1、XX理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 第一章 緒論進(jìn)風(fēng)位置對袋式除塵器氣流分布影響的數(shù)值研究摘 要隨著重工業(yè)不斷迅猛的發(fā)展，全球環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重。一些國家和地區(qū)為了治理這一環(huán)境問題，將顆粒物國家排放標(biāo)準(zhǔn)提高到50mg/m3，甚至到30mg/m3以下。袋式除塵器因其高效節(jié)能的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于空氣凈化。本文借助CFD（Computational Fluid Dynamics)系列中的Fluent軟件對同側(cè)下進(jìn)風(fēng)、同側(cè)中進(jìn)風(fēng)、同側(cè)上進(jìn)風(fēng)和異側(cè)下進(jìn)風(fēng)袋式除塵器內(nèi)的速度場和壓力場進(jìn)行數(shù)值模擬。通過對這四種不同進(jìn)風(fēng)位置下的袋式除塵器數(shù)值模擬結(jié)果的對比和分析，選擇一種最佳的進(jìn)風(fēng)位置。研究結(jié)果表明：與其它進(jìn)風(fēng)位置相

2、比，同側(cè)下進(jìn)風(fēng)袋式除塵器的速度場和壓力場分布較均勻，通過每個布袋的流量分配基本均勻，并且，其壓力損失最小。所以在這四種進(jìn)風(fēng)位置中，同側(cè)下進(jìn)風(fēng)是最佳的進(jìn)風(fēng)位置。上述研究結(jié)果可以為袋式除塵器的設(shè)計和改造提供參考。關(guān)鍵詞：袋式除塵器 數(shù)值模擬 進(jìn)風(fēng)位置 氣流分布 ABSTRACTWith the rapid development of heavy industry, the global environment has been seriously polluted. To solve this problem, the national standards for particle emissi

3、on in some countries and regions are increased to 50mg/m3, even below 20mg/m3. The bag filter has been widely used for air purification, due to its high efficiency and energy saving. The velocity and pressure fields with different inlet positions (down inlet, middle inlet and up inlet at the same si

4、de, down inlet at another side) were simulated by the Computational Fluid Dynamics (CFD) software-Fluent in the paper. The best inlet position can be chosen through the comparison and analysis of these four numerical simulation results. The research results show that the bag filter with down inlet a

5、t the same side, compared with the other positions, has the more homogeneous velocity and pressure fields and the distribution of flow in all bags is even. Meanwhile, it has the least pressure drop. Therefore, the down inlet at the same side is the best position during the four positions.The results

6、 can provide references for designing and reforming the bag filter.Keywords: Bag filter; Numerical simulation; Inlet position; Airflow distribution I 1 緒論1.1 前言21世紀(jì)以來，中國的重工業(yè)不斷迅猛的發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展和人民生活水平的提高，環(huán)境污染也在增加，特別是在發(fā)展中國家。環(huán)境污染問題越來越成為世界各個國家的共同課題之一。袋式除塵器是治理大氣污染的高效除塵設(shè)備，是一種用于分離細(xì)小粉塵的高效分離設(shè)備，對減少氣溶膠對大氣的污染起重

7、要作用。袋式除塵器是利用有機(jī)纖維和無機(jī)纖維編織物制作的袋式過濾元件將含塵氣體中固體顆粒物過濾而出,它用于捕集非黏結(jié)性、非纖維性的工業(yè)粉塵, 具有除塵效率高、運行穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)簡單及可處理高濃度的含煙塵氣等優(yōu)點。袋式除塵器的粉塵排放濃度可達(dá)到10 mg/m3以下。在化工、冶金、礦山、機(jī)械、水泥、糧食、制藥、輕工等行業(yè)已得到廣泛應(yīng)用。十八世紀(jì)以前人類主要通過實踐經(jīng)驗和試驗來認(rèn)識世界，十八世紀(jì)牛頓等科學(xué)家發(fā)明了微積分與力學(xué)，從而人們使用理論研究探索自然，即采用力學(xué)與微積分方法把大自然的各種規(guī)律歸結(jié)為一組常微分方程或者偏微分方程。十八世紀(jì)至二十世紀(jì)，大量的力學(xué)家，物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家，以畢生的精力投入到這

8、些微分方程的研究及其求解方法。遺憾的是只有對這些微分方程進(jìn)行了大量的簡化，即在極其理想的條件下，才能得到部分微分方程的解。這種理論研究方法只能獲得自然界某些規(guī)律的定性認(rèn)識，因此還不能準(zhǔn)確認(rèn)識這些規(guī)律。二十世紀(jì)四十年代由于電子計算機(jī)的發(fā)明和差分方法的提出，以及隨后的有限元方法和有限體積法，為數(shù)值求解微分方程，準(zhǔn)確認(rèn)識自然規(guī)律創(chuàng)造了客觀條件。從而產(chǎn)生了數(shù)值試驗與數(shù)值模擬。這種方法更優(yōu)越更沒有局限性。但是由于當(dāng)時計算機(jī)能力的限制，人們對自然規(guī)律的認(rèn)識主要還是依靠實踐經(jīng)驗和物理實驗，數(shù)值模擬還只能起到參考與輔助的作用。隨著計算機(jī)的迅猛發(fā)展以及計算數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)的長足進(jìn)步，尤其是以并行計算機(jī)和并行計算為

9、基礎(chǔ)的高性能計算在二十世紀(jì)八十年代的興起使得計算能力大幅度提高，從而能夠精確求解各種復(fù)雜的微分方程問題，數(shù)值模擬正逐漸成為人類認(rèn)識自然規(guī)律的主要手段，物理實驗逐漸變成輔助手段。本文所采用的就是計算流體動力學(xué)數(shù)值模擬軟件，即CFD軟件(Computational Fluid Dynamics），簡稱CFD。CFD是近代流體力學(xué)，數(shù)值數(shù)學(xué)和計算機(jī)科學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物，是一門具有強(qiáng)大生命力的邊緣科學(xué)。它以電子計算機(jī)為工具，應(yīng)用各種離散化的數(shù)學(xué)方法，對流體力學(xué)的各類問題進(jìn)行數(shù)值實驗、計算機(jī)模擬和分析研究，以解決各種實際問題。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，CFD軟件的種類越來越多，目前比較好的CFD軟件有：CFX、

10、Fluent、Phoenics、Star-CD，等等。本文所采用的數(shù)值模擬軟件是集合了CFX和Fluent的新型軟件，即ANSYS有限元分析軟件，ANSYS是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)等多物理場于一體的大型通用有限元分析軟件，功能強(qiáng)大，操作簡單。用來模擬袋式除塵器內(nèi)部流場分布，來分析氣流分布的均勻性。1.2 研究方法40年代伴隨著計算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計算技術(shù)的發(fā)展，計算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics)迅速發(fā)展起來，它涉及流體力學(xué)、計算方法以及計算機(jī)圖形學(xué)等多種學(xué)科。簡單的說，就是在計算機(jī)上虛擬地做實驗，依據(jù)流體流動和傳熱的數(shù)學(xué)物理模型，將計算區(qū)域劃分成小的控

