旋流器内部流场的数值模拟方法研究.pdf

第4 4 卷第1 0 期 2 0 1 9 年1 0 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 4N o ．1 0 0 c t ．2 0 1 9 移动阅读 李娟，闫小康，李晓恒，等．旋流器内部流场的数值模拟方法研究[ J ] ．煤炭学报，2 0 1 9 ，4 4 1 0 3 2 5 0 3 2 5 7 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c nk i ．j c c s ．2 0 1 8 ．1 3 9 4 uJ u a n ，Y A Nx i a o k a n g ，L Ix i a o h e n g ，e ta 1 ．N u m e r i c a ls i m u l a I i o no ni n t e m a ln u i dn e l di nc y c l o n e [ J ] ．J o u m a lo fC h i - n aC o a lS o c i e t y ，2 0 1 9 ，4 4 1 0 3 2 5 0 3 2 5 7 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c nk i _ j c c s ．2 0 1 8 ．1 3 9 4 旋流器内部流场的数值模拟方法研究 李娟1 ’2 ，闫小康1 ’2 ，李晓恒1 ’2 ，粟文兵1 ’2 ，张玉胜3 1 ．中国矿业大学化工学院，江苏徐州2 2 1 1 1 6 ；2 ．中国矿业大学煤加工过程装备与控制工程研究中心，江苏徐州2 2 l l l 6 ；3 ．迈安德集团有 限公司，江苏扬州2 2 5 1 0 0 摘要旋流器以其操作简单，运行成本低，物理尺寸小等优点广泛应用于化工分离行业。其内部 流场情况对其分离精度及分离效率起着关键作用，准确模拟该流场具有重要意义。流场变量梯度 高、旋流特征强，尤其中心空气柱的存在增加了其数值模拟的不确定性。借助C F D C o m p u t a t i o n a l F l u i dD y n a m i c s 软件，对7 5m m 经典旋流器系统地进行了气一液两相流非稳态数值模拟，研究了湍 流模型，压力一速度耦合方式以及离散格式对旋流器内部流场计算结果的影响，并将其空气柱直 径、切向速度以及轴向速度进行对比。结果表明R S M R e y n o l d sS t r e s sM o d e l 湍流模型可以较为准 确地预测旋流器流场，仅在空气柱附近区域预测的速度值偏低。R N G 七一s R N G 矗一e p s i l o n 、R e a l i z a b l e 五一s R e a l i z a b l e 后一e p s i l o n 以及S t a n d a r d 矗一8 S t a n d a r d 后一e p s i l o n 湍流模型预测的该流场与实 际流场存在较大差异。其中，R N G 七一s 模型误差较R e a l i z a b l e 七一s 以及S f a n d a r d 七一s 模型稍低； Q U I C K 与S e c o n dO r d e ru p w i n d 离散格式在预测旋流器内部流场时差别不大。T h i r d o r d e rM U S C L ， P o w e rL a w 以及F i r S tO r d e ru p w i n d 离散格式没有求解出流场中完整的空气柱；S I M P L E ，P I s 0 及 c o u p l e d 三种压力一速度耦合方式对计算结果的影响不大，相比较而言s I M P L E 算法为较适合计算 旋流器流场的压力一速度耦合方式。C o u p l e d 较其他2 种算法在溢流管段预测的空气柱直径偏大， 速度偏小，部分锥段空气柱直径偏小，速度偏大。 关键词旋流器；数值模拟方法；空气柱；计算流体力学 中图分类号T D 4 5 ；T Q 0 5 1 ．8文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 1 9 1 0 3 2 5 0 0 8 N u m e r i c a ls i m u l a t i o no ni n t e r n a ln u i d6 e l di nc y c l o n e L IJ u a n l 一，Y A NX i a o k a n 9 1 一，L IX i a o h e n 9 1 一，S UW e n b i n 9 1 一，Z H A N GY u s h e n 9 3 1 ．鼬o o zo ，c k m 池f 西翊聊e 昭口蒯‰ 加f o g y ，m i M 踟溉n i ￡y o ，胁n 垤＆死如加切，x m o u2 2 1 1 1 6 ，吼i 胞；2 ．