基于多孔介质模型下微灌网式过滤器CFD湍流模型选择及流场分析

应用Fluent软件可快速准确地进行流场分析,但针对微灌网式过滤器,如何构建流体模型以及如何选择湍流计算方法,值得探讨。基于多孔介质模型,分别采用3种不同湍流模型计算方法对过滤器展开了数值模拟,并以AZUD-M100网式过滤器为样品进行了对比试验。结果表明,不同湍流模型有一定差异,标准k-ε模型、Realizable k-ε模型的模拟值与试验结果偏差在3%以内,具有更高的精度,基于多孔介质模型的标准k-ε模型或Realizable k-ε模型更适合过滤器的数值模拟。研究了微灌网式过滤器内部流动规律,发现压力损失主要发生在滤网2侧;进出水管路与滤筒间的夹角,以及其交界处过流截面的骤变易产生速度、压力、湍动能的变化,造成流动紊乱和能量损失。     

滤网孔径对网式过滤器内部流场的影响

为探究典型滤网孔径(0.180、0.150、0.125 mm)对全自动网式过滤器内部流场在过滤时的影响,采用Fluent软件提供的Realizable k-ε模型和多孔阶跃模型模拟其清水流场,讨论和分析不同滤网孔径下的速度场、压强场及能态场。结果表明,滤网孔径为0.180、0.150、0.125 mm的实测水头损失和数值计算的相对误差分别为4.00%、3.52%、7.32%,可知选择的数学模型具有较高的可靠度;滤网孔径越小,网式过滤器过滤时的内部流场越紊乱,水头损失越大,罐体与出水管交界处的滤网需要承受的压强差越大,故实际运行中容易因该处滤网变形甚至破损而需要更换新的滤网。     

滤网孔径对网式过滤器内部流场的影响

为探究典型滤网孔径（0.180、0.150、0.125 mm）对全自动网式过滤器内部流场在过滤时的影响,采用Fluent软件提供的Realizable k-ε模型和多孔阶跃模型模拟其清水流场,讨论和分析不同滤网孔径下的速度场、压强场及能态场。结果表明,滤网孔径为 0.180、0.150、0.125 mm 的实测水头损失和数值计算的相对误差分别为 4.00%、3.52%、7.32%,可知选择的数学模型具有较高的可靠度;滤网孔径越小,网式过滤器过滤时的内部流场越紊乱,水头损失越大,罐体与出水管交界处的滤网需要承受的压强差越大,故实际运行中容易因该处滤网变形甚至破损而需要更换新的滤网。     

出水管角度对网式过滤器内部流场影响研究

以全自动网式过滤器为研究对象,基于Fluent软件,用多孔阶跃模型模拟滤网,采用Realizable k-ε湍流模型对其内部流场进行了数值模拟。结果显示数值计算与物理试验的进出口压降相对误差为6.77%,说明选择的数学模型具有一定的准确性和可靠度。在此基础上,分析了过滤器内部流场,发现压降发生的部位主要为滤网;出水管内速度、压强分布不均匀,有漩涡区存在。在保持滤网面积不变的情况下,分别模拟了出水管与罐体夹角α为75°、60°、45°、30°时过滤器的流场,结果表明:夹角α对出水管内流场影响较大。随着夹角α的减小,出水管上部流速、压强分布均趋于均匀;出水管左侧漩涡区域逐渐消失,右侧漩涡区域有所增大,但对进、出口压降及其他部位的流场影响较小。出水管与罐体夹角α并不是影响过滤器流场的主要原因,若要对过滤器进行结构优化,需从滤网着手。     