11、制體，把控制空氣流動和傳熱的微分方程組離散為非連續(xù)的代數(shù)方程組，結(jié)合實際的邊界條件在計算機(jī)上數(shù)值求解離散所得的代數(shù)方程組。只要劃分的控制體足夠小，就可以認(rèn)為離散區(qū)域上的離散值代表整個范圍內(nèi)流體分布情況。應(yīng)用此方法可以研究不同物理條件和不同模型配置下的流體狀況，且耗時較少，可極大的降低研究成本。1933年，英國人Thom首次用手搖計算機(jī)數(shù)值求解了二維粘性流體偏微分方程，標(biāo)志著CFD的誕生。1974年，丹麥的Nielsen首次將CFD技術(shù)用于暖通空調(diào)工程領(lǐng)域，對通風(fēng)房間內(nèi)的空氣流動進(jìn)行模擬。當(dāng)時所采用的數(shù)學(xué)模型較為簡單，主要是二維層流等溫穩(wěn)態(tài)Navier-Stokes方程，我國也于上個世紀(jì)七十年代

12、末開始從事此方向研究。八十年代的工作完成了從二維到三維，層流到湍流，從穩(wěn)態(tài)到動態(tài)，從室內(nèi)氣流到室外建筑繞流的研究。九十年代，隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，CFD技術(shù)也獲得了長足的進(jìn)步，主要包括兩個方面，一方面是計算方法本身更加完善，如豐富了模型方程，包括標(biāo)準(zhǔn)k-模型、修正k-模型、低雷諾數(shù)模型、代數(shù)應(yīng)力方程模型、大渦旋模型等;算法研究也取得一些成果，完成了并行算法、區(qū)域分解算法、多重網(wǎng)格算法、SIMPLE算法等的研究。另一方面，應(yīng)用也日趨成熟，如解析的對象更全面、更細(xì)化，從氣流分布到熱舒適、空氣品質(zhì)，涉及換氣、熱輻射、IAQ (Indoor Air Quality)、自然對流、強(qiáng)制對流、大氣擴(kuò)散、

13、風(fēng)環(huán)境等各個方面。應(yīng)用軟件更加多樣化，包括FLUENT、AIRPAK、PHOENICS、 STAR-CD、CFX等。在許多發(fā)達(dá)國家 CFD技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入實用階段，在我國也取得了一些實際工程應(yīng)用的寶貴經(jīng)驗。CFD軟件分析的理論基礎(chǔ)是有限元分析（FEA，F(xiàn)inite Element Analysis），利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬。還利用簡單而又相互作用的元素，即單元，就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實系統(tǒng)。有限元分析是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的(較簡單的）近似解，然后推導(dǎo)

14、求解這個域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問題的解。這個解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因為實際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數(shù)實際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。1.3 研究現(xiàn)狀及評價從1988年，F(xiàn)luent公司成立以后，越來越多的學(xué)者使用Fluent軟件來模擬袋式除塵器中氣流流場的分布。起初是使用Fluent軟件對袋式除塵器中流場分布進(jìn)行數(shù)值模擬分析，給出不同位置上的布袋不同高度上的氣流速度圖，將模擬結(jié)果與實際工程運行情況進(jìn)行對比，分析其可靠性1-4。之后諸多學(xué)者進(jìn)行了廣泛的模擬分析研究，沈強(qiáng)2等人的研究結(jié)果表明

15、：Fluent軟件可以很好的應(yīng)用于除塵器的流場模擬。付海明4等人通過CFD軟件對袋式除塵器進(jìn)行數(shù)值模擬，研究結(jié)果表明：對袋式除塵器流場進(jìn)行CFD模擬計算，將流場速度分布模擬計算結(jié)果與實驗測試結(jié)構(gòu)對比，試驗測試值與模擬值相對誤差小于17.5%。基于CFD模擬計算結(jié)果的高可靠性，計算流體力學(xué)軟件得到了廣泛的應(yīng)用。通過袋式除塵器的大量使用，人們發(fā)現(xiàn)降低氣流流通阻力及延長濾袋的使用壽命，減少振動和噪音，是袋式除塵器現(xiàn)今急需要解決的問題。袋室是袋式除塵器的執(zhí)行部分，袋室內(nèi)的氣流分布是決定除塵器工作性能和使用壽命的關(guān)鍵因素。氣流不均易造成袋室內(nèi)某個位置的布袋或布袋的某個位置破損，而其他位置的布袋在除塵過程

16、中所起的作用較小。袋式除塵器破損濾袋大部分集中在除塵器下游，這與箱體內(nèi)部氣流狀況密切相關(guān)。所以合理調(diào)整氣流分布可以降低運行阻力，延長濾袋的使用壽命，減少振動和噪音。但是袋式除塵器內(nèi)氣流分布比較復(fù)雜，不容易進(jìn)行試驗測試，對袋式除塵器氣流均勻性的研究極其困難。袋式除塵器有著較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部的多相流場也十分復(fù)雜，尤其是湍流更為復(fù)雜。由于傳統(tǒng)的試驗方法受多種條件限制，而數(shù)值模擬在這方面有著很大優(yōu)勢，因而研究主要是使用計算流體動力學(xué)軟件對袋式除塵器內(nèi)部湍流流場進(jìn)行數(shù)值模擬分析。1.3.1 研究動態(tài)近年來, 許多學(xué)者對袋式除塵器氣流分布進(jìn)行了模擬研究4-13，其中：付海明等人對袋式除塵器進(jìn)行模型建立

17、，并確定數(shù)值計算方法和評價流場分布的基本參數(shù)后，對該袋式除塵器進(jìn)行數(shù)值模擬，得到整個袋式除塵器的流場速度分布圖。而后，又將整個布袋除塵器中設(shè)定十個截面，在這十個截面上進(jìn)行測點的布置，來進(jìn)行實驗測定布袋上的過濾風(fēng)速，得到測定位置的氣流速度分布圖，將實驗得到的結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行對比4。張廣朋等人根據(jù)同樣的原理，采用數(shù)值模擬方法對袋式除塵器的內(nèi)部流場進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)原設(shè)計方案存在氣流分布不均勻、設(shè)備阻力過大、粉塵沉降困難等問題，提出了增加進(jìn)風(fēng)口和在進(jìn)氣通道內(nèi)添加導(dǎo)流板的改進(jìn)措施5。趙汝海等人同樣對袋式除塵器中的湍流流場進(jìn)行數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)袋式除塵器內(nèi)部有著復(fù)雜的湍流流場，形成的漩渦回流易造成尾部濾

