259横向气流和障碍物对锥面射流作用下吸气流动影响的数值模拟研究

横向气流和障碍物对锥面射流作用下吸气流动影响的数值模拟研究沈阳建筑大学贾瑜林豹摘要：传统排风罩（接受罩除外）仅以吸气流作为控制气流，随着控制点距离增大气流吸入速度衰减极快，有效作用距离短。新型的Aaberg排风罩以射流作用下吸气流动作为控制气流，完全克服了传统排风罩的缺点，不但作用距离远，且吸气具有定向性。锥面射流作用下吸气流动，是吹气流从锥面排风罩的喇叭型条缝喷口射出，和吸气流迭加形成的吸气流动。本文利用CFD对锥面射流作用下的吸气流动进行数值模拟，研究了横向气流和障碍物对锥面射流作用下吸气流动的影响。关键词：Aaberg排风罩；锥面射流；吸气流动；数值模拟0引言Aaberg排风罩：在吸风口增加一射流装置，利用射流与吸气流的新型结合，形成射流作用下的吸气流动，此气流控制方式是由丹麦制造商C.P.Aaberg首先提出，故将采用该种控制气流的排风罩称为Aaberg排风罩。在这种新型控制气流中，整个控制气流是以吸气流为主。射流一方面起到屏蔽作用，使吸气流控制在一定空间区域内，另一方面射流的卷吸作用在吸气区域生成射流诱导流，并与吸风口的吸气流复合而成Aaberg气流。Aaberg排风罩最显著的特点是沿着吸风口轴线的气流速度衰减慢，控制距离远，吸气具有定向作用，且排风量小，不影响工艺操作。在实际应用中经常碰到有横向气流和各种障碍物的情况，通过对横向风速和障碍物对锥面射流作用下吸气流动影响的研究，对三维锥面Aaberg排风罩在实际应用中有更深入的了解，不但对污染物的控制与捕集更有效、节能，而且安装与操作也很方便。1锥面射流作用下吸气流动的数值模拟及验证应用FLUENT软件，采用K两方程模型与连续性方程、动量方程组成控制方程组，有限体积法对方程离散，SIMPLE算法，选取少数工况对锥面射流作用下吸气流动的速度场进行数值计算，并与实验方法得到的速度场进行对比，验证数值计算方法的正确性。1.1模拟对象模拟对象是一个锥形Aaberg排风罩，计算区域为一个半径1.5m的球体，锥形Aaberg排风罩位于整个计算区域的中心，尺寸与实验设备相同，罩下连接风管。1.2模拟过程1.2.1数值计算方法具体方法如下：（1）对计算区域采用四面体网格进行划分，为了改善网格质量，对网格进行光顺与交换单元面并对网格进行局部细化，喷口处是25mm*25mm,其他网格为85mm*85mm,共有近共有近200000个节点；（2）应用SIMPLE方法求解动量方程，结合壁面函数法求解k方程和其它控制方程；（3）由于各个变量之间的强烈的非线性耦合关系，在求解过程中采用欠松弛技术以避免发散；（4）流动方程的收敛准则为3101。1.2.2边界条件的处理（1）入口边界：排风罩喷口设置为质量入口边界。（2）出口边界：吸气口边界设置为速度出口边界条件，计算域外围设置自由流出口（3）固体壁面其他未提及面设置为壁面，壁面设为无滑移边界条件，壁面是光滑的，所以其粗糙度的厚度值为零。K值取来流入口动能的0.5％~1.5％计算；%122υK(3-1)入口截面上的为：lKC23(3-2)其中：09.0Cu——入口平均流速l——湍流长度尺度，l=0.07L,L为水利直径1.3数值模拟的结果与实验结果比较本文排风罩尺寸有多种组合，其中吸气口直径保持300mm不变。模拟了排风罩喷口宽度11mm,吸气量800m3/h，三种轴向倾角工况下的轴线速度，工况如下：表1-1工况工况ABC轴向倾角60°60°80°射流量（m3/h）0688352数值模拟方法选择的是否合理，所得结果是否正确必须通过实验验证。对各工况进行实验测量，然后对实验数据进行相应的整理与分析，将其与模拟的结果进行对比分析，验证数值模拟的正确性。1.3.1吸气流动的轴线速度的比较图1-1A工况下模拟值和实验值对比图1-2B工况下模拟值和实验值对比图1-3C工况下模拟值和实验值对比1.3.2临界射流量比较射流作用下吸气流动的临界射流速度有上、下两个临界射流速度。