微灌用叠片过滤器全流场数值模拟与优化分析

为准确捕捉微灌用叠片过滤器内部不稳定流场的流动规律,基于多孔介质模型,利用计算流体力学(CFD)技术、雷诺时均法和标准k-ε模型,进行了叠片过滤器清水介质下全流场三维数值模拟,并设置了对比试验。结果表明,基于多孔介质模型的计算流体力学方法对叠片过滤器的数值模拟精度较高,该种方法的数值模拟结果与试验结果较吻合,可以准确地预测过滤器水力性能。过滤器进出口管路与滤筒间的夹角α使过滤器产生压力损失,且α在30°左右时过滤器内部流动状态最好,压力损失最小。因此,该型过滤器进出口管路与滤筒间的最佳角度为30°左右。     

多孔介质壁面条件下微尺度流动的数值模拟

利用多孔介质模拟微通道壁面粗糙元,建立了一种新的微尺度化流场的数值模拟方法.多孔介质模型厚度由微通道壁面相对粗糙度折算,多孔介质的阻力系数由该区域内的流态及阻力计算;配合采用k-ε和k-ω多种形式的湍流模型,对边长为600μm的方形断面微通道流场在雷诺数分别为100和300的情况下进行了数值模拟计算.通过模拟结果与Micro-PIV测量数据的对比分析发现,采用realizablek-ε湍流模型,搭配多孔介质微尺度化模型进行数值计算,能够有效地模拟微尺度流场的流动状况,而标准k-ε湍流模型和RNGk-ε湍流模型的微尺度模拟计算结果虽接近试验测量值,但仍有偏差;标准k-ω湍流模型和SSTk-ω湍流模型的微尺度模拟效果较差.     

微灌用砂石过滤器全流场数值模拟与试验

为了充分了解微灌用砂石过滤器内部流场分布情况,利用同CFD相同数学原理的FloEFD流体仿真软件,采用多孔介质模型将砂石滤床的阻力特性作为三维数值模型的边界条件,对过滤器内部全流场进行数值模拟。结果表明:过滤器内部元件和出水口边界条件对过滤器的速度流场和压力场分布规律影响较大,基于多孔介质模型的计算流体力学方法对砂石过滤器的数值模拟精度较高,数值模拟结果与试验结果较吻合,可以准确地预测过滤器水力性能。     

不同流量下泵前微压网式过滤器内部流场的数值模拟

泵前微压网式过滤器作为一种新型的灌溉过滤装置,具有结构简单、适配性高以及能耗低等优点。为了探究泵前微压网式过滤器内部流场的运行状态,采用了物理模型试验、数值计算及理论分析的方法,从微观角度对清水条件下泵前微压网式过滤器在不同流量(5、8、11、14、17 m³/h)的水力性能和水流运动状态进行分析。结果表明：标准k-ε模型可作为模拟泵前微压网式过滤器清水流场的湍流模型;滤网内部流速分布不均匀,随流量呈现不同形态的“火烛”形态,出水口对过滤器内部影响范围随流量增加而增大;过滤器内部同时出现高压区和负压区,滤网底部为水头损失主要发生位置。研究成果可为泵前过滤设备的浑水数值模拟和结构优化提供理论和技术支撑。     

砂石-筛网组合过滤器结构优化与性能试验

为了充分了解灌溉用砂石过滤器和筛网过滤器组成的二级过滤系统的内部流场情况,利用Pro/Engineer软件进行三维造型,基于计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)技术,应用数值模拟采用RNG k-ε湍流模型结合多孔介质模型对过滤器内部流场进行分析并提出优化方案,在优化的基础上设计新型一体式过滤器并对其进行性能测试。结果表明:RNG k-ε湍流模型模拟结果与试验结果吻合良好,可用于流场分析和结构优化。组合过滤系统按传统分体式布置时,由于连接管道和筛网过滤器外壳等影响,会产生较大水头损失,且筛网过滤器部分由于结构复杂造成环流与漩涡,导致流场不稳,过滤时流速分布不均。针对传统组合过滤系统流场的不足,提出将滤网融入砂石罐体的一体式优化布置方案,改善了布置的复杂度;通过流场分析发现可减小38.5%的水头损失,且由于罐体空间较大对水流扰动较小,所以内部流场稳定;过滤时流速分布更均匀,因此对滤网的利用也更加合理充分,延长了滤网使用寿命。通过两次性能测试对比分析可知,砂石-筛网组合一体式过滤器能有效减小水头损失,并且在含沙水条件下流量减小20%时能多运行20 min左右,表明一体式过滤器水力性能更优且能提高灌溉效率。     