c D n fP r o c 哪孵P r 0 唧s 幻u 咖删Ⅲ o ，l dc 0 Ⅲr o zE ，柳n 酏一昭脓∞r c ＆厅 e r ，吼i 加踟挑乃i ￡yo ，胁凡i 昭＆n 如肋f 嗍‘，x 址旃o u2 2 1 11 6 ，吼i ，z n ；3 ． 忆如蒯G r o 印c o ．，厶d ．，y n ，蚴o Ⅱ 2 2 5 1 0 0 ，m i m A b s t 】r a c t B e c a u s eo fi t ss i m p l eo p e r a t i o n ，l o wo p e r a t i o nc o s ta n ds m a Up h y s i c a ls i z e ，c y c l o n ei sw i d e l yu s e di nc h e m i c a ls e p a m t i o ni n d u s t r y ．7 I 、h ei n t e m a ln o w6 e l dp l a y sak e yr 0 1 ei ni t ss e p a r a t i o na c c u m c ya n de f f j c i e n c y ．I ti si m p o r t a n t t os i m u l a t et h en o wf i e l da c c u r a t e l y ．T h ei n t e m a ln o w 矗e l do fc y c l o n eh a sah i g hg r a d i e n ta n ds t m n gs w i r lc h a r a c t e s t i c s ，e s p e c i a l l yt h ep r e s e n c eo fc e n t r a la i rc o r e ，w h i c hi n c r e a s e st h eu n c e r t a i n t yo fi t sn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ．U s i n gt h e C F Ds o f t w a r e ，ag a s n u i du n s t e a d yn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sc a r r i e do u ts y s t e m a t i c a l l yf o ra7 5m mc l a s s i cc y c l o n e ． T h ee f 玷c to fd i f k r e n tt u r b u l e n c em o d e l s ，p r e s s u r e v e l o c i t yc o u p l i n gm e t h o d sa n dd i s c r e t es c h e m e so nt h ec a l c u l a t i o n 收稿日期2 0 1 8 一0 7 一0 2修回日期2 0 1 8 一1 2 2 0责任编辑郭晓炜 基金项目博士后科学基金面上资助项目 2 0 1 7 M 6 2 1 8 8 ；国土资源部公益性行业科研专项资助项目 2 0 1 5 1 1 0 7 卜3 作者简介李娟 1 9 9 5 一 ，女，四川广安人，硕士研究生。E m a i l 1 2 5 4 1 8 7 0 2 9 q q ．c o m 通讯作者闫小康 1 9 8 1 一 ，女，山西晋城人，博士，副教授。E m a i l x k y a n c u m t ．e d u ．c n 万方数据 第1 0 期李娟等旋流器内部流场的数值模拟方法研究 3 2 5 l r e s u l t so fn o w6 e l dw e r es t u d i e d ．A l s o ，t h ed i a m e t e ro ft h ea i rc o r e ，t a n g e n t i a la n da i a lV e l o c i t yw e r ec o m p a r e dt of i n d m o r es u i t a b l en u m e r i c a ls o l u t i o nm e t h o d sf o rc a l c u l a t i n gt h en o wf i e l d so fc y c l o n e ．T h er e s u l t ss h o wt h a tR S Mc a na c - c u r a t e l yp r e d i c tt h en o wf i e l do fc y c l o n e ，e x c e p tt h ev e l o c i t yn e a rt h ea i rc o r ew h i c hi sl o w e rt h a nt h ee x p e r i m e n t a ld a - t a ．