本文的锥面射流作用下吸气流动的临界射流速度取下临界射流速度。定义为：在锥面Aaberg排风罩的定型尺寸、喷口宽和吸气量一定，且射流的初始射流速度足以形成Aaberg效应的前提下，逐渐降低射流的出口速度，直至降低到某一速度值，射流轴线刚好不弯曲，此时的射流出射速度为下临界射流速度。实验所得临界射流速度如下：图1-4临界射流量模拟值和实验值比较由各个图表可以看出，临界射流量模拟值均小于实验值，轴线吸气速度模拟值均大于实验值出现这种状况主要因为：实测时，由于实验条件的限制及环境气流的影响，室内的空气有一定的流速，数值模拟时，不存在这种影响；另一方面，在进行数值模拟的时候，本身得出的解不是精确的解，在计算过程中都作了近似的处理，必然会导致一系列的误差。综合看来，数值模拟所得的轴线速度曲线与实验所得的轴线速度曲线变化规律相同。1.3.3吸气流场的速度分布的比较010020030040050060070001002003004005006007000.3模拟0.3实验0.94模拟0.94实验1.58模拟1.58实验2.22模拟2.22实验2.87模拟2.87实验3.51模拟3.15实验4.15模拟4.15实验图1-5实验与模拟所得射流作用下吸气流场的部分速度等值线比较示意图观察曲线，两者所呈现的衰减趋势相同，且每条等速度曲线的变化趋势基本相同。由数值模拟绘制的速度等值曲线更为光滑，因为实测过程中，室内不可避免的存在气体的扰动，而且人为读数时，风速仪存在波动，读数存在误差。同时发现，在吸气速度相同时，计算值与实测值等速度曲线相比，存在一定的滞后，分析原因，锥面射流作用下吸气流动由吸气流和射流诱导流迭加而成。射流诱导流对吸气流有辅助作用，而在流场计算模型的建立过程中，对射流诱导流的影响考虑的不够充分，导致相同轴向距离处，计算值较实测值小。通过以上对数值模拟值与实测值的比较可明显看出，计算值与实测值吻合的较好，证明本文对锥面射流作用下吸气流动的模拟边界条件的设置是正确的，运用K两方程模型对锥面射流作用下吸气流动的模拟是可行的。2横向气流对锥面射流作用下吸气流动影响的数值模拟研究这部分的研究内容包括两部分（1）.主要研究横向气流和障碍物对临界射流量的影响。本文模拟了在有横向气流作用下喷口宽度、射流轴线倾角、吸气量和横向气流风速四个变量组合的多种工况下的临界射流速度和沿着罩口中心轴线吸气流速度场，通过对数值模拟所得数据进行比较，以此分析横向气流对临界射流量的影响。（2）.主要研究横向气流和障碍物对速度场的影响。排风罩外各点的吸入速度直接决定了该气流控制污染物的能力。由于三维锥面Aaberg排风罩的吸气流具有轴对称性，所以沿着罩口中心轴线的吸入速度具有代表性。本文数值模拟了多组工况下距罩口中心不同距离处的锥面射流作用下吸气流的轴线速度，并对模拟数据进行整理得出了吸气流的速度衰减规律，分析了各参数对该控制气流的影响。2.1横向风速对临界射流量的影响和分析选择2个有代表性的工况来说明问题。A工况：喷口宽度11mm,射流轴向倾角60°,吸气量1200m3/h,五中横向风速（0m/s、0.3m/s、0.4m/s、0.5m/s、0.6m/s）。其中吸气口直径保持300mm不变。B工况：喷口宽度7mm,射流轴向倾角80°,吸气量1150m3/h,五中横向风速（0m/s、0.3m/s、0.4m/s、0.5m/s、0.6m/s）。其中吸气口直径保持300mm不变。为了直观和便于分析横向风速对射流作用下的吸气流动的影响，现将B工况中横向风速为0.4m/s的模拟结果进行后处理所得的图形表示出来：如图2-1为垂直于吸气平面的等速线，图2-2为临界射流状态下的流线。从图2-1中可以看出在横向风速下吸气流速度场的变化。图2-2中可明显看出在横向风速的作用下吸气流速度轴线发生明显偏移，这些都为对处理结果数据的分析提供了形象的指导。