(zhuǎn)流，致使結(jié)果產(chǎn)生很大的誤差；二階格式具有較高的數(shù)值計(jì)算精度，但二階格式本身具有色散性結(jié)果會(huì)產(chǎn)生非物理震蕩，不具有守恒性

8、；QUICK差分格式比前兩種格式都有所改善，保留了結(jié)果的守恒，又使數(shù)值結(jié)果具有二階以上的精度的截差。QUICK差分格式最能準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)旋風(fēng)分離器內(nèi)的流場(chǎng)二階迎風(fēng)格式只能在某些方面給出好的結(jié)果，另一些方面卻遠(yuǎn)偏離實(shí)際情況，一階迎風(fēng)格式由于精度差，根本不能用于旋風(fēng)分離器這種復(fù)雜流場(chǎng)的模擬。因此，本文將采用QUICK格式控制方程的離散。1.1.51.1.5算法算法用FLUENT程序中的離散求解器進(jìn)行數(shù)值求解的?，F(xiàn)有的對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)流場(chǎng)的模擬所采