ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭФФЕКТА ЗАКРУТКИ ПОТОКА ПРИ ВСАСЫВАНИИ ОБЕЧАЙКУ

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭФФЕКТА
ЗАКРУТКИ ПОТОКА ПРИ ВСАСЫВАНИИ
ВОЗДУХА В БАРАБАН ЧЕРЕЗ РЕШЕТЧАТУЮ
ОБЕЧАЙКУ
А.С. Кубенин
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-ε.
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 постули-
ровалась, 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):
1. внешняя область, моделирующая окружающую
среду, из которой осуществляется подсос воздуха
внутрь рабочего барабана сушилки;
2. 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 1ом 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 φ=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 пол-
ной модели расчетной области к сектору φ (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]:

S M ,z1  Cvs  U z1  Cis   U  U z1
2

S M , x1  Cvt  U x1  Cit   U  U x1
2

S M , y1  Cvt  U y1  Cit   U  U y1
2
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:
0 
10 0


Ci   0 10
0 
 0 0 10000 


Это местное направление z1 выбиралось в плоскости
R-0-Θ 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 рас-
стоянии 0,5R от оси z
В основной части рабочего барабана, начиная с
0,8R и менее, в обоих случаях качественное и количе-
ственное 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:
1.
2.
3.
4.
Патент № 2267066. Сушильная установка для
получения порошков из жидких продуктов и
способ сушки жидких продуктов. –М.:
Роспатент, 2004. (автор: Степанян А.В.)
Кубенин А.С. Численное
моделирование
закрученных течений в камере распылительной
сушилки // Труды конференции-конкурса
молодых ученых, 13-15 октября 2010 г., под
ред. Г.Г. Черного и В.А. Самсонова – М.: Издво 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., SpringerVerlag (2001).