图2-1XZ平面等速面图2-2XY平面流线图为了直观和便于分析，现将计算所得的数据整理成一系列的图表如下：0200400600800100012001400160000.10.20.30.40.50.60.7横向风速（m/s）临界射流量（m3/h）A工况B工况图2-3横向风速对临界设流量的影响从以上数据不难看出，在排风罩尺寸、喷口宽、轴向倾角一定的情况下，射流作用下吸气流动的临界射流量在没有横向气流的情况下与有横向气流的情况相比，有横向气流下的临界射流量会增加，并且会随着横向气流速度的增加而进一步增加。分析其原因为了抵御横向气流的干扰必须增大射流速度，才能保证射流不弯曲从而临界射流量会增大2.2横向风速对吸气流动轴线速度的影响和分析由于模拟工况较多，不能一一列举，仅选择了其中一部分有代表性的数据来说明问题。喷口宽度7mm,射流轴向倾角80°,吸气量1150m3/h,射流量为各横向风速所对应的临界射流量，五中横向风速（0m/s、0.3m/s、0.4m/s、0.5m/s、0.6m/s）。其中吸气口直径保持300mm不变。具体数据见下表：表2-1工况工况ABCDE横向风速0m/s0.3m/s0.4m/s0.5m/s0.6m/s模拟所得数值如下：00.511.522.533.544.550100200300400500600700800距吸口平面距离（mm）轴线吸气速度（m/s）A工况B工况C工况D工况图2-4横向风速对吸气流动轴线速度的影响从图中可以看出，在排风罩尺寸、喷口宽、轴向倾角吸气量一定的情况下，射流作用下吸气流动的轴线吸气速度在没横向气流的情况下与有横向气流的情况相比，有横向气流情况的轴线吸气速率会增大，吸气流作用距离与增加，并且随着横向风速的增大吸气流轴线吸气速率会进一步增大，作用距离也会逐渐增加，但增大到一定程度的时候就会终止。分析其原因由于横向气流的存在使得临界射流量增大，射流量的增大自然会加强射流对周围空气的卷吸作用，卷吸流和吸气流叠加后，使轴线吸气速度变大。同时由于卷吸作用的增强以及吸气轴线速度的增大使吸气流动的作用距离加大，增加射流量主要是保证Aaberg效应，它对射流卷吸作用的加强是有限的，因此增大到一定量的时候就会终止。3障碍物对锥面射流作用下吸气流动影响的数值模拟研究这部分的研究内容包括两部分3.1.本文模拟了在无限大平板障碍物作用下喷口宽度、射流轴线倾角、吸气量和障碍物距吸气口远近四个变量组合的多种工况下的临界射流速度和沿着罩口中心轴线吸气流速度场，通过对数值模拟所得数据进行比较，以此分析障碍物对临界射流量和吸气流场的影响。本文模拟分析了多种工况因篇幅有限仅写出如下结论：3.1.1无限大平板障碍物对临界射流量的影响和分析在排风罩尺寸、喷口宽、轴向倾角一定的情况下，射流作用下吸气流动的临界射流量在没有障碍物的情况下与有障碍物的情况相比，有障碍物情况的临界射流量会减少，并且会随着障碍物距吸气口距离的减少而减少。分析其原因由于障碍物的存在使得吸气流作用距离减少，因而只要较少的射流量就可以达到障碍物。3.1.2无限大平板障碍物对吸气流动轴线速度的影响和分析在排风罩尺寸、喷口宽、轴向倾角吸气量一定的情况下，射流作用下吸气流动的轴线吸气速度在没有障碍物的情况下与有障碍物的情况相比，有障碍物情况下的吸气流轴线吸气速度衰减率在一特定段距离后会突然增大，吸气流作用距离减小，并且会随着障碍物距离吸气口的距离的增大这一特定距离会进一步增加，吸气流作用距离进一步增大。当障碍物距离超过吸气流作用距离时，障碍物对轴线吸气速度基本没有影响。分析其原因由于障碍物和射流的屏蔽作用阻止了周围和后方空气进入抽吸区，迫使射流内侧的气流在速度很大的时候就被吸气流卷吸，所以在吸气口较近的位置有障碍物时的速度会比无障碍物时的速度增大，但是由于障碍物和卷吸作用在靠近障碍物的一小部分区域会逐渐成为真空区，所以吸气流轴线吸气速度衰减率会突然增大。3.2.本文模拟了在圆形障碍物作用下喷口宽度、射流轴线倾角、吸气量和障碍物距吸气口远近四个变量组合的多种工况下的临界射流速度和沿着罩口中心轴线吸气流速度场，