18、袋磨損和破壞。通過模擬氣相流動，分析了袋式除塵器內(nèi)部各處速度流場、氣體流場軌跡的情況，模擬結(jié)果較為真實地反映了實際情況，可為下一步氣流道優(yōu)化提供了理論依據(jù)6。李少華等人采用Fluent軟件對袋式除塵器內(nèi)部的流場分布進(jìn)行數(shù)值模擬，分析流場分布的均勻性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，除塵器內(nèi)的氣流分布不均勻是導(dǎo)致濾袋容易破損的主要原因，在除塵器內(nèi)加導(dǎo)流板可以改善除塵器內(nèi)氣流分布的均勻性，減少濾袋的磨損7。李萌萌等人是對袋式除塵器中的單元氣流組織進(jìn)行數(shù)值模擬分析，通過模擬分析得到了沿濾袋高度方向過濾風(fēng)速的分布，以及袋間隙氣流抬升速度在不同高度上的分布特征。結(jié)果同樣表明過濾風(fēng)速和氣流抬升速度依然分布不均勻，并且得到了氣流

19、速度的分布圖8。李勇等人通過Fluent軟件模擬，得到了袋式除塵器中的內(nèi)部流場的靜壓、氣流的速度分布和通過濾袋的氣流的質(zhì)量流量，通過觀察和分析模擬得到的氣流速度分布圖和各濾袋的氣流質(zhì)量流量分布圖，預(yù)測濾袋的破損情況，進(jìn)而驗證了工況下濾袋破損的現(xiàn)象9。高廣德等人對脈沖袋式除塵器內(nèi)部流場進(jìn)行模擬分析，同樣驗證了除塵器內(nèi)部流場的極度不均勻性。并且提出，灰斗中存在明顯的射流和回流現(xiàn)象。進(jìn)而提出了解決措施和改進(jìn)方案，即在除塵器入口增設(shè)導(dǎo)流板或分布板10。桑亮等人在除塵器內(nèi)部沒有掛裝濾袋況下，對布袋除塵器內(nèi)部未布置導(dǎo)流板和加有導(dǎo)流板的內(nèi)部流場分布進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)安裝導(dǎo)流板的氣流均布性與沒有氣流均布裝置時相比

20、有很大提高，但其忽略了內(nèi)部濾袋的影響，試驗測試結(jié)果不能完全反映袋式除塵器內(nèi)部流場的實際分布11。侯文龍等人針對內(nèi)濾式袋式除塵器的運行情況, 分析了氣流分布不均的原因, 并提出了改進(jìn)進(jìn)氣口和在下箱體中添加導(dǎo)流板的措施。采用CFD 軟件計算得到改進(jìn)前、后除塵器內(nèi)的流場、流線分布和粒子軌跡等。改進(jìn)后氣流分布、各部分的煙氣處理量、粒子分布都更均勻, 氣流速度變化減小, 使除塵器各部分都能起到良好的收塵作用, 也可以有效地減少濾袋的磨損, 提高除塵效率和運行穩(wěn)定性12。胡滿銀等人對外濾式袋式除塵器濾袋內(nèi)的流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了濾袋出口壓力、過濾風(fēng)速、濾袋尺寸以及入口氣流均勻性對濾袋內(nèi)流場的影響，通過

21、分析模擬得到的速度分布圖，提出了使濾袋內(nèi)流場均勻的合適濾袋尺寸和運行條件，是氣流分布更加均勻13。許多學(xué)者也對進(jìn)風(fēng)位置不同的除塵器進(jìn)行了數(shù)值模擬分析：高暉等人研究了下進(jìn)風(fēng)式的袋式除塵器內(nèi)部氣固兩相流動，并進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了流體運動的軌跡圖和壓力等值線圖，通過分析發(fā)現(xiàn)，下進(jìn)風(fēng)式的袋式除塵器在下箱體中部形成了一個很強(qiáng)的漩渦回流區(qū)，使袋式內(nèi)部流動在總體上形成了回流特征，并且箱體內(nèi)的壓力分布極不均勻14。時紅梅等人采用CFD軟件，對下進(jìn)風(fēng)袋式除塵器進(jìn)行模擬分析，分別選取了過濾速度和滲透率的4種工況對下進(jìn)風(fēng)袋式除塵器的流場進(jìn)行了數(shù)值模擬計算, 研究其對氣流穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明: 隨著過濾風(fēng)速的增大,

22、 下進(jìn)風(fēng)除塵器內(nèi)氣流分布的不均勻現(xiàn)象反而變得更嚴(yán)重; 隨著滲透率的增加, 氣流速度變化就越劇烈, 氣流的分配也就越不均勻15。高廣德等人分別對下進(jìn)氣方式下的直管式和四棱臺式兩種不同進(jìn)口結(jié)構(gòu)的袋式除塵器內(nèi)部流場進(jìn)行模擬，根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，對其進(jìn)行各自內(nèi)部流場均勻性的分析研究，在此基礎(chǔ)上對兩種不同進(jìn)口結(jié)構(gòu)的袋式除塵器內(nèi)部流場的性質(zhì)進(jìn)行比較16。許可等人利用FLUENT 軟件分別對下進(jìn)式以及中進(jìn)式這兩種不同進(jìn)風(fēng)方式的除塵器內(nèi)部流場進(jìn)行模擬，根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果分別對這兩種除塵器各自內(nèi)部流場的特性進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上對這兩種除塵器進(jìn)行比較，找出兩者的優(yōu)劣17。黃鶯等人對廣泛使用的5種袋式除塵器進(jìn)風(fēng)

23、結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行了介紹分析，并分別對其結(jié)構(gòu)建立了簡化物理模型，分析了每種結(jié)構(gòu)型式對箱體內(nèi)氣流分布的影響，通過模擬分析的結(jié)果發(fā)現(xiàn)中箱體進(jìn)風(fēng)使氣流分布更為均勻，下箱體進(jìn)風(fēng)易在箱體下部形成大型劇烈渦流，增加氣流分布板有助于減輕高速氣流和渦流造成的二次揚塵影響18。1.3.2 現(xiàn)狀評價以上有的學(xué)者只是根據(jù)下進(jìn)風(fēng)式除塵器內(nèi)部的流場分布進(jìn)行模擬分析，考慮了除塵器內(nèi)部的靜壓，入口氣流的均勻性、過濾風(fēng)速、風(fēng)速沿高度的分布、出口的壓力和灰斗中的射流和回流等對氣流分布的影響，從而提出了增加導(dǎo)流板或分布板等改進(jìn)措施。有的學(xué)者對于不同進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)型式的袋式除塵器內(nèi)部氣流分布進(jìn)行模擬分析，對不同進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)下的氣流分布進(jìn)行比較。但

