Численное моделирование эффекта закрутки потока при всасывании воздуха в барабан через решетчатую обечайку

Численное моделирование эффекта закрутки потока при всасывании воздуха  в барабан  через решетчатую обечайку

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭФФЕКТА ЗАКРУТКИ ПОТОКА ПРИ ВСАСЫВАНИИ ВОЗДУХА  В БАРАБАН  ЧЕРЕЗ РЕШЕТЧАТУЮ ОБЕЧАЙКУ

Аннотация. Представлены результаты численного моделирования эффекта закрутки потока при всасывании воздуха в цилиндрический барабан через проницаемую обечайку для двух случаев строения кольцевого завихрителя: дискретной системы направляющих пластин, расположенных по периметру обечайки вихревого барабана; а также – непрерывной пористой структуры с анизотропным законом сопротивления в кольцевом регионе, который обеспечивал нужное направляющее действие.

Расчеты выполнены использованием лицензионных программных кодов STAR CCM+ в рамках модели RANS, замыкаемой с помощью двухпараметрической дифференциальной модели турбулентности k-е.

       Введение. Формирование равномерных осесимметричных закрученных потоков с помощью всасывания воздуха из окружающей среды через кольце­вую обечайку является важным элементом ряда технических устройств. Традиционно, для закрутки потока применяются устройства с сосредоточенным тангенциальным вводом. Задача о распределенном всасывании воздуха через решетчатую обечайку в виде кольцевой системы направляющих лопаток относится к циклу работ по исследованию процессов, протекающих в низкотемпературной распылительной сушке диспергированных веществ согласно запатентованной технологии [1]. Трехмерное турбулентное течение в рабочей камере сушилки рассматривалось в [2], однако закрутка входящего в барабан потока там постулировалась, а задача всасывания через решетчатую обечайку не рассматривалась. Для адекватного описания движения всасываемого воздуха через систему лопаток (рис.1,«1») в рамках турбулентного режима течения требуется высокое сеточное разрешение. Соответствующая вычислительная модель сушилки приобретает масштабы, требующие применения суперкомпьютерной техники. В качестве альтернативы, в настоящей работе предложен и анализируется упрощенный способ моделирования эффекта закрутки с помощью кольцевого пористого региона с анизотропным законом сопротивления, обеспечивающим эквивалентное лопаткам направляющее действие (рис.1,«2»).

Рис. 1. Два типа проницаемой обечайки

Численная модель. Расчетная область состоит из двух основных частей (рис.2):

внешняя область, моделирующая окружающую среду, из которой осуществляется подсос воздуха внутрь рабочего барабана сушилки; область с внутреннего течения, включающая вихревой барабан с отводным патрубком.

Два этих региона разделяет цилиндрическая проницаемая обечайка-завихритель конечной толщины (рис.2,«3»), которая представляет собой либо набор пластинчатых лопаток, направленных под определенным углом к контуру обечайки, или кольцевой анизотропный пористый регион ( рис.1).

Вне зависимости от типа завихрителя принципиальная схема течения в проточной области, решаемые уравнения и вид граничных условий идентичны. Рабочая среда – воздух при нормальных условиях. Используется модель вязкой несжимаемой жидкости в приближении Рейнольдса для турбулентного режима течения. Замыкание уравнений Рейнольдса (RANS) осуществляется с помощью k-e модели турбулентности [3-4].

Схема течения заключается в следующем (рис.2): на границе внешнего региона («1») задается атмосферное давление в избыточной шкале P=0 Па, на выходе из патрубка вихревого барабана («2») задается массовый расход G=0,25 кг/с. Тем самым образуется перепад давления между границей внешнего региона и выходом из патрубка, что обеспечивает всасывание воздуха из внешнего пространства в вихревой барабан через проницаемую обечайку, обеспечивающую закрутку потока.

