基于cfd的離心分離機(jī)內(nèi)流場(chǎng)仿真分析

基于cfd的離心分離機(jī)內(nèi)流場(chǎng)仿真分析

離心是一種借助離心力將不同比例的物質(zhì)分開(kāi)的方法。利用離心分離方法設(shè)計(jì)的離心機(jī)有相當(dāng)高的轉(zhuǎn)速,離心機(jī)內(nèi)被分離物質(zhì)由旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)受到離心力,若被分離物質(zhì)比重不同,則被分離物質(zhì)受到的離心力不同,運(yùn)動(dòng)速度及軌跡不同,由此比重不同的物質(zhì)就能夠分離。不同的生物分子有不同的體積和密度,離心分離是分離生物分子最常用的分離方法本文正是采用CFD商業(yè)軟件Fluent,對(duì)離心分離機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,仿真中液相采用了RNGk-ε湍流模型,固相采用拉格朗日離散相模型(DPM)。通過(guò)一定的簡(jiǎn)化后建立了離心機(jī)模型,利用Solidworks軟件取出離心機(jī)內(nèi)流體區(qū)域,考察了固相顆粒在流體區(qū)域內(nèi)的分布情況,以及轉(zhuǎn)速對(duì)固相顆粒速度的影響。采用CFD方法所得到的離心機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的信息,對(duì)離心機(jī)的研究及設(shè)計(jì)具有較重要的參考價(jià)值。1cfd的基本原理離心機(jī)內(nèi)部的流場(chǎng)難以直接測(cè)量,對(duì)于內(nèi)部流場(chǎng)的研究采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)。計(jì)算流體力學(xué)(ComputationalFluidDynamics,簡(jiǎn)稱CFD)是以數(shù)值離散方法為數(shù)學(xué)基礎(chǔ),借助于計(jì)算機(jī)求解描述流體運(yùn)動(dòng)的基本方程,研究流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科。CFD的基本思想是把原來(lái)在時(shí)間域及空間域上連續(xù)的物理量的場(chǎng),如速度場(chǎng)和壓力場(chǎng),用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量值的集合來(lái)代替,通過(guò)一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場(chǎng)變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組,然后求解代數(shù)方程組獲得場(chǎng)變量的近似值CFD技術(shù)的特點(diǎn)有:給出流體運(yùn)動(dòng)區(qū)域內(nèi)的離散解,而不是解析解;它的發(fā)展與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展直接相關(guān);若物理問(wèn)題的數(shù)學(xué)提法(包括數(shù)學(xué)方程及其相應(yīng)的邊界條件)是正確的,則可在較廣泛的流動(dòng)參數(shù)(如馬赫數(shù)、雷諾數(shù)、飛行高度、氣體性質(zhì)、模型尺度等)范圍內(nèi)研究流體力學(xué)問(wèn)題,且能給出流場(chǎng)參數(shù)的定量結(jié)果2數(shù)值模擬2.1離心流體質(zhì)量傳統(tǒng)本文研究的對(duì)象為固液兩相流,利用軟件FLUENT進(jìn)行仿真。仿真中,離心分離機(jī)中離心腔內(nèi)流體在轉(zhuǎn)動(dòng)軸帶動(dòng)下,固相顆粒隨之運(yùn)動(dòng),忽略熱效應(yīng)的影響,離心機(jī)內(nèi)部流體遵循質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒。本模型數(shù)值仿真中,用純水代替液相,利用拉格朗日方程計(jì)算固相顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡,研究對(duì)象采用RNGk-ε湍流模型,這種模型與標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流相似,但RNGk-ε湍流模型能模擬的范圍更廣,結(jié)果更精確式中,a采用DPM模型來(lái)跟蹤固相顆運(yùn)動(dòng),固相顆粒的作用力平衡方程在笛卡爾坐標(biāo)系下的形式為:式中,F2.2模擬仿真條件1)利用三維建模軟件UG,建立離心機(jī)理想模型。如圖1所示,該模型工作原理,混合液進(jìn)入離心腔,旋轉(zhuǎn)軸在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下,以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)混合液,使液體加速旋轉(zhuǎn),在液固的相互作用下,固相顆粒也被帶動(dòng),有一定的速度。2)將模型導(dǎo)入SolidWorks內(nèi),通過(guò)型腔等命令,提取離心機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)。將提取后的內(nèi)部流場(chǎng),保存為fluent.x_t。3)將fluent.x_t導(dǎo)入進(jìn)ICEM中劃分網(wǎng)格,結(jié)果如圖2所示.