計算域對管內受限射流流動特性的影響

王曼寧 周宇 王夢影 王怡

西安建筑科技大學環境與市政工程學院

0 引言

對于受限空間傳統的通風方式具有較低通風效率和能效比，射流通風有良好的氣流組織，其中控制射流邊界，合理地根據受限條件設計送風末端是提高射流通風效益的關鍵。如在鍋爐管內焊接、燒結作業的情況，這類作業中往往存在著固定的高溫散熱源。受限空間結構作為外擾是干涉通風射流的因素，所以在現有受限條件下如何設置合理邊界條件來提高或管道內通風效率是有效改善工作區局部環境、降低能耗的關鍵。

目前大多對管內受限射流流動研究主要應用于射流燃燒領域諸如燃燒室、反應器。管內射流的發展階段通常分為過渡段、基本段、環流段、管流段四個主要過程，其中環流的產生和湍流特性對管內的傳熱、傳質有很大影響[1]，因而一直為人們所重視和研究。趙烈[2]對柱形燃燒室內的軸對稱等溫射流流場進行了數值模擬，發現回流是這類流場的普遍特征。大多燃燒室被設計成突然擴張的外形，為的是產生回流區使熱的燃燒物回流至火焰根部從而起到穩定火焰的作用。

在管內受限焊接通風類問題中入口流速較低且出口為大氣壓，為提高通風能效此時應避免出現管內射流回流區，需設定合理計算域并控制射流邊界實現，故本文在傳統管內受限射流的研究基礎上進行通風數值模擬選取了三種計算域，探究低速、出口為大氣壓下受限射流特性。

1 基本方程及物理模型

對于本文等溫射流作用下的管內受限問題中計算的基本控制方程為N-S方程，根據管內流場特性為定常，湍流模型采用RNG k-ε二方程形式，RNG k-ε湍流模型計算管內首先射流流動問題比標準的 k-ε方程可以更好地處理高應變率和流線彎曲程度較大的流動，即能模擬射流撞擊、旋流以及二次流等復雜的流動問題，且對模擬這類問題具有較好的適用性[3]。

由時均法將瞬態N-S方程要求的變量分解為時均常量和變量。將及平均運算法則為時均速度為波動速度）代入N-S方程得到時均雷諾方程如下：

基本控制方程如下[4]：

連續性方程

動量方程

r分量

z分量

湍流動能方程（k方程）

擴散方程（ε方程）

式中：Sv為源項；ρ為流體密度，kg/m3；P 為靜壓，Pa；μ為湍流粘性系數為湍流能擴散率ε 的普朗特數，取 1.3；η0=4.38；β=0.012；Cμ，C1ε，C2ε為經驗常數分別取 0.09，1.44，1.92。

本文研究的是等溫受限射流的軸對稱流動。考慮射流的旋轉但不計其化學反應，旋轉軸對稱物理模型如圖1，顯示了未擴展、圓筒域、錐筒域三種不同計算域形式。圓筒域、錐筒域采用Fluent中壓力遠場邊界，將計算域邊界擴大為出口邊界的20倍，三種計算域采用相同平行流送風射流入口邊界，為velocity-inlet，風速4m/s，方向沿x軸正向；出口邊界為pressure-outlet；因未考慮人員操作位置和熱源位置及溫度，僅研究受限射流流場規律，故其余面均為絕熱wall；格式simplc壓力速度耦合方式，二階差分，壁面處默認為非滑移邊界條件。用二維模型進行數值模擬計算更為高效，求解器中space選擇axisymmetric swirl，采用axis對稱邊界，二維模型由x坐標軸回轉可產生三維回轉體。

