刘 丽 朱玉全 王洪远 黄 杰 烟台南山学院

单颗粒旋转对气体湍流变动影响分析

刘 丽 朱玉全 王洪远 黄 杰 烟台南山学院

基于 Realize k-湍流模型对圆球绕流进行数值模拟分析。改变颗粒雷诺数和旋转速度系数，获得单颗粒旋转作用所引起的气体湍流变动规律：颗粒旋转速度系数越大，颗粒对尾迹区的湍流削弱作用越大，尾迹涡流区湍动能越小，气体湍流变动相应越小；单颗粒旋转湍流变动与颗粒雷诺数、颗粒旋转速度系数呈二次多项式。

圆球绕流；颗粒旋转；湍流变动

引言

颗粒对气相湍流变动影响一直是多相流[1]研究领域的国际热点问题之一，目前已经提出一些经验或者半经验的湍流变动模型[2]，但这些模型精度有待进一步提高，最关键的问题是对颗粒增强湍流的规律认识不够深入，其中并没有考虑颗粒旋转效应的影响，颗粒旋转作用[3-5]对湍流变动的影响是不可忽略的。

对绕过圆球的气体湍流流动进行数值模拟，研究单颗粒旋转作用对气体湍流变动的影响规律，为构建考虑颗粒旋转效应的颗粒尾涡增强气体湍流模型提供重要依据。

1.计算模型

1.1 几何模型的建立

单颗粒旋转计算几何模型如图1所示。颗粒的旋转角速度为ω（逆时针为正，顺时针为负），为了计算方便引入一无量纲量颗粒旋转速度系数α，定义为颗粒的旋转切向速度ωD/2与来流速度ν之间的比值，即α=ωD/2ν。

1.2 湍流模型选择

Realize k-ε湍流模型最大优点是能够比较精确地预测二维和圆形射流的扩散率。该模型在旋流、较强逆压梯度边界层流动、分离流动以及回流等流动中具有较好的性能。因此，本文选择Realize k-ε湍流模型。

1.3 边界条件

通过对圆球绕流来模拟计算颗粒旋转运动对湍流变动的影响。入口采用速度入口边界，其大小根据雷诺数Re=ρνd/μ计算得到，选用空气为介质， ρ=1.225kg/ m3， μ=1.789×10-5kg/m·s，圆球直径为d=1mm。出口边界采用自由出流边界。圆球壁面采用无滑移边界，圆球的旋转通过其壁面旋转运动来实现，逆时针旋转为正旋，反则，顺时针旋转为反旋。

2.计算结果与分析

研究单个颗粒旋转运动对湍流变动的影响规律，进行单个颗粒的旋转运动分析，对比无旋条件下湍流变动情况，获得单个颗粒旋转湍流变动规律。

2.1 单颗粒旋转湍流变动分析

图2为Reρ=600时气体湍流变动随颗粒旋转速度系数的变化曲线。从图中可以看出，对于颗粒旋转速度系数为0时，也就是颗粒无旋，颗粒引起的湍流变动值为正，颗粒尾迹区处于湍流增强状态。当颗粒旋转时，颗粒所引起的尾迹区气体湍流变动还是大于0，颗粒旋转作用并没有改变颗粒尾迹区所处的湍流增强状态，只是相比较无旋情况，颗粒旋转作用所引起的气体湍流变动值有所减小，颗粒旋转作用削弱颗粒尾迹区的湍动能。随着颗粒旋转速度系数的增大，颗粒旋转作用加剧，颗粒引起的气体湍流变动逐渐减小。

表2为Reρ=600时，颗粒旋转作用下气体湍流变动相对变化值。从表中可以看出，随着颗粒旋转速度系数的增大，气体湍流变动相对值逐渐增大，最大为27.64%，说明颗粒旋转作用对颗粒尾迹区的气体湍流变动影响比较大。

在实际情况中，气体的湍流变动与颗粒雷诺数和颗粒旋转作用都有关系。所以，需要研究这两个因素共同作用下气体湍流变动的规律。

图3为不同颗粒雷诺数条件下，气体湍流变动随颗粒旋转速度系数的变化曲线图。从图中可以看出：对于给定的颗粒雷诺数，气体湍流变动随着颗粒旋转速度系数的增大而有减小，颗粒旋转作用对颗粒尾迹区的湍流主要起削弱作用；颗粒雷诺数越大，气体湍流变动减小量越大，这说明颗粒雷诺数越大，颗粒旋转作用越容易削弱湍流；对于给定的颗粒旋转速度系数，无论是无旋还是正旋，气体湍流变动随着颗粒雷诺数的增大而增大。

综合考虑颗粒雷诺数与颗粒旋转速度系数这两个因素对气体湍流变动的影响，提出气体湍流变动与颗粒雷诺数和颗旋转速度系数的关系式为：

通过数据拟合可以得到（1）中的各项系数分别为：C1=9.11×10-8；C2=14.89577；C3=-0.0 3 3 3 1； C4=0.0 0 6 8 0 3；C5=14.84371；C6=-2.33897。

3.结论

基于圆球绕流，研究单颗粒旋转作用对气体湍流变动的影响规律。单个颗粒湍流变动的影响分析结果表明：

图1 单颗粒旋转计算几何模型

图2 湍流变动随颗粒旋转速度系数的变化曲线

表2 颗粒旋转作用下气体湍流变动相对变化值

图3 不同颗粒雷诺数，气体湍流变动随颗粒旋转速度系数的变化曲线

（1）颗粒旋转作用对尾迹区的气体湍流起到削弱作用，颗粒旋转速度系数越大，颗粒对尾迹区的湍流削弱作用越大，尾迹涡流区湍动能越小，气体湍流变动相应越小；

（2）单颗粒旋湍流变动满足关系：

这些规律为后期多颗粒旋转湍流变动分析以及颗粒旋转作用湍流增强模型的建立提供重要理论基础。

[1]胡晓，郜冶，彭辉等.湍流模型对空泡形态影响的数值研究[J].计算力学学报，2015，(1)：129-135.

[2]Boulet P，Moissette S. Influence of the particle-turbulence modulation modelling in the simulation of a non-isothermal gas–solid flow[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2002，45：4201-4216.

[3]刘丛林，郜冶，贺征等.相对流速对非球形铝滴旋转受力的影响[J].固体火箭技术，2015，(2)：214-219.

[4]王勤辉，解桂林，杨秋辉等.鼓泡流化床内颗粒旋转速度的实验研究[J].中国粉体技术，2014，20(4)：8-12.

[5]李斌，宋小龙.流化床内颗粒旋转特性的数值模拟[J].动力工程学报，2014，34(3)：189-195.

[6]S.A.Morsi，A. J. Alexander. An investigation of particle trajectories in two-phase systems [J].J.Fluid Mech.，1972（55）：193-208.