T h ef l o wf i e l d sp r e d i c t e db yR N G 忌- e p s i l o n ，R e a l i z a b l e 忌e p s i l o na n dS t a n d a r d 矗- e p s i l o nt u r b u l e n c em o d e l sa r e q u i t ed i f k r e n tf 而mt h ea c t u a ln o wf i e l d ．A n dt h ee r m ro fR N G 五e p s i l o nm o d e li ss l i g h t l yl o w e rt h a nt h a to fR e a l i z a b l e I | } - e p s i l o na n dS t a n d a r d 矗- e p s i l o nt u r b u l e n c em o d e l s ．T h e r ei sl i t t l ed i f k r e n c eb e t w e e nQ U I C Ka n dS e c o n dO r d e rU p - w i n dd i s c r e t es c h e m e si np I ．e d i c t i n gt h ei n t e m a ln o wf i e l do fc y c l o n e ．7 r h eT h i r d - o r d e rM U S C L ，P o w e rL a w ，a n dF i r s t 0 r d e rU p w i n dd i s c r e t ef o 珊a t sc o u l dn o to b t a i nt h ec o m p l e t ea i rc o r ei nt I l ef l o wf i e l d ．T h ep r e s s u r e - v e l o c i t yc o u p I i n g m e t h o d s ，i n c l u d i n gP I S O ，C o u p l e da n dS I M P L Ea l g o r i t h mh a v eI i t t l ee f k c to nt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s ．T h eS I M P L Ea l - g o r i t h mi sm o I ．es u i t a b l et op r e d i c tt h en o wf i e l do fc y c l o n e ．C o m p a I ．e dw i t hP I S O ，S I M P L Ea l g o r i t h m ，t h ed i a m e t e ro f a i rc o r ep r e d i c t e db yt h eC o u p l e da l g o r i t h mi sl a 唱e ra n dv e l o c i t yi ss m a l l e ri nt h eo v e m o ws e c t i o n ．I nt h ep a n i a lc o n e ， t h ed i a m e t e ro fa i rc o r ei ss m a l l e r ，b u tV e l o c i t yi sh i g h e r ． K e yw o r d s c y c l o n e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d ；a i rc o r e ；c o m p u t a t i o n a ln u i dd y n a m i c s 旋流器以其操作简单，运行成本低，物理尺寸小 等优点广泛应用于化工分离行业。比如，重介质旋流 器因能提供远远大于重力场的分选力，有效降低分选 下限，取得灰分相对比较低的细粒煤，成为重要的选 煤设备⋯。旋流器内部流场对其分离性能起着关键 作用。由于旋流器物料的不透光性及流场空间的狭 小，其流场测量变得困难。近年来随着数值计算手段 的逐步成熟以及高性能计算机的飞速发展，利用数值 模拟来研究旋流器内部流场进而指导物料分离已经 成为一种主流。然而，由于旋流器高变量梯度和强旋 转特性的流场特征，尤其是使气一液两相出现明显界 面特征的空气柱，使得准确模拟旋流器内部流场具有 不确定性，有普适性的一些数学模型无法准确预测该 旋流场，例如在湍流模型的选取上，梁政等人将R S M 湍流模型，后一￡湍流模型模拟得到的旋流器流场与实 验结果作比，指出七一8 模型模拟得到的旋流器流场 准确度较低口1 ，其中，忌为湍流脉动动能；8 为湍流脉 动动能的耗散率。