Моделирование закрутки потока при использовании плоских направляющих лопаток. В 1-ом способе задания закрутки проницаемая обечайка образована дискретным набором из N = 108 наклонно расположенных пластин (рис.1). Полный трехмерный расчет показал, что пластины дают периодический по азимуту профиль скорости на входе в вихревой барабан (с периодом ц=360°/N). В пакете Star-CCM+ допускается задавать специальное граничное условие периодичности, для задач с периодичным относительно оси вращения решением. Это позволило в N раз сократить размеры расчетной области, перейдя от полной модели расчетной области к сектору ц (рис 2, справа).

Рис. 2. Геометрия расчетной области; R=1 м,  r =0,15 м

Моделирование эффекта закрутки потока при использовании анизотропного пористого региона. Пористая обечайка представлялось отдельным кольцевым регионом, в котором вводился тензорный закон сопротивления, допускаемый программным кодом пакета Star-CCM+ [3]:

Поскольку целью моделирования было придание потоку воздуха нужного направления, использовался только тензор инерционного сопротивления, а все компоненты тензора вязкостного сопротивления были приравнены нулю.

Направляющее действие пористого региона достигалось тем, что выделялось одно направление z1, вдоль которого член инерционного тензора задавался много больше, чем в других направлениях:

Это местное направление z1 выбиралось в плоскости R-0-И глобальной цилиндрической системы координат (рис. 3) таким образом, чтобы плоскость, ортогональная к z1 имела тот же угол наклона к обечайке, что и реальная лопатка.

Рис. 3. Сектор анизотропного пористого кольца

Результаты расчетов. На рис. 4-5 представлены поля модуля скорости потока при расчетах по первому и второму способам моделирования проницаемой обечайки. Заметные отличия имеются лишь на небольшом расстоянии от внутренней поверхности обечайки, а в основной области течения, важной для процессов массообмеа при сушке – вихревые поля течения практически идентичны при обоих способах моделирования. Этот же вывод подтверждается и графиками на рис. 6-7.

Таким образом, задание закрутки с помощью анизотропного пористого региона позволяет получить в основном аналогичную картину течения, что и для способа задания закрутки с реальными направляющими пластинами.

Рис. 4 Модуль скорости в плоскости симметрии барабана при использовании пластин

Рис.5 Модуль скорости в плоскости симметрии барабана при использовании пористого кольца

Количественное расхождение наблюдается лишь в периферийной зоне вихревого барабана: с момента входа R=1 м и в пределах до R=0.8 м. Наличие пластин дает периодический профиль скорости на входе в барабан (рис. 6) и нарушает осесимметричность течения, которая для 2-го способа закрутки реализуется всюду в  расчетной области.

Рис.6 Профиль азимутальной скорости на обечайке вихревого барабана для 2-х способов задания закрутки на расстоянии R от оси z

Рис.7 Профиль азимутальной скорости на обечайке вихревого барабана для 2-х способов задания закрутки на расстоянии 0,5R от оси z

В основной части рабочего барабана, начиная с 0,8R и менее, в обоих случаях качественное и количественное согласование двух решений (расхождения не более 3%, рис.7).

Заключение. Моделирование проницаемой обечайки вихревого барабана с помощью введения искусственного пористого региона с анизотропным законом сопротивления позволяет в основном адекватно описывать эффект закрутки потока при всасывании через решетчатую обечайку с дискретным распределением конечных лопаток. Это дает возможность существенно сократить вычислительные затраты и эффективно проводить расчеты по оптимизации режимов закрученного течения в рабочем барабане сушилки с применением осесимметричной постановки задачи.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 12-01-009875).

Список использованных источников:

Патент № 000. Сушильная установка для получения порошков из жидких продуктов и способ сушки жидких продуктов. –М.: Роспатент, 2004. (автор: ) Численное моделирование закрученных течений в камере распылительной сушилки // Труды конференции-конкурса молодых ученых, 13-15 октября 2010 г., под ред. и – М.: Изд-во МГУ, 2011.  С. 163-168. Методология Star-CCM+ v. 7.04, 2012 г. Ferziger, J. H. and Peric, M., Computational Methods for Fluid Dynamics, 2nd ed., Springer-Verlag (2001).