24、是上述研究均沒有考慮除塵器進(jìn)風(fēng)位置的不同對于氣流分布的影響。由于進(jìn)口位置可以有很多種，并且進(jìn)口位置的不同會對流場分布有極大的影響，影響入口氣流的均勻性和氣流在除塵器中的流線，是否會產(chǎn)生回流和渦流等等。有極少數(shù)的學(xué)者對兩種不同進(jìn)風(fēng)位置的袋式除塵器內(nèi)部氣流分布進(jìn)行分析，但是除了下進(jìn)風(fēng)和中進(jìn)風(fēng)以外還有上進(jìn)風(fēng)式需要分析。1.3.3 研究內(nèi)容、目的及意義通過大量的文獻(xiàn)閱讀工作、查閱資料和思考分析，本課題將對不同進(jìn)風(fēng)位置下的袋式除塵器進(jìn)行數(shù)值模擬分析，包括對同側(cè)下進(jìn)風(fēng)、同側(cè)中進(jìn)風(fēng)、同側(cè)上進(jìn)風(fēng)和異側(cè)下進(jìn)風(fēng)四種不同的進(jìn)風(fēng)位置進(jìn)行模擬。通過模擬得到除塵器內(nèi)部的流場分布圖，對于不同進(jìn)風(fēng)位置下的流場分布進(jìn)行對比，分

25、析不同的進(jìn)風(fēng)位置對流場分布的影響。其次，通過模擬得到的速度分布和速度矢量圖，對除塵器內(nèi)部的流場分布是否均勻進(jìn)行分析，并且通過模擬得到的布袋出口的速度值，對通過每個布袋的流量進(jìn)行計算及分析，檢驗通過每個布袋的流量是否均勻。最后，通過計算除塵器內(nèi)的壓力損失，來確定哪種進(jìn)風(fēng)位置的壓降最小，并且根據(jù)上述的模擬和分析結(jié)果對每個布袋的壽命進(jìn)行對比，預(yù)測哪個布袋預(yù)先破損。通過上述的分析結(jié)果，進(jìn)行綜合評估，找到最佳的進(jìn)風(fēng)位置，為除塵器的設(shè)計和改進(jìn)提供依據(jù)。47XX理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 第二章 CFD軟件的簡介及應(yīng)用2 CFD軟件的簡介及應(yīng)用2.1 CFD簡介CFD是英文Computational Fluid

26、Dynamics（計算流體動力學(xué)）的簡稱。它是伴隨著計算機(jī)技術(shù)、數(shù)值計算技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。簡單地說，CFD相當(dāng)于虛擬地在計算機(jī)做實驗，用以模擬仿真實際的流體流動情況。而其基本原理則是數(shù)值求解控制流體流動的微分方程，得出流體流動的流場在連續(xù)區(qū)域上的離散分布，從而近似模擬流體流動情況。可以認(rèn)為CFD是現(xiàn)代模擬仿真技術(shù)的一種。2.1.1 CFD的產(chǎn)生1933年，英國人Thom首次用手搖計算機(jī)數(shù)值求解了二維粘性流體偏微分方程，CFD由此而生。1974年，丹麥的Nielsen首次將CFD用于暖通空調(diào)工程領(lǐng)域，對通風(fēng)房間內(nèi)的空氣流動進(jìn)行模擬。之后短短的20多年內(nèi)，CFD技術(shù)在暖通空調(diào)工程中的研究和應(yīng)用進(jìn)

27、行得如火如荼。如今，CFD技術(shù)逐漸成為廣大空調(diào)工程師和建筑師解決分析工程問題的有力工具。CFD是一種模擬仿真技術(shù)，在暖通空調(diào)工程中的應(yīng)用主要在于模擬預(yù)測室內(nèi)外或設(shè)備內(nèi)的空氣或其他工質(zhì)流體的流動情況。以預(yù)測室內(nèi)空氣分布為例，目前在暖通空調(diào)工程中采用的方法主要有四種：射流公式，Zonal model，CFD以及模型實驗。由于建筑空間越來越向復(fù)雜化、多樣化和大型化發(fā)展，實際空調(diào)通風(fēng)房間的氣流組織形式變化多樣，而傳統(tǒng)的射流理論分析方法采用的是基于某些標(biāo)準(zhǔn)或理想條件理論分析或試驗得到的射流公式對空調(diào)送風(fēng)流的軸心速度和溫度、射流軌跡等進(jìn)行預(yù)測，勢必會帶來較大的誤差。并且，射流分析方法只能給出室內(nèi)的一些集總

28、參數(shù)性的信息，不能給出設(shè)計人員所需的詳細(xì)資料，無法滿足設(shè)計者詳細(xì)了解室內(nèi)空氣分布情況的要求。Zonal model是將房間劃分為一些有限的宏觀區(qū)域，認(rèn)為區(qū)域內(nèi)的相關(guān)參數(shù)如溫度、濃度相等，而區(qū)域間存在熱質(zhì)交換，通過建立質(zhì)量和能量守恒方程并充分考慮了區(qū)域間壓差和流動的關(guān)系來研究房間內(nèi)的溫度分布以及流動情況，因此模擬得到的實際上還只是一種相對精確的集總結(jié)果，且在機(jī)械通風(fēng)中的應(yīng)用還存在較多問題。 模型實驗雖然能夠得到設(shè)計人員所需要的各種數(shù)據(jù)，但需要較長的實驗周期和昂貴的實驗費用，搭建實驗?zāi)Ｐ秃馁Y很大，單個實驗通常耗資300020000美元，而對于不同的條件，可能還需要多個實驗，耗資更多，周期也長達(dá)數(shù)月

29、以上，難于在工程設(shè)計中廣泛采用。另一方面，CFD具有成本低、速度快、資料完備且可模擬各種不同的工況等獨特的優(yōu)點，故其逐漸受到人們的青睞。就目前的三種理論預(yù)測室內(nèi)空氣分布的方法而言，CFD方法確實具有不可比擬的優(yōu)點，且由于當(dāng)前計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CFD方法的計算周期和成本完全可以為工程應(yīng)用所接受。盡管CFD方法還存在可靠性和對實際問題的可算性等問題，但這些問題已經(jīng)逐步得到發(fā)展和解決。因此，CFD方法可應(yīng)用于對室內(nèi)空氣分布情況進(jìn)行模擬和預(yù)測，從而得到房間內(nèi)速度、溫度、濕度以及有害物濃度等物理量的詳細(xì)分布情況。進(jìn)一步而言，對于室外空氣流動以及其它設(shè)備內(nèi)的流體流動的模擬預(yù)測，一般只有模型實驗或CFD方法