S O N A US w a i n 选择S t a n d a r dJ | } 一￡， R S M 湍流模型模拟低速运行下的小直径水力旋流 器，并将两者模拟结果与实验数据对比，发现结果相 近J 。I 血nK a r a g o z 对比S t a n d a r d 南一g 、R N G 后一￡及 R S M 湍流模型预测的旋流器流场速度和湍流强度， 发现后两者预测结果差异较小，因此基于内存和计算 时间考量，笔者采用R N G 忌一8 模型进行后续计算HJ 。 除了湍流模型，其他数值计算方法如离散格式，压 力一速度耦合方式的选择对模拟结果也会产生影 响咱J ，文献几乎都只是简单地交代了选择结果，并 没有给出理由及对比，见表l 。 表l文献中旋流器数值求解方法 T a b I elN u m e r i 姐ls o I u 6 0 nm e U l o d so fr e f e r e n O e s 笔者将不同湍流模型、离散格式以及压力一速度 耦合方式预测的旋流器内部流场中的切向速度和轴 向速度与实验数据‘1 5 1 进行对比及分析。同时，由于 空气柱作为旋流器流场中必然且关键的存在，其形状 尺寸受流场影响，反过来其形状尺寸也可以反映流场 情况⋯1 ，所以也将其空气柱直径进行了对比，揭示其 万方数据 3 2 5 2 煤炭 学报 2 0 1 9 年第4 4 卷 预测的流场情况，以期能给出适合求解旋流器流场的 离散格式，压力一速度耦合方式以及湍流模型，为准 确模拟旋流器内部流场提供更多的模拟参考。 1 旋流器内部流场数值模拟 1 ．1 几何模型 本文采用文献[ 1 5 ] 提出的直径为7 5m m 的经典 旋流器进行研究，结构尺寸如图1 所示。 压／J ⋯f I 水速度入口 v 2 ．2 8m ／8 址力卅r ] 图1卵5m m 旋流器结构示意 F i g ．1 S c h e m a t i cd i a g m mo ft h e7 5m mc y c l o n es t l l l c t u r e 1 ．2 网格划分与无关性检验 借助I C E Mc F D 软件对旋流器进行了六面体网 格划分，如图2 所示。选取了1 75 9 5 ，3 10 8 1 ，5 39 9 6 三种网格进行网格无关性验证，模拟计算采用的基础 模型见表2 。图3 为这3 组网格在距离旋流器顶端 6 0m m 处轴向速度与实验数据的对比图。由图3 可 知，3 10 8 1 与网格数5 39 9 4 的计算结果偏差在2 ％以 内，与实验数据的吻合度较高且网格数量较少，故本 文网格数目确定为3 10 8 1 。 1 ．3 多相流模型与边界条件 采用V O F 多相流模型来计算旋流器内液相与 空气柱的交界面。旋流器在运行时底流口和溢流 口会吸人空气，在流场中心形成空气柱，即流场中 气含率为1 0 0 ％的区域。因此主相为水，次相为空 气。设置旋流器人口为流场的速度人口，大小依据 文献[ 1 5 ] 的实验条件设置为2 ．2 8m ／s ，成分全为 水。底流口和溢流口为压力出口，静压P 。 0 与大 气压相通。旋流器壁面设置成无滑移边界条件。 采用非稳态计算，计算结果达到统计学稳定后，继 续计算保存两个周期进行时均化处理，再导出所需 数据作为最终计算结果。 Z ● r √k 】 图2 7 5m m 旋流器网格划分 F i g ．2 G r i d sp a r t i t i o ni n7 5m mc y c l o n e 表2 基础模型 T a b l e2B 嬲e dm o d e l 图3 网格无关性检验 F i g ．3 M e s hi n d e p e n d e n c et e s t 1 - 4 基础模型 建立一个基础模型，后续研究在此模型基础上进 行修改。 2 结果与讨论 2 ．1 湍流模型 R S M 湍流模型摒弃了各向同性涡黏性假设，充 分考虑了流线型弯曲、漩涡、和张力快速变化，能较好 地预测各向异性湍流，理论上更适于模拟旋流场，其 模型控制方程‘1 6 1 为 万方数据 第1 0 期李娟等旋流器内部流场的数值模拟方法研究 3 2 5 3 型业 ‰型幽立f 旦型幽1 P 。 a ￡ “ a 戈kd 戈 ＼o ’a 咒k ／ ⋯ ①i 一￡j 七R j s j D j 式中，P 。为应力项；①。为源项；s 。为黏性耗散项；R 。 为旋转项；s 。D 。为方程以柱坐标表达的曲线项；”。 为湍流黏度；￡为时问，“7 为脉动速度；Ⅱ为时均速度； i ，，，矗 1 ，2 ，3 。 从文献[ 3 4 ，7 1 4 ] 来看，S t a n d a r d 七一s ，R e a l i z ． a b l e 矗一s 以及R N G 七一s 这几种湍流模型也常用来 计算旋流场，控制方程见文献[ 1 6 ] ，在此不再赘述。 文献一般只是选取了3 种后一s 模型中的部分模型 进行计算，没有系统地将3 者进行比较。