不同出水口位置下全自动鱼雷网式过滤器内部流场的数值模拟

采用多孔介质模型,对全自动鱼雷网式过滤器的清水流场进行了数值模拟,并将计算结果和物理试验结果进行了定量对比,同时对全自动鱼雷网式过滤器不同出水口位置下的流场进行了数值模拟。结果表明,数值模拟计算结果和物理试验结果吻合较好,数值计算结果是可靠和准确的,进而采用多孔介质模型对全自动鱼雷网式过滤器的结构进行优化。通过对比分析速度场和压强场,出水口位置位于X=0.45~0.65m处是最合理的。     

自激脉冲空化喷嘴三维非稳态流动的数值模拟

选择RNG k-ε、Realizable k-ε、标准k-ω和SST k-ω这4种湍流模型,对低压自激脉冲空化射流喷嘴内部流场进行数值模拟研究,验证其对脉冲空化喷嘴内部三维非定常流场模拟的适定性,研究表明RNG k-ε模型的模拟精度高且易收敛,网格无关性验证和时间步长分析说明应尽量减少时间步长.基于三维非稳态空化模型,考虑重力因素,对喷嘴腔室内部流场进行了数值分析,通过压力、速度、水蒸气体积分数和温度的分布云图,分析了1个周期内腔室内部空化初生、能量集中和释放的演变过程,解释了空化射流的产生机理,与试验结果对比,验证了腔室内部流场演变的正确性,考虑重力因素,进行喷嘴内部流场三维模拟更加符合工程实际.     

不同工况下Y型网式过滤器流场数值模拟分析

为探究网式过滤器的水力性能,充分了解网式过滤器内部最初流场、滤芯网面流量分布情况,应用计算流体动力学方法对网式过滤器3种入口流速(0.5、1.5、2.5 m/s)以及3种滤网目数(60、80、100目)对过滤器流场进行数值模拟。通过试验对模拟结果的可靠性进行验证,结果表明：过滤器的水头损失集中在出口侧滤芯上,该部分水头损失占总损失的87%;水流在腔体内可分为出口侧加速区、出口侧减速区、堵头回流区和漩涡区4部分;滤网面流量分布严重不均,高流量区域主要分布在出口侧,入口流速由0.5 m/s增至2.5 m/s过程中,网面最大与最小流量均相差3.3倍,滤网目数为60、80、100目时,网面最大与最小流量相差3.3、3.1、2.3倍,且滤网目数增至100目时,最大与最小流量位置向两侧偏移;堵头处死水区压力大、流速低,泥沙易于沉淀,建议扩大堵头容积以承接更多的泥沙;可以考虑增大腔体体积、改变腔体角度、在入口处设置导流片,从而改善流场分布;建议在滤网上增加环状片体,改善网面流量分布,从而提高过滤器的使用寿命以及过滤效率。     

起伏管道内水流冲击滞留气团的三维动态特性模拟

采用三维CFD方法对起伏管道内水气耦合作用的过程进行建模和模拟,研究气团压缩-膨胀-变形的三维动态特性.在考虑气团压缩性、水体弹性基础上,采用Standard k-ε、RNG k-ε 和Realizable k-ε这3种湍流模型进行模拟研究,并将三维计算结果、现有一维模型计算结果与试验结果进行了对比分析.结果表明:与一维模型相比,所采用的三维CFD模型能够较准确地模拟起伏管道内水流冲击滞留气团瞬变过程中气水形态变化和压力波动;Standard k-ε湍流模型能够较好地模拟压力峰值和波动周期,RNG k-ε 、Realizable k-ε湍流模型次之;整个过程中,水-气两相互相掺混,水-气交界面自由变化,并不垂直于管道中心线,与管道中心线呈一定的夹角存在;三维CFD计算结果可以很好地模拟较短长度气团的动态特性变化.     

