灰尘在风管中运动轨迹数值模拟范文

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1.气体流场的计算

1.1计算对象

图1模拟对象

本文是以二维通道的平直段为研究对象，其尺寸为3×0.1（长×高，单位：m）。其物理模型如图1所示。

1.2计算方法与边界条件

对于通风管道内湍流流动，选取了RSM模型和有限差分法。在控制方程建立起来以后，采用了Patankar和Spalding提出的SIMPLE算法来对控制方程进行数值求解[4].

计算中需要给出的边界条件有入口条件、出口条件、中心线以及固体壁面条件。计算中对于这些边界条件的处理采用的是通常的方法。

1.3计算结果

从图2中可以看出，当流体从通道入口进入通道后，受流体粘性的阻碍。流体在边界层内的流速减小。根据连续性条件，壁面附近流动的滞缓必然促使边界层外的流动处于加速状态，而边界层外的加速又抑制了边界层的增厚及产生压强的顺压梯度。在下游一定距离，通道壁上的边界层在轴心处汇合，进入流动充分发展段。

2．粉尘颗粒轨迹的计算

2.1颗粒运动方程

通风管道中粉尘颗粒所受的作用力是比较复杂的[5]，其中包括重力、附加质量力、气体作用于颗粒的拽力、压力梯度力、虚假质量力以及Magnus力、Saffman力、Basset力等，此外还可能会受到热泳和光泳的作用。

根据通风管道中流动的实际情况，本文在计算中主要考虑了重力和拽引阻力的作用，忽略了较为次要的作用力，这种简化在不影响计算结果可靠性的同时突出了问题的主要特征，同时也回避了一些次要作用力在计算中带来的困难。这样，可以得到如下的颗粒运动方程式：

（1）

式中：为颗粒的单位质量拖曳阻力（dragforce），其中

（2）

式中：为气体相速度,为颗粒速度,为流体动力粘度,为气体密度，为颗粒密度，为颗粒直径，Re为相对雷诺数（颗粒雷诺数

2.2颗粒相的边界条件

（1）进口（初始）条件

本计算尘粒从通道入口喷入，速度与气流速度相同

（2）壁面边界条件

本计算在壁面采用逃逸离散相（reflect）边界条件：颗粒在此处反弹而发生动量变化。

（3）出口边界条件

本计算的颗粒相在出口取为“escape”边界条件

3.计算结果及讨论

本文分别对通道内尘粒的运动轨迹进行了模拟。在模拟的过程中，只改变进口的速度和尘粒的粒径，其它条件不变。

图3进口速度为2.2m/s，粒径为70时，尘粒的运动轨迹曲线

由图3中可以看出，尘粒经过一定时间运动到通道底部。尘粒的运动轨迹与尘粒所受到的力密切相关。当尘粒在通道内运动时,它受到重力和拖曳阻力的作用。重力的大小与尘粒的粒径密切相关，拖曳阻力的大小与尘粒和流体的速度差具有直接的关系。由上图可知对于尘粒的粒径为70，进口风速为2.2m/s的工况，重力的作用比拖曳阻力的影响大，最终尘粒能够沉降到通道底部。

图4是当尘粒和流体的进口速度为2.2m/s时,不同粒径的尘粒的运动轨迹曲线。从图中可以看出尘粒的粒径在1～10之间时，尘粒没有沉降的趋势,不能运动至通道底部；当尘粒的粒径大于10，尘粒开始有沉降的趋势，当尘粒的粒径达到50时，尘粒能够运动至通道底部；之后随尘粒粒径的增大，颗粒越快运动至通道底部。当尘粒的粒径达到70时,尘粒沉降至距通道入口0.8m处。粒径在1～10的尘粒,虽然有沉降的趋势,但是并不能沉降至通道底部。

结束语

灰尘的数值模拟是一个复杂的课题。其研究范围之广，存在问题之多。本文仅限于初步的探索。

就笔者在研究中发现和遇到的问题，提出以下几点建议。

（1）时间步长的选取直接决定着计算结果的正确性。因此在以后的计算中需要多加重视。

（2）建议以后的研究中能够进行实验，从而将实验与模拟相结合。

[参考文献]

[1]刘一君。公共场所集中式空调系统污染及健康危害[J].公共卫生与预防医学,2004,15（5）。

[2]李孔清。室内悬浮颗粒数值研究及辐射计算：[学位论文].长沙：湖南大学,2003

[3]MarkRaymondSippola.ParticleDepositioninVentilationDucts：[serialonline].America：theUniversityofCalifornia,2002

[4]陶文铨。数值传热学（2）[M].西安：西安交通大学出版社,2001

[5]苏明旭等。管式电除尘器中粉尘运动轨迹的数值模拟：[南京航空航天大学学报].2000,4

摘要：对通风管道中的气固两相流动流场进行数值模拟，是研究颗粒在通风管道中的运动轨迹。计算中，将气相作为连续介质，采用RSM湍流模型，并用SIMPLE算法对流场进行数值模拟；将固相作为离散体系，采用随机轨道法计算其运动轨迹。计算时，分别选用6种颗粒直径为计算工况，计算结果显示出颗粒运动轨迹，并指出其与气流速度和颗粒直径相关。

关键词：灰尘风管运动轨迹数值模拟