因此，本 文分另0 采用R S M ，S t a n d a r d 后一￡，R e a l i z a b l e 七一￡以及 R N G 七一8 四种湍流模型来预测旋流器的内部流场。 4 种湍流模型近壁面都采用标准壁面函数，方程见 文献[ 1 7 ] 。在导人F l u e n t 进行模拟计算时设置了 y 网格自适应，满足湍流模型对壁面网格的要求。 在表2 所示的基础模型上，保持其他设置不变，仅 修改湍流模型，针对计算结果讨论不同湍流模型对 预测结果的影响。 借助文献[ 1 5 ] 中已有的实验数据，即距离旋流 器顶端6 0m m 处的切向、轴向速度，与模拟结果进行 对比，如图4 所示。由图4 可知，R S M 模型除了在空 气柱附近对切向及轴向速度峰值预测偏低之外，其余 部分吻合度均较好，准确预测出了呈M 型分布的切 向速度，即成功捕捉到流体的R a n k i n e 涡特性，该预 测结果与文献结论一致旧，1 8J 。其余3 种后一s 模型预 测效果皆不理想，速度出现较大偏差，相比较而言 R N G 后一s 模型的误差略低于其他2 种。分析其原因 是这3 种七一s 模型都是建立在各向同性涡黏性假设 基础之上，不适合求解旋流器这种强旋流的各向异性 流动。包括进行过旋流修正的R N C 血一￡和R e a l i z a b l e 七一s 模型，仍然难以预测到旋流器内部高变量梯 度和强旋转特性的流场特征。而R S M 模型则彻底抛 弃了各向同性涡黏性假设，考虑了流线型弯曲、漩涡、 旋转和张力快速变化，故对复杂流动有更高精度的预 测潜力‘19 I 。 图4 不同湍流模型预测速度与文献实验数据对比 F i g ．4C o m p a r i s o no fp r e d i c t e dv e l o c i t i e sa n dm e a s u r e dd a t a b e t w e e nd i f b r e n tt u r b u l e n tm o d e l s 图5 为4 种湍流模型预测的液相体积分数云图， 蓝色部分代表空气柱。由图5 可知，R s M 完整预测 了流场中的空气柱，R N G 矗一s 预测出了部分空气柱， R e a l i z a b l e 七一s 在溢流口处有微弱进气，S t a n d a r d 七一s 则完全没有进气现象。说明R S M 湍流模型在预测空 气柱上具有优势，结论与文献[ 2 0 ] 一致，3 种七一s 模 型预测效果皆不理想。R N G 七一s 比其他2 种矗一s 模 型预测旋流时误差稍低，但仍旧不适合用于模拟旋流 a R N G 女．F 模剂 b R e a l i z a b l e ≈一F 模型 c S t a n d a r d 一￡模型 d R S M 模型 图5小M 湍流模型预测的液相体积分数厶㈦ F i g ．5 I { e sL l l t so fs i n l u l a I i n g “】ei n t e r l l a la i rt I Pi nc y c l o n ea 【 1 i f l 0 I ．e 1 1 f 七一s1 1 1 1 P l s m 捌加胁嫦刚酬黼洲 式＼鑫娶蛙罂烂 m ∞ 蚰 加∞ 如 ∞ 如 如 m 万方数据 3 2 5 4 煤炭 学报 2 0 1 9 年第4 4 卷 问题。因为R N GI | } 一s 湍流模型虽然考虑了漩涡对湍 流的影响，即湍流的各向异性效应，但是并没有突破 涡黏性假设下的各向同性的框架，尤其只能部分模拟 出流场中的空气柱便可见一斑。 2 ．2 离散格式 在有限体积法中，离散格式指的是控制体积边界 的取值方式。F i r s t0 r d e ru p w i n d 格式，对于来流从上 游流向下游的情况，上游控制体积的节点参数对边界 的影响大于下游控制体积的节点参数，所以边界取值 取上游的节点参数值。s e c o n dO r d e ru p w i n d 是利用 上游最近的一个节点和另一个上游的节点值来取得 边界值。Q u I c K 格式通过提高界面上插值函数的阶 数来提高格式的截断误差，常用于四边形或六面体网 格。T h i r d o r d e rM U S C L ，3 阶离散格式，主要用于非 1 6 1 4 l 1 2 趋1 0 御8 莽s H4 2 0 结构网格，预测二次流，漩涡等精度较高。P o w e rL a w 格式精度与F i r s t0 r d e rU p w i n d 格式精度基本持平。 这5 种离散格式的计算公式见文献[ 2 1 ] 。 在表2 所示的基础模型上，保持其他设置不变， 采用T h i r d o r d e rM U S C L ，P o w e rL a w ，F i r s tO r d e rU p ． w j n d ，Q U I C K 以及S e c o n d0 r d e rU p w i n d 五种格式离 散动量、湍动能、湍流耗散率以及雷诺应力，求解得到 的液相体积分数云图，如图6 所示，蓝色部分代表空 气柱。