污泥熱風射流干化風流場特性研究

【摘 要】介紹了研究太陽能污泥干化室風流場的重要性，提出基于Fluent軟件的RANS法的RNG k-epsilon湍流模型，建立單個風機和群機的局部對稱模型模擬干化室近地面流場速度特征，結合物模試驗和原型觀測對模型的計算結果進行了對比驗證，最后提出了比較合理的風機布置方案。

【關鍵詞】風機；湍流模型；風流場；污泥干化

0.前言

污泥熱風射流干化作為一種新型的污泥干化技術，結合了傳統的污泥干化手段，利用太陽輻射熱能和射流技術對污泥進行批量干化處理，在提高干化效率的同時減少了能耗。由于太陽能利用的限制性，干化室內部風流場的控制研究就顯得尤為重要。目前關于氣流組織形態研究的主要方法是基于CFD軟件的數值模擬，它具有成本低，精度高，適用范圍廣等優點，傳統的理論分析和模型試驗因為自身的局限性逐漸成為輔助驗證的手段。因此，本文結合流體力學等相關理論知識基于Fluent軟件對太陽能干化室內部風流場進行了數值模擬，并進行了相關模型試驗和原型觀測作為對比驗證。

1.風流場特性研究方法

太陽能干化室內，風機架設在空間中上部垂直向污泥表面送風，送風口斷面為的正方形，氣體出流認為是具有一定速度的均勻射流。由于送風口距離干化室地面的流程較短，而射流流速較大，所以氣體射流的擴散主要受到垂直速度方向的地面邊界影響，認為屬于非貼附型高雷諾數受限對稱紊動射流。風機頻率恒定時射流充分發展后的干化室內部空間氣流是處于穩定態的湍流。

太陽能干化室內風機布置方式的不同將顯著影響風流場的特性，在干化室尺寸確定的情況下，改變風機的高度、頻率、出風口面積以及排列方式均會對風流場的組織形態產生影響，而實際應用中近污泥面的表面流速狀態是具有研究價值的。

1.1建立湍流模型

目前湍流的數值模擬方法主要有三種：直接數值模擬（DNS），雷平均NS方程（RANS）和大渦模擬（LES）。綜合考慮下選用RANS法的RNG k-epsilon三維湍流模型，該模型由標準k-epsilon模型變化而來，具有更廣的適用性和可靠度。在不顯著影響計算結果的前提下作如下接近實際情況的假設：

（1）干化室內部為不可壓縮氣體并符合Boussinessq假設，內部氣密性良好。

（2）充分發展后的空間內風流場為穩定態湍流，氣體各向同性。

（3）氣體流速較低，風流場具有高雷諾數。

（4）不考慮能量耗散。

風流場的湍流模型包括單機和群機的局部對稱模型，模型尺寸均按照實際尺寸建立。

1.2物模及原型觀測

計算得到單臺風機的垂直輻射面積約33平方米，按1：1比例建立6×6×4m單風機局部物理模型，采用LVFSC-11光電式風速傳感器的風杯風速儀沿風機中心水平發散方向布置測點，變換頻率、高度進行近地面風速特征值測定。原型觀測為干化室現場的近地面風速特征值測定。

2.數值模擬結果及分析

本文將單風機物理模型測得的近地面風速數據與數值模擬相同工況下計算得到的風速數據進行比較，如下圖所示：

圖 1 出風口速度5m/s時近地面風速值

可以看出，模型試驗數據與數值模擬計算的結果是比較一致的，在水平距離風機中心約1.0m處風速達到峰值，符合的比較好，因此認為數值計算的結果是具有可信度的。

改變影響風流場的各類條件進行單機湍流模型的數值計算，結果表明：

（1）風機頻率越高，即轉速越大，風機的風速相應也越大，此時近地面風速的峰值呈線性遞增，峰值位置不變。

（2）風機高度的變化對近地面風速的大小和分布形態基本無影響，根據自由射流相關理論解釋為出風口距離地面較近，風速較大時，射流發展位于起始段，該段過程中卷吸周圍空氣導致速度衰減的變化量很小，因此射流沖擊地面輻散后的表面流速無顯著變化。

（3）風機出風口面積對于近地面風速影響較大，且出風口面積相對于干化室有效斷面面積較小時，速度峰值會顯著減小，而超過某個比例后則基本不增加，因此在保證近地面風速較大的情況下，出風口面積盡量減小是比較合理的選擇。另外，出風口面積的增大會導致峰值位置遠離風機中心。

與單機模型類似，將原型觀測數據與群機湍流數值模擬的計算結果進行比較，結果吻合的較好。群機湍流模型主要研究風機的不同布置方式對近地面風速的影響。理想條件下單個風機對于近地面的風流場輻射范圍必定是以射流方向為軸旋轉對稱，呈圓形斷面向外發散，所以可以認為干化室內風機的有效影響面為直徑相同的圓，有效面積指的是不小于某一近地面風速最小值的最大圓面積，這樣才能夠使得污泥干化充分。另一方面，相鄰風機的有效圓接觸的部分風速必然受影響并減小，所以最合理最高效的風機布置方式應該是正三角形排布，這樣既能保證有效圓覆蓋的污泥面積最大，并且風流場之間的相互抵消作用最小，減少能耗并提高干化污泥的產量。

利用群機湍流模型模擬了不同正三角形邊長情況下近地面的風速分布情況，研究表明在風機頻率、高度和出風口面積一定時，正三角形邊長為6m左右時布置風機得到的近地面風流場是比較好的。近地面速度等值線圖如下：

圖 2 風機中心距6m時近地面風速等值線圖

圖2中給出了一張風機風速5m/s時具有代表性近地面風速等值線圖，中心淺色的圓圈是風機中心的垂直投影，輻射半徑不到0.5m，此處風速受壁面影響很大，風速在1.0m/s左右波動。向外發展的環形區域風速較大，影響半徑范圍在0.5-2.9m左右，速度域在2-3.2m/s，該環形區域對于污泥干化的加速效果是十分明顯的。同時相鄰風機間的風流場抵消影響也降到了令人滿意的程度。所以這種形式的風機布置方式得到了理論和數值驗證的有力支持，對提高干化效率有很大幫助。

4.結語

本文對污泥太陽能干化室的風流場特性研究主要體現在近地面風流場的影響控制，利用Fluent計算軟件建立湍流模型解算不同工況，并結合物模試驗和原型觀測數據加以驗證，期望找到風機的最優設置及群機最優布置方式用于提高污泥的整體干化效率，并提出了較為可靠的布置方案。而對于干化室大空間內湍流發展情況的進一步研究也是十分必要的，在考慮能量耗散的情況下，空間溫度場和濕度場的分布對于污泥干化的影響也十分顯著，此時空間內風流場的特性研究會比那得更為復雜，需要我們進行更為深入的探究。 [科]

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