劃分好網(wǎng)格后,將網(wǎng)格文件保存為.mesh文件,導(dǎo)入FLIENT14.5進(jìn)行仿真。1)離心腔模擬仿真中,水溫為20℃,此時(shí)水的密度為P=998.2kg/m2)固相顆粒的初始速度為零;離心分離轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為2000r/min、4000r/min、6000r/min;不設(shè)置液固相進(jìn)出口。所選模型為DPM型,湍流模型選擇RNGk-ε湍流模型。3)求解,選用穩(wěn)態(tài)求解:連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、湍動(dòng)能方程和湍動(dòng)能耗方程均采用二階迎風(fēng)格式離散計(jì)算,各物理殘差均下降至1×104)分別改變固相顆粒密度及旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行仿真運(yùn)行。3固相顆粒在不同旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速下的速度特性仿真中旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為2000r/min,不同的固相顆粒在X-Y平面上運(yùn)動(dòng)軌跡及速度如圖3所示,圖中有顏色曲線為固相顆粒在X-Y平面上的運(yùn)動(dòng)軌跡,不同顏色帶表著固相顆粒不同的的運(yùn)動(dòng)速度。圖4以及下頁(yè)圖5旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為4000r/min、6000r/min時(shí)不同的固相顆粒在X-Y平面上運(yùn)動(dòng)軌跡及速度分布圖。如上圖3、圖4、圖5所示,從同一位置(0.06m,0.06m,0.02m)釋放的固相顆粒,顆粒密度、旋轉(zhuǎn)軸速度不同,固相顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡不同。對(duì)比同一旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速下,可知顆粒密度不同,經(jīng)一定時(shí)間解算后固相顆粒所在位置不同,顆粒的速度也不同。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn):在相同的旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速下,在同一位置釋放固相顆粒,顆粒的位置在不斷變化,例如在旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為2000r/min,固相相顆粒密度從1050增加到1800,由圖知顆粒的位置到旋轉(zhuǎn)軸中心的距離在變小;在旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速4000r/min,固相顆粒的位置到旋轉(zhuǎn)軸中心的距離隨顆粒的密度增大而變小,隨著粒子的密度增加到一定時(shí),粒子的位置到旋轉(zhuǎn)軸中心的距離變大;在旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速6000r/min時(shí),隨著粒子密度增加,粒子的位置到旋轉(zhuǎn)軸中心的距離變小,但隨著粒子的密度增加到一定量時(shí),粒子的位置到旋轉(zhuǎn)軸中心的距離漸漸增大。而對(duì)比上述圖3、圖4、圖5中固相顆粒為密度為1050時(shí),固相顆粒的速度有很明顯的變化趨勢(shì),如圖6所示。圖中橫坐標(biāo)是仿真的響應(yīng)時(shí)間,縱坐標(biāo)為固相顆粒的速度;不同曲線走勢(shì)代表不同旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速下,固相顆粒在Fluent軟件中達(dá)到穩(wěn)態(tài)之后隨響應(yīng)時(shí)間的變化。當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為2000r/min時(shí),密度為1050的固相顆粒速度大小為0.477m/s,且一直穩(wěn)定的保持在0.477m/s上下,不隨迭代次數(shù)的增多而變化。當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速不同時(shí),密度相同的固相顆粒的速度的變化規(guī)律相同。同樣,對(duì)比上述圖3、圖4、圖5中固相顆粒為密度為1070、1100、1300、1500、1800時(shí)的情況,又得到5組相同規(guī)律的數(shù)據(jù),由上述圖可知旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速對(duì)固相顆粒速度的大小影響比較大。4轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的影響本文采用離散相模型對(duì)離心分離機(jī)內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行仿真,由仿真結(jié)果可知:1)固相顆粒在流體區(qū)域中的速度大小主要由旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速?zèng)Q定,固相顆粒的速度隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大。2)固相顆