30、適用。2.1.2 CFD在暖通空調(diào)上的應(yīng)用CFD在暖通空調(diào)工程的應(yīng)用始于1974年，國外在這方面發(fā)展較快，目前國內(nèi)也有一些大學(xué)或科研機(jī)構(gòu)在對此進(jìn)行研究。就其研究方向而言，主要可分為兩方面：基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究。目前，美國、歐洲、日本等發(fā)達(dá)國家對CFD的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究都處于領(lǐng)先水平，我國的清華大學(xué)等也有較為獨特的研究方向。下面簡要介紹：1）基礎(chǔ)研究方面目前CFD在暖通空調(diào)工程的應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面，主要有如下新動態(tài)：室內(nèi)空氣流動的簡化模擬：美國MIT，從描述空調(diào)風(fēng)口入流邊界條件的方法、湍流模型等方面進(jìn)行研究，以對室內(nèi)空氣流動進(jìn)行簡化模擬；中國清華大學(xué)，研究空調(diào)風(fēng)口入流邊界條件的新方法、湍流模型以及數(shù)值

31、算法，建立室內(nèi)空氣流動數(shù)值模擬的簡捷體系；室內(nèi)外空氣流動的大渦模擬：美國MIT、日本東京大學(xué)，研究大渦模擬這一高級湍流數(shù)值模擬技術(shù)在室內(nèi)外空氣流動模擬中的應(yīng)用，目前已經(jīng)開始嘗試用于建筑小區(qū)和自然通風(fēng)模擬等；室內(nèi)空氣流動模擬和建筑能耗的耦合模擬：美國MIT，通過將簡化的CFD模擬方法和建筑能耗計算耦合對建筑環(huán)境進(jìn)行設(shè)計。 2）應(yīng)用研究方面自然通風(fēng)的數(shù)值模擬：美國MIT、香港大學(xué)等，主要借助大渦模擬工具研究自然通風(fēng)問題；置換通風(fēng)的數(shù)值模擬：美國MIT、丹麥Aalborg大學(xué)、中國清華大學(xué)等，如地板置換通風(fēng)、座椅送風(fēng)等；高大空間的數(shù)值模擬：中國清華大學(xué)等，以體育場館為主的高大空間的氣流組織設(shè)計及其與

32、空調(diào)負(fù)荷計算的關(guān)系研究；VOC散發(fā)的數(shù)值模擬：美國MIT等，借助CFD研究室內(nèi)有機(jī)散發(fā)污染物在室內(nèi)的分布，研究室內(nèi)IAQ問題；潔凈室的數(shù)值模擬：中國清華大學(xué)等；對型式比較固定的潔凈室空調(diào)氣流組織形式進(jìn)行數(shù)值模擬，指導(dǎo)工程設(shè)計。2.2 CFD的計算原理及基本環(huán)節(jié)CFD是利用計算機(jī)求解流體流動的各種守恒控制偏微分方程組的技術(shù)，這其中將涉及流體力學(xué)(尤其是湍流力學(xué))、計算方法乃至計算機(jī)圖形處理等技術(shù)。因問題的不同，CFD技術(shù)也會有所差別，如可壓縮氣體的亞音速流動、不可壓縮氣體的低速流動等。對于暖通空調(diào)領(lǐng)域內(nèi)的流動問題，多為低速流動，流速在10m/s以下；流體溫度或密度變化不大，故可將其看作不可壓縮流

33、動，不必考慮可壓縮流體高速流動下的激波等復(fù)雜現(xiàn)象。從此角度而言，此應(yīng)用范圍內(nèi)的CFD和數(shù)值傳熱學(xué)NHT(Numerical Heat Transfer)等同。另外，暖通空調(diào)領(lǐng)域內(nèi)的流體流動多為湍流流動，這又給解決實際問題帶來很大的困難。由于湍流現(xiàn)象至今沒有完全得到解決，目前HVAC內(nèi)的一些湍流現(xiàn)象主要依靠湍流半經(jīng)驗理論來解決。總體而言，CFD通常包含如下幾個主要環(huán)節(jié)：建立數(shù)學(xué)物理模型、數(shù)值算法求解、結(jié)果可視化。1）建立數(shù)學(xué)物理模型建立數(shù)學(xué)物理模型是對所研究的流動問題進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，對于暖通空調(diào)工程領(lǐng)域的流動問題而言，通常是不可壓流體的粘性流體流動的控制微分方程。另外，由于暖通空調(diào)領(lǐng)域的流體流動基

34、本為湍流流動，所以要結(jié)合湍流模型才能構(gòu)成對所關(guān)心問題的完整描述，便于數(shù)值求解。2） 數(shù)值算法求解上述的各微分方程相互耦合，具有很強(qiáng)的非線性特征，目前只能利用數(shù)值方法進(jìn)行求解。這就需要對實際問題的求解區(qū)域進(jìn)行離散。數(shù)值方法中常用的離散形式有：有限容積，有限差分，有限元。目前這三種方法在暖通空調(diào)工程領(lǐng)域的CFD技術(shù)中均有應(yīng)用。總體而言，對于暖通空調(diào)領(lǐng)域中的低速，不可壓流動和傳熱問題，采用有限容積法進(jìn)行離散的情形較多。它具有物理意義清楚，總能滿足物理量的守恒規(guī)律的特點。可見，通過離散之后使得難以求解的微分方程變成了容易求解的代數(shù)方程，采用一定的數(shù)值計算方法求解式表示的代數(shù)方程，即可獲得流場的離散分布

35、，從而模擬關(guān)心的流動情況。 3） 結(jié)果可視化上述代數(shù)方程求解后的結(jié)果是離散后的各網(wǎng)格節(jié)點上的數(shù)值，這樣的結(jié)果不直觀，難以為一般工程人員或其他相關(guān)人員理解。因此將求解結(jié)果的速度場、溫度場或濃度場等表示出來就成了CFD技術(shù)應(yīng)用的必要組成部分。通過計算機(jī)圖形學(xué)等技術(shù)，就可以將我們所求解的速度場和溫度場等形象、直觀地表示出來。如今，CFD的后處理不僅能顯示靜態(tài)的速度、溫度場圖片，而且能顯示流場的流線或跡線動畫，非常形象生動。2.3 CFD軟件簡介CFD軟件(Computational Fluid Dynamics），即計算流體動力學(xué), 簡稱CFD。CFD是近代流體力學(xué)，數(shù)值數(shù)學(xué)和計算機(jī)科學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物，