由图6 可知，前3 种离散格式没有成功求解出 流场中完整的空气柱，说明其预测的流场环境与实际 流场存在较大差异。Q u I c K 与s e c o n d0 r d e ru p w i n d 离散格式成功计算出了流场中完整的空气柱，再将二 者在不同高度处预测的空气柱直径进行对比，如图7 所示。 图6不同离散格式求解的液相体积分数云图 F i g ．6 R e s u l t so fs i m u l a t i n gt h ei n t e m a la i rc o r ei nc y c l o n ea fd i f f b r e n td i s c r e t ef o r n l a t s 图7 不同离散格式下的空气柱直径随高度的变化 F i g ．7 D i a m e t e ro fa i rc o r ev a r i e dw i t hh e i g h ta td i f l - e r e n t d i s c r e t ef b r m a t s 由图7 可知，二者预测的空气柱直径相近，没有 明显差异。由此推断其预测的流场环境也应该相似。 与此同时，将Q u I c K ，s e c o n d0 r d e ru p w i n d 在距离旋 流器顶端6 0m m 和1 2 0m m 处的轴向、切向速度与实 验数据进行对比，如图8 所示。经过对比可以得知， 二者切向速度曲线基本重合，如图8 a ，8 c 所示。 由图8 b ，8 c 可知，S e c o n d0 r d e rU p w i n d 预测的轴 向速度与Q u I C K 格式相比在空气柱附近速度偏差达 1 0 0 9 0 8 0 7 0 摹 6 0 饕 5 0 霎 4 0 罩 3 0 楚 2 0 1 0 到最大，相差0 ．0 9 5H ∥s ，差异较小。且二者预测的 空气柱直径相近，没有明显差异，可以认为对于本文 所研究对象及研究范围，Q u I c K ，s e c o n dO r d e ru p w i n d 离散格式差别不大。 2 ．3 压力一速度耦合方式 s I M P L E ，s I M P L E c ，P I s O ，c o u p l e d 都是用来求解 速度和压力耦合的算法。S I M P L E 算法使用压力和 速度之间的相互校正关系来强制质量守恒并获取压 力场。在s I M P L E 算法的基础上发展了S I M P L E C 算 法，s I M P L E C 算法在收敛策略上较之S I M P L E 有所改 进，但并无本质区别，故本文不对s I M P L E c 算法进行 研究。P I s 0 算法执行了2 个附加校正相邻校正和 偏斜校正，避免了s I M P L E 和s I M P L E c 两种算法在 压力校正方程解后，新的速度值和响应流量不满足动 量平衡，需要重复计算直至平衡的问题。 在表2 所示的基础模型上，只改变压力一速度耦 合方式。图9 为s I M P L E ，P I s 0 ，c o u p l e d 三种压力一 速度耦合方式在不同高度处预测的空气柱直径对比。 由图9 可知，s I M P L E ，P I S O 算法求解出的空气柱直 万方数据 第1 0 期 李娟等旋流器内部流场的数值模拟方法研究 3 2 5 5 半径／m fa 6 0 m m 处切向速度 半径／m c 1 2 0 m m 处切向速度 半径／m b 6 0 m m 处轴向速度 图8 不同离散格式下距离旋流器顶端不同高度处平面速度与文献实验数据对比 F i g ．8C o m p a r i s o nb e t w e e ne x p e r i m e n t a la n d s i m u l a t e dr e s u l t sa tt h ed i f 玷r e n t d i s c r e t ef b r n l a t sa n dl o c a t i o n sf m mt h et o pw a l l 图9 不同压力一速度耦合方式下的空气柱直径随高度的变化 F i g ．9 D i a m e t e ro fa i rc o r eV a r i e dw i f hh e i g h ta td i f f e r e n t p r e s s u r e v e l o c i t yc o u p l i n gm o d e s 径相近。C o u p l e d 算法在4 2 ～6 0m m 高度处 锥段 求解得到的空气柱直径偏小。与S I M P L E 算法相比， 直径最大相差0 ．7 8m m ；与P I S 0 算法相比，直径最大 相差0 ．9 7m m 。在2 3 4 2 7 0m m 高度处 溢流管 段 ，空气柱尺寸偏大。与S I M P L E 算法相比，直径最 大相差2 ．