流固耦合作用下水力旋流器内流场的数值模拟.pdf

《流固耦合作用下水力旋流器内流场的数值模拟.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、706化工机械2015年流固耦合作用下水力旋流器内流场的数值模拟+李森“1张健1王尊策1徐德奎2徐艳1闰月娟1(1．东北石油大学机械科学与工程学院；2．北京工业大学机械工程与应用电子技术学院)摘要基于小变形假设，流体域采用有限体积法，固体域采用有限元法，对主直径为28mm的水力旋流器变径圆管内的耦合流场进行数值模拟研究。并对耦舍条件与非耦合条件下的速度场、压力场和湍动能分布进行了对比分析，结果表明：耦合作用对变径圆管结构内流场的影响不能忽视，流体与结构的相互作用不但改变了流场分布，还改变了结构的运动特性，加快了流体能量的衰减。关键词水力旋流器

2、变径圆管结构流场分布流固耦合作用中图分类号TQ051．1文献标识码A文章编号0254-6094(2015)05-0706-05旋流分离器、离心设备及输液管道等流体设备在运行过程中，受内部或外界因素的干扰会存在各种微小振动，因此会使流经振动设备的流场产生振荡，而振荡流又进一步作用于设备上使其产生振动，这种流体与结构设备相互作用耦合的问题一直被学者们关注。目前，人们更多关注的是流体与结构的相互作用对设备安全可靠性的影响，并在结构的安全运行和可靠设计方面取得了许多有价值的成果，为结构的合理设计提供了依据和指导‘1。2：。但对于一些流体设备而言，需要

3、关注的不仅是其运行的可靠性问题，更需要关注流体与结构的相互作用对设备内部流场流动状态和工作性能的影响，如水力旋流器内部螺旋流的合理流动规律。国内外学者开展了大量的数值模拟计算工作，BhaskarKU等分别用标准I

4、}一8模型、RNG矗-占模型和雷诺应力模型(ReynoldsStressModel，RSM)对旋流器进行数值研究，发现RSM与实验之间误差最小。。。OlsonTJ和VanOR也证实了RSM能更好地模拟旋流器的流场，并采用高阶Reynold模型结合实验对旋流分离器进行了优化4：近年来，复杂的运动壁面在湍流控制应用中逐渐得到了人们的重视

5、。葛铭纬等通过直接数值模拟研究了运动壁面槽道流动∞。。黄乐萍和范宝春通过直接数值模拟的方法，对槽道湍流的展向行波状Lorentz力控制和减阻问题进行了研究，并探讨了其机理‘6。。从目前的研究成果看，流固耦合研究主要集中在流固耦合作用对设备安全可靠性方面的影响，振动对流场的影响仅限于槽道流动、圆管内外流场及叶轮结构等，对振动旋流器内螺旋流场的研究也较少，因此有必要进行深入研究。在此，笔者研究流固耦合效应对内部流场的影响，挖掘内部流场的分布规律，为旋流器的设计提供理论依据。1水力旋流器结构水力旋流器轴截面简图如图1所示。采用主直径为28mm的常规

6、双锥静态水力旋流器结构，水力旋流器工作时内部流体流动诱发结构振动，对内部流场进行数值模拟，并与忽略振动耦合作用即非耦合条件下的流场进行对比分析。为了考察各截面的速度分布和压力分布特性，分别在旋流腔与大锥交界处、大锥段、小锥段和尾管段取7个截面(z分别为30、56、113、163、263、400、700mm)进行分析。+国家自然科学基金资助项目(11172061)，黑龙江省应用技术研究与开发计划项目(GAl3A402)。#李森，男，1973年7月生，副教授。黑龙江省大庆市，163318。第42卷第5期化工机械707图1水力旋流器轴截面简图2数值

7、模拟计算模型2．1几何模型图2所示为流固耦合分析采用的水力旋流器几何模型，由流体部分和固体部分组成。流体部分为水；固体部分使用有机玻璃材料，密度为1180kg／m3，弹性模量E=3GPa，泊松比为0．4，固体部分两端为固定约束。图2水力旋流器几何模型2．2流固耦合计算模型在水力旋流器变径圆管内，流体微元体内应满足质量守恒和动量守恒。流体部分：连续方程警+V·(pfu)=o(1)动量守恒方程芝≠+v．(p，l‘u一_r，)：o‘固体部分：平衡方程P。口。=V·or。+工式中口，——固体当地加速度矢量；石t——流体和固体体积力矢量；t——时间；H

8、——流体速度矢量；p，、p。——流体、固体密度；盯。——柯西应力张量；

9、r，——流体的界面应力。在此不考虑流体在旋流器内的温度变化，在流体与固体交界面需要满足力和位移相等。流固耦合方程为：rf·nr=r。·n。(4)sf=s。(5)式中／7,，、／7,。——界面上流体、固体的法向向量；s，、s。——流体、固体位移；丁。——固体的界面应力。基于小变形的假设，流体域采用有限体积法，流场计算的湍流模型选用RSM，流体动网格采用ALE方法，结合二阶精度的计算格式和非平衡壁面方法。固体域采用有限元理论，利用Newmark时间积分方法对变径圆管结构的动力

10、学方程进行数值求解。采用交错迭代式耦合求解的计算方法实现水力旋流器变径圆管双向耦合数值的计算。人口边界采用速度人口，底流和溢流出口边界考虑充分发展条件，设定分流比。