36、是一門具有強(qiáng)大生命力的邊緣科學(xué)。它以電子計算機(jī)為工具，應(yīng)用各種離散化的數(shù)學(xué)方法，對流體力學(xué)的各類問題進(jìn)行數(shù)值實驗、計算機(jī)模擬和分析研究，以解決各種實際問題。計算流體力學(xué)和相關(guān)的計算傳熱學(xué)，計算燃燒學(xué)的原理是用數(shù)值方法求解非線性聯(lián)立的質(zhì)量、能量、組分、動量和自定義的標(biāo)量的微分方程組，求解結(jié)果能預(yù)報流動、傳熱、傳質(zhì)、燃燒等過程的細(xì)節(jié)，并成為過程裝置優(yōu)化和放大定量設(shè)計的有力工具。計算流體力學(xué)的基本特征是數(shù)值模擬和計算機(jī)實驗，它從基本物理定理出發(fā)，在很大程度上替代了耗資巨大的流體動力學(xué)實驗設(shè)備，在科學(xué)研究和工程技術(shù)中產(chǎn)生巨大的影響，是目前國際上一個強(qiáng)有力的研究領(lǐng)域，是進(jìn)行傳熱、傳質(zhì)、動量傳遞及燃燒、多

37、相流和化學(xué)反應(yīng)研究的核心和重要技術(shù)，廣泛應(yīng)用于航天設(shè)計、汽車設(shè)計、生物醫(yī)學(xué)工業(yè)、化工處理工業(yè)、渦輪機(jī)設(shè)計、半導(dǎo)體設(shè)計、HAVC&R 等諸多工程領(lǐng)域，板翅式換熱器設(shè)計是CFD 技術(shù)應(yīng)用的重要領(lǐng)域之一。2.3.1 CFD軟件的發(fā)展CFD 在最近20 年中得到飛速的發(fā)展，除了計算機(jī)硬件工業(yè)的發(fā)展給它提供了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)外，還主要因為無論分析的方法或?qū)嶒灥姆椒ǘ加休^大的限制，例如由于問題的復(fù)雜性,既無法作分析解，也因費用昂貴而無力進(jìn)行實驗確定，而CFD 的方法正具有成本低和能模擬較復(fù)雜或較理想的過程等優(yōu)點。經(jīng)過一定考核的CFD 軟件可以拓寬實驗研究的范圍，減少成本昂貴的實驗工作量。在給定的參數(shù)下用計算

38、機(jī)對現(xiàn)象進(jìn)行一次數(shù)值模擬相當(dāng)于進(jìn)行一次數(shù)值實驗，歷史上也曾有過首先由CFD 數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象而后由實驗予以證實的例子。CFD 軟件一般都能推出多種優(yōu)化的物理模型，如定常和非定常流動、層流、紊流、不可壓縮和可壓縮流動、傳熱、化學(xué)反應(yīng)等等。對每一種物理問題的流動特點，都有適合它的數(shù)值解法，用戶可對顯式或隱式差分格式進(jìn)行選擇，以期在計算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達(dá)到最佳。CFD 軟件之間可以方便地進(jìn)行數(shù)值交換，并采用統(tǒng)一的前、后處理工具，這就省卻了科研工作者在計算機(jī)方法、編程、前后處理等方面投入的重復(fù)、低效的勞動，而可以將主要精力和智慧用于物理問題本身的探索上。CFD 軟件的一般結(jié)構(gòu)由前處理、求解器

39、、后處理三部分組成。前處理、求解器及后處理三大模塊，各有其獨特的作用，分別表示如表2-1：表2-1 CFD軟件三大模塊前處理求解器后處理作用a. 幾何模型b. 劃分網(wǎng)格a. 確定CFD方法的控制方程b. 選擇離散方法進(jìn)行離散c. 選用數(shù)值計算方法d. 輸入相關(guān)參數(shù)速度場、溫度場、壓力場及其它參數(shù)的計算機(jī)可視化及動畫處理2.4 ANSYS軟件介紹ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer，NASTRAN，Alogor，IDEA

40、S，AutoCAD等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中的高級CAE工具之一。2.4.1 ANSYS軟件的計算模塊ANSYS有限元軟件包是一個多用途的有限元法計算機(jī)設(shè)計程序，可以用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。因此它可應(yīng)用于以下工業(yè)領(lǐng)域： 航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機(jī)械、微機(jī)電系統(tǒng)、運動器械等。軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。1）前處理模塊提供了一個強(qiáng)大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；2）分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場

41、的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；3）后處理模塊可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了100種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。該軟件有多種不同版本，可以運行在從個人機(jī)到大型機(jī)的多種計算機(jī)設(shè)備上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。 2.4.2 ANSYS的研究方法ANSYS的研究方法包括有限元法(FEM,即Finite Element Method)，邊界元法(BEM,即Bo

42、undary Element Method)，有限差分法(FDM,即Finite Difference Element Method)等。每一種方法各有其應(yīng)用的領(lǐng)域，而其中有限元法應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣，現(xiàn)已應(yīng)用于結(jié)構(gòu)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)、電路學(xué)、電磁學(xué)等。1）有限元法(FEM，即Finite Element Method)有限元法是一種將連續(xù)體離散化為若干個有限大小的單元體的集合，以求解連續(xù)體力學(xué)問題的數(shù)值方法。是一種高效能、常用的計算方法。有限元法在早期是以變分原理為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，所以它廣泛地應(yīng)用于以拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各類物理場中（這類場與泛函的極值問題有著緊密的聯(lián)

43、系）。自從1969年以來，某些學(xué)者在流體力學(xué)中應(yīng)用加權(quán)余數(shù)法中的迦遼金法(Galerkin)或最小二乘法等同樣獲得了有限元方程，因而有限元法可應(yīng)用于以任何微分方程所描述的各類物理場中，而不再要求這類物理場和泛函的極值問題有所聯(lián)系。2）邊界元法(BEM，即Boundary Element Method)邊界元法是將力學(xué)中的微分方程的定解問題化為邊界積分方程的定解問題，再通過邊界的離散化與待定函數(shù)的分片插值求解的數(shù)值方法，是一種繼有限元法之后發(fā)展起來的一種新數(shù)值方法，與有限元法在連續(xù)體域內(nèi)劃分單元的基本思想不同，邊界元法是只在定義域的邊界上劃分單元,用滿足控制方程的函數(shù)去逼近邊界條件。所以邊界元法

44、與有限元相比，具有單元個數(shù)少、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備簡單等優(yōu)點。但用邊界元法解非線性問題時，遇到同非線性項相對應(yīng)的區(qū)域積分，這種積分在奇異點附近有強(qiáng)烈的奇異性，使求解遇到困難。3）有限差分法(FDM，即Finite Difference Element Method)有限差分法是力學(xué)中將求解微分方程問題轉(zhuǎn)化為求解差分方程的一種數(shù)值解法，是微分方程和積分微分方程數(shù)值解的方法。基本思想是把連續(xù)的定解區(qū)域用有限個離散點構(gòu)成的網(wǎng)格來代替，這些離散點稱作網(wǎng)格的節(jié)點；把連續(xù)定解區(qū)域上的連續(xù)變量的函數(shù)用在網(wǎng)格上定義的離散變量函數(shù)來近似；把原方程和定解條件中的微商用差商來近似，積分用積分和來近似，于是原微分方程和定解條件就