圖1 三種計算域模型及尺寸圖

圖2 不同數量網格下檢測線速度分布

以未擴展計算域的二維物理模型為例進行網格無關性驗證。如圖2選取網格數為20萬、32萬、56萬、82萬、130萬進行網格獨立性分析，分別截取了各網格數量管中心垂直于軸線方向的一組監測點（y=0～0.8 m，x=3.45 m）的速度分布，可看出隨著網格數量的增加，監測點上速度分布基本相同，說明計算結果的變化趨勢已經比較接近，可認為此時網格的增加使得計算結果的變化非常小。從56萬網格開始，流場的速度分布基本相近，說明計算結果的變化趨勢已經比較接近，可認為此時網格數的增加并沒有影響流場分布的不同，故選擇56萬的網格進行模擬。

2 模擬結果及分析

為研究出口為壓力邊界時采用Fluent中的遠場邊界，擴大計算域是否會影響管內流動情況本文采取兩種結構形式擴大出口邊界計算域（圓筒式和錐筒式），可見相同送風邊界時，不論以哪種形式擴大出口壓力邊界計算域，管內射流流場均明顯發生改變，如圖3。管內射流既有自由射流又有進口段流動的某些特點，壁的存在造成壓力梯度，壓力梯度的存在改變了射流擴展的速率、邊界層增長速率以及速度分布的形狀。

圖3 三種計算域速度云圖與流線圖

圖3顯示了3種計算域下管內射流呈現的流動速度特征不一致，未擴展時可見入口速度在4 m/s時，靠近管中心2.3 m處最先產生回流漩渦，是由于射流卷吸周圍流體，周圍流體空間受限被射流卷吸后無來流補充，因此隨之產生倒流而后射流沿管發展環流消失管中心流動大致平順。同樣距射流出口邊界處由于射流結構受限也開始出現環流等大渦團運動。

圓筒式管中心流速增大，基本段勢流范圍為0～1.5 m，較未擴展（0～0.25 m）明顯增大。射流基本段已經形成并向外擴展成環流段（1.5～3.8 m），周圍流體被射流卷吸，外流速度減小，使流動方向的壓力升高，故在受限射流中心上方存在渦旋。這是在射流擴展到管壁之前，所有外流的流體均被卷吸就產生渦旋的區域。射流以外不再作為勢流，是由通過射流本身的再循環的流體所組成近似認為這一區域內壓力不變。之后射流發展至管壁3.8～6.9 m，有相當大的壓力梯度，截面上速度分布沿流動方向不斷變化，直至發展成為充分發展的管流。

由于實際情況是射流在出口處突擴，故將擴展計算域改為錐筒式研究改變計算域的形狀對管內流場的影響。在圓筒式基礎上縮小了計算域，導致基本段勢流范圍也縮小。管中心射流發展的速度區域變短，即射流基本段和環流段均變短，管流段流場不如圓筒式計算域平順。

三種計算域下的中心軸線速度衰減如圖4，可見軸線速度衰減趨勢基本一致。且相同受限結構形式和入口邊界均影響射流基本段、環流及管流段。未擴展計算域時送風射流在送風入口處（x/d=4）射流就很快衰減，u/u0=0.08，會造成管內通風效率低，氣流不能有效攜帶污染物，射流在管內基本失效。擴展計算域后（圓筒式、錐筒式）管內射流受限特征明顯，存在基本段、環流段及管流段，且衰減過程在管內延長，圓筒式計算域送風射流表現更明顯且衰減梯度小，攜塵更有效。圖5選取了整個管段內各典型截面沿流向的速度分布，對比了3種計算域下各截面射流形態，圓筒式從x=0.3 m至x=3.3 m管內截面速度分布發生改變，呈正態分布，也證明了擴展計算域計算的有效性。

圖4 射流中心軸線速度衰減無量綱圖

圖5 管內射流沿流向速度分布無量綱圖

3 結論

本文在平行流送風下選取三種不同計算域進行管內受限射流數值模擬，分析了射流入口基本段、環流段、管流段流動特征及衰減規律。采用遠場邊界證明了擴展計算域影響模擬結果的有效性及管內流速分布和中心軸線速度衰減位置及梯度變化，為設計風口改變射流送風方式優化管內通風奠定基礎。