5 7m m ；与P I S 0 算法相比，直径相差最大为 2 ．5 2m m 。在4 2 ～6 0m m 段，取4 7 ，5 5m m 两个高度 上的速度进行对比，如图1 0 a ，1 0 b 所示；在 2 3 4 ～2 7 0m m 段，取2 4 5 ，2 6 0m m 两个高度进行对 比，如图1 0 c ，1 0 d 所示。由图1 0 可知，C o u p l e d 算法求解出的空气柱直径偏小的区域，速度偏大；空 气柱直径偏大的区域，速度偏小。速度愈大，流场环 境愈复杂，愈不利于空气柱的形成与稳定。 图1 1 为S I M P L E ，P I S 0 ，C o u p l e d 算法在距离旋 流器顶端6 0m m 与1 2 0m m 处模拟得到的切向、轴向 速度与文献实验数据的对比图。由图1 1 c ，1 1 d 可知，S I M P L E 算法在空气柱附近预测的速度与实验 数据的吻合度高于P I s 0 ，c o u p l e d 算法。切向速度比 P I S 0 ，C o u p l e d 算法最多高0 ．1 5m ／s ；轴向速度比P I - s 0 算法最多高O ．1 6 4m ／s ，比c o u p l e d 算法最多高 0 ．1 6m ／s 。由此可以看出S I M P L E 算法的主要优势 体现在对空气柱附近流体区域的速度预测精度高。 观察图1 1 b 的轴向速度分布可知，C o u p l e d 算法在 空气柱附近预测的轴向速度偏低。因此，可以认 为s I M P L E 算法是较为适合计算旋流器流场的压力一 速度耦合方法。 3结论 1 R S M 湍流模型可以较为准确地预测旋流器 流场，仅在空气柱附近区域预测的速度值偏低。 R N G 后一s 、R e a l i z a b l e 七一s 以及s t a n d a r d 忌一s 湍流模型 预测的该流场与实际流场存在较大偏差，其中 R N G 尼一s 模型误差较R e a l i z a b l e 七一￡以及S t a n d a r d 尼一 s 模型稍低。 2 S I M P L E ，P I S 0 及C o u p l e d 三种压力一速度耦合 方式对计算结果的影响不大，相比较而言，s I M P L E 算法 为较适合计算旋流器流场的压力一速度耦合方式。c o u p l e 较其他2 种算法在溢流管段预测的空气柱直径偏 大，速度偏小，部分锥段空气柱直径偏小，速度偏大。 6 4 2 O 8 6 4 2 O uIg＼q皿攫_、弹 万方数据 3 2 5 6 煤炭 学报 2 0 1 9 年第4 4 卷 半径／m a F 4 7 m m ， E ≤ 毯 删 压 尽 半径／m fc F 2 4 5 m m O 图l O 不同高度处速度大小对比 F i g ．10 V e l o c i I yc o m p a r i s o na f 【l i “b r e n lh P i g } 1 t s 半径／m a 6 0 m m 处切向速度 fc 2 0 m m 处切向速度 半径／m d z 2 6 0 m m 5 4 3 2 1 0 半径／m b 16 0 m m 处轴向速度 半径／m d 1 2 0 m m 处轴向速度 图1 1不同压力一速度耦合方式F 距离旋流器顶端不I 司高度处半面速度与文献买验数据对比 F i g ．1lC o m p 耐s o nb e t w e e ne x p e r i m e n t a la n ds i m u l a t e dr e s u l t sa t t h ed i f k r e n tp r e s s u r e V e l o c i t yc o u p l i n gm o d e sa n d l o c a t i o n s { ●o mt h et o pw a l l 3 Q u I c K 与s e c o n dO r d e ru p w i n d 离散格式在 4 8 9 1 8 5 0 预测旋流器内部流场时差别不大。T h i r d o r d e r w A N cc “。“g A p p l i 。8 ‘i 。“p ”8 p 删8 “8 1 y 8 i 8 缸。。8 1p ”p “‘i “。。 M u s c L ，P 。w e rL a w F i r s to r a e ru p w i n d 离散格式未能 ㈨蓁≥蒌尝麓嚣菜笺蒜罴篡茹篡嚣湍流模型 算出流场中完整的空气柱。 的选择⋯．天然气工业，2 0 0 7 ，2 7 3 1 1 9 1 2 1 ． 参考文献 R e r e r e n c e s 三三芝盏| 0 i 烹暑三；烹i 蔓芝 『1 ]王冲．试论选煤设备的应用前景分析[ J ] ．化工管理，2 0 1 8 ， [ J ] ．N a t u m lG a sI n d u s t r y ，2 0 0 7 ，2 7 3 1 1 9 1 2