45、近似地代之以代數(shù)方程組，即有限差分方程組，解此方程組就可以得到原問題在離散點上的近似解。然后再利用插值方法便可以從離散解得到定解問題在整個區(qū)域上的近似解。2.4.3 本課題所用軟件1970年，商業(yè)軟件ANSYS宣告誕生，之后不斷的快速發(fā)展，在2001年先后并購了CADOES.A及ICEM CFD Engineering。在2006年2月22日，收購了Fluent流體計算軟件。本課題使用ICEM CFD劃分網(wǎng)格，F(xiàn)luent進(jìn)行流體計算求解。ICEM CFD (The Integrated Computer Engineering and Manufacturing code for Compu

46、tational Fluid Dynamics)是專業(yè)的CAE前處理軟件，為所有世界流行的CAE軟件提供高效可靠的分析模型。它擁有強(qiáng)大的CAD模型修復(fù)能力、自動中面抽取、獨特的網(wǎng)格“雕塑”技術(shù)、網(wǎng)格編輯技術(shù)以及廣泛的求解器支持能力。同時作為ANSYS家族的一款專業(yè)分析環(huán)境，還可以集成于ANSYS Workbench平臺，獲得Workbench的所有優(yōu)勢。Fluent是目前國際上比較流行的商用CFD軟件包，在美國的市場占有率為60%，凡是和流體、熱傳遞和化學(xué)反應(yīng)等有關(guān)的工業(yè)均可使用。它具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法和強(qiáng)大的前后處理功能，在航空航天、汽車設(shè)計、石油天然氣和渦輪機(jī)設(shè)計等方面都有著

47、廣泛的應(yīng)用。該軟件可用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流動。由于采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，因而FLUENT能達(dá)到最佳的收斂速度和求解精度。靈活的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和基于解的自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)及成熟的物理模型，使FLUENT在轉(zhuǎn)換與湍流、傳熱與相變、化學(xué)反應(yīng)與燃燒、多相流、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、動/變形網(wǎng)格、噪聲、材料加工、燃料電池等方面有廣泛應(yīng)用。2.5 湍流模型湍流流動是自然界常見的流動現(xiàn)象，在多數(shù)工程問題中流體的流動往往處于湍流狀態(tài)，所以湍流模型在數(shù)值模擬中應(yīng)用非常廣泛。2.5.1 湍流模型簡介湍流模型，就是以雷諾平均運動方程與脈動運動方程為基礎(chǔ)，依靠理論與經(jīng)驗的結(jié)合，引進(jìn)一系列模型假設(shè)

48、，而建立起的一組描寫湍流平均量的封閉方程組。湍流模式理論或簡稱湍流模型，就是以雷諾平均運動方程與脈動運動方程為基礎(chǔ)，依靠理論與經(jīng)驗的結(jié)合，引進(jìn)一系列模型假設(shè)，而建立起的一組描寫湍流平均量的封閉方程組。湍流運動物理上近乎無窮多尺度漩渦流動和數(shù)學(xué)上的強(qiáng)烈非線性，使得理論實驗和數(shù)值模擬都很難解決湍流問題。雖然N-S方程能夠準(zhǔn)確地描述湍流運動地細(xì)節(jié)，但求解這樣一個復(fù)雜的方程會花費大量的精力和時間。實際上往往采用平均N-S方程來描述工程和物理學(xué)問題中遇到的湍流運動。當(dāng)我們對三維非定常隨機(jī)不規(guī)則的有旋湍流流動的N-S方程平均后，得到相應(yīng)的平均方程，此時平均方程中增加了六個未知的雷諾應(yīng)力項，從而形成了湍流基

49、本方程的不封閉問題。根據(jù)湍流運動規(guī)律以尋找附加條件和關(guān)系式從而使方程封閉就促使了幾年來各種湍流模型的發(fā)展，而且在平均過程中失去了很多流動的細(xì)節(jié)信息，為了找回這些失去的流動信息，也必須引入湍流模型。目前雖然許多湍流模型已經(jīng)取得了某些預(yù)報能力，但至今還沒有得到一個有效的統(tǒng)一的湍流模型。2.5.2 湍流模型分類目前常用的湍流模型可根據(jù)所采用的微分方程數(shù)進(jìn)行分類為：零方程模型、一方程模型、兩方程模型、四方程模型、七方程模型等。對于簡單流動而言，一般隨著方程數(shù)的增多，精度也越高，計算量也越大、收斂性也越差。但是，對于復(fù)雜的湍流運動，則不一定。1） 零方程模型：C-S模型，由Cebeci-Smith給出；

50、B-L模型，由Baldwin-Lomax給出。2） 一方程模型：來源由兩種，一種從經(jīng)驗和量綱分析出發(fā)，針對簡單流動逐步發(fā)展起來，如Spalart-Allmaras(S-A)模型；另一種由二方程模型簡化而來，如Baldwin-Barth(B-B)模型。3）二方程模型：應(yīng)用比較廣泛的兩方程模型有Jones與Launder提出的標(biāo)準(zhǔn)k-e模型，以及k-omega模型。2.5.3 湍流模型選擇的原則湍流模型選取的準(zhǔn)則有：流體是否可壓、建立特殊的可行的問題、精度的要求、計算機(jī)的能力、時間的限制。為了選擇最好的模型，需要了解不同條件的適用范圍和限制。FLUENT軟件中提供以下湍流模型：1）Spalart-

51、Allmaras 模型；2）k-模型；3）k-模型；4）雷諾應(yīng)力模型（RSM）；5）大渦模擬模型（LES）。 1 ）Spalart-Allmaras 模型的應(yīng)用范圍：Spalart-Allmaras模型是設(shè)計用于航空領(lǐng)域的，主要是墻壁束縛（wall-bounded）流動，而且已經(jīng)顯示出很好的效果。在透平機(jī)械中的應(yīng)用也愈加廣泛。在湍流模型中利用Boussinesq逼近，中心問題是怎樣計算漩渦粘度。這個模型被Spalart-Allmaras提出，用來解決因湍流動粘滯率而修改的數(shù)量方程。模型評價：Spalart-Allmaras模型是相對簡單的單方程模型，只需求解湍流粘性的輸運方程，不需要求解當(dāng)?shù)丶?/p>

52、切層厚度的長度尺度；由于沒有考慮長度尺度的變化，這對一些流動尺度變換比較大的流動問題不太適合；比如平板射流問題，從有壁面影響流動突然變化到自由剪切流，流場尺度變化明顯等問題。Spalart-Allmaras模型中的輸運變量在近壁處的梯度要比k-中的小，這使得該模型對網(wǎng)格粗糙帶來數(shù)值誤差不太敏感。Spalart-Allmaras模型不能斷定它適用于所有的復(fù)雜的工程流體。例如不能依靠它去預(yù)測均勻衰退，各向同性湍流。2） k-模型 標(biāo)準(zhǔn)的k-模型：最簡單的完整湍流模型是兩個方程的模型，要解兩個變量，速度和長度尺度。在FLUENT中，標(biāo)準(zhǔn)k-模型自從被Launder and Spalding提出之后，

53、就變成工程流場計算中主要的工具了。適用范圍廣、經(jīng)濟(jì)、合理的精度。它是個半經(jīng)驗的公式，是從實驗現(xiàn)象中總結(jié)出來的。湍動能輸運方程是通過精確的方程推導(dǎo)得到，耗散率方程是通過物理推理，數(shù)學(xué)上模擬相似原型方程得到的。應(yīng)用范圍：該模型假設(shè)流動為完全湍流，分子粘性的影響可以忽略，此標(biāo)準(zhǔn)k-模型只適合完全湍流的流動過程模擬。 RNG k-模型：RNG k-模型來源于嚴(yán)格的統(tǒng)計技術(shù)。它和標(biāo)準(zhǔn)k-模型很相似，但是有以下改進(jìn)：a、 RNG模型在方程中加了一個條件，有效的改善了精度；b、考慮到了湍流漩渦，提高了在這方面的精度；c、RNG理論為湍流Prandtl數(shù)提供了一個解析公式，然而標(biāo)準(zhǔn)k-模型使用的是用戶提供的常

54、數(shù)；d、標(biāo)準(zhǔn)k-模型是一種高雷諾數(shù)的模型，RNG理論提供了一個考慮低雷諾數(shù)流動粘性的解析公式。這些公式的作用取決于正確的對待近壁區(qū)域。這些特點使得RNG k-模型比標(biāo)準(zhǔn)k-模型在更廣泛的流動中有更高的可信度和精度。 可實現(xiàn)的k-模型：可實現(xiàn)的k-模型是近期才出現(xiàn)的，比起標(biāo)準(zhǔn)k-模型來有兩個主要的不同點：可實現(xiàn)的k-模型為湍流粘性增加了一個公式；為耗散率增加了新的傳輸方程，這個方程來源于一個為層流速度波動而作的精確方程。應(yīng)用范圍：可實現(xiàn)的k-模型直接的好處是對于平板和圓柱射流的發(fā)散比率的更精確的預(yù)測。而且它對于旋轉(zhuǎn)流動、強(qiáng)逆壓梯度的邊界層流動、流動分離和二次流有很好的表現(xiàn)。可實現(xiàn)的k-模型和RN

55、G k-模型都顯現(xiàn)出比標(biāo)準(zhǔn)k-模型在強(qiáng)流線彎曲、漩渦和旋轉(zhuǎn)有更好的表現(xiàn)。由于帶旋流修正的k-模型是新出現(xiàn)的模型，所以現(xiàn)在還沒有確鑿的證據(jù)表明它比RNG k-模型有更好的表現(xiàn)。但是最初的研究表明可實現(xiàn)的k-模型在所有k-模型中流動分離和復(fù)雜二次流有很好的作用。該模型適合的流動類型比較廣泛，包括有旋均勻剪切流，自由流（射流和混合層），腔道流動和邊界層流動。對以上流動過程模擬結(jié)果都比標(biāo)準(zhǔn)k-模型的結(jié)果好，特別是可再現(xiàn)k-模型對圓口射流和平板射流模擬中，能給出較好的射流擴(kuò)張。模型評價：可實現(xiàn)的k-模型的一個不足是在主要計算旋轉(zhuǎn)和靜態(tài)流動區(qū)域時不能提供自然的湍流粘度，這是因為可實現(xiàn)的k-模型在定義湍流粘

56、度時考慮了平均旋度的影響。這種額外的旋轉(zhuǎn)影響已經(jīng)在單一旋轉(zhuǎn)參考系中得到證實，而且表現(xiàn)要好于標(biāo)準(zhǔn)k-模型。由于這些修改，把它應(yīng)用于多重參考系統(tǒng)中需要注意。3） k-模型 標(biāo)準(zhǔn)的k-模型：標(biāo)準(zhǔn)的k-模型是基于Wilcox k-模型，它是為考慮低雷諾數(shù)、可壓縮性和剪切流傳播而修改的。標(biāo)準(zhǔn)的k-模型的一個變形就是SST k-模型，它在FLUENT中也是可用的。應(yīng)用范圍：Wilcox k-模型預(yù)測了自由剪切流傳播速率，像尾流、混合流動、平板繞流、圓柱繞流和放射狀噴射，因而可以應(yīng)用于墻壁束縛流動和自由剪切流動。 SST k-模型：SST k-模型由Menter發(fā)展，以便使得在廣泛的領(lǐng)域中可以獨立于k-模型

57、，使得在近壁自由流中k-模型有廣泛的應(yīng)用范圍和精度。為了達(dá)到此目的，k-模型變成了k-公式。SST k-模型和標(biāo)準(zhǔn)的k-模型相似，但有以下改進(jìn)：a、 SST k-模型和k-模型的變形增長于混合功能和雙模型加在一起。混合功能是為近壁區(qū)域設(shè)計的，這個區(qū)域?qū)?biāo)準(zhǔn)的k-模型有效，還有自由表面，這對k-模型的變形有效；b、 SST k-模型合并了來源于方程中的交叉擴(kuò)散；c、 湍流粘度考慮到了湍流剪應(yīng)力的傳播；d、 模型常量不同。這些改進(jìn)使得SST k-模型比標(biāo)準(zhǔn)k-模型在廣泛的流動領(lǐng)域中有更高的精度和可信度。 兩個模型的對比：兩種模型有相似的形式，有方程k和。SST和標(biāo)準(zhǔn)模型的不同之處是：從邊界層內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)k-模型到邊界層外部的高雷諾數(shù)的k-模型的逐漸轉(zhuǎn)變；考慮到湍流剪應(yīng)力的影響修改了湍流粘性公式。 2.6 本課題選用的模型及求解方程本文所使用的計算控制方程與時間無關(guān)，整個模擬過程是等溫過程，且流體視為不可壓縮流體。根據(jù)上文對湍流模型的介紹，同時根據(jù)袋式除塵器中的實際情況，本課題采用的控制方程