离心泵非定常计算中叶轮转动位置对性能影响的数值模拟

利用CFD软件,采用Realizable k-ε湍流模型,分别在3种工况下,对1台比转数为71的导叶-蜗壳组合式离心泵的内部流动进行三维非定常数值模拟,获取了离心泵内部流场结构,计算泵的扬程及效率。根据计算结果,分析了叶轮转动位置对泵外特性和内流场的影响。结果表明：当叶轮转动位置不同时,泵扬程、效率随之发生变化,选取某一特定位置处结果作为最终预测结果会产生较大的随机误差;叶轮转动位置的不同,也会对叶轮、导叶、蜗壳流道内的压力场和速度场产生一定的影响。     

汽车空调风道结构的改进研究

汽车空调的风道结构影响出风口风量的分配、气流的走向,从而影响汽车的除霜性能。基于Realizable K-ε湍流模型,对于汽车的风道结构与内部流场进行数值研究,同时,利用实验验证了数值研究的准确性。首先建立带有风道的整车模型,然后对汽车除霜过程进行了仿真,发现不合理的风道结构影响除霜效率;然后对汽车空调的风道结构进行改进,汽车除霜效率得到极大提高,B区除霜死角的面积由20%降到了5%。     

风送喷雾气流衰减与扩展规律分析与试验

针对果园风送喷雾对气流的特定需求,为了明确喷雾机出口处到果树冠层间的气流分布规律,在环向出风式喷雾机基础上,采用量纲法理论分析喷雾气流的轴向速度衰减规律、射流扩展规律,并在Ansys 15.0 Fluent平台上选用Realizableκ-ε模型仿真了初速度为10、15、20m/s下的衰减与扩展规律。同时,结合试验数据建立了喷雾气流衰减模型uc=0.5 7 8 u0x^-0.5,模型显著性检验F值小于临界值;气流边界扩展模型b=0.154 x,模型的决定系数为0.972 4。该研究可为果园风送喷雾机设计及气流场分析提供参考。     

活塞式调流调压阀流动特性研究

以DN200活塞式调流调压阀为研究对象,基于Fluent软件,采用Realizable k-ε湍流模型,研究了不同开度下阀内三维流动特性。结果表明:节流孔处存在压力梯度突变,节流孔进口至出口压力先降低后逐渐恢复。同时,下游管道近壁区域存在对称的回流区,阀内出现不同强度的涡流。随着开度逐渐增大,下游管道壁面附近旋涡向上游侧移动,阀内旋涡强度逐渐减弱。此外,节流孔下游形成对冲射流,套筒中心位置出现"低速空穴区"。随着开度逐渐增大,节流孔内最大流速逐渐增大,射流向下游延伸范围逐渐扩大。节流孔壁面附近存在不对称分布的高涡量区域,附壁剪切旋涡形成区域是空化产生的潜在位置。调流调压阀具有线性度较好的流量特性,在小开度下消能降压效果明显。     

消防水炮主体弯管的绕转结构出口流态分析

采用标准k-ε湍流模型对180 mm管内径的3种绕转结构(传统回转、半回转、大回转)内部流动进行了数值模拟,对比和分析了水力损失和出口流态,其中出口流态参数包括平均湍动能、速度分布曲线和迪恩涡.结果表明:随着弯管曲率R/d的增大,3种形式的水炮主体的水力损失均减小,相同的R/d=1.4情况下传统回转结构具有最小的水力损失,半回转结构水力损失最大;绕转结构的出口速度分布曲线显示,管轴线附近速度低而速度峰值出现在靠近管壁附近,表明出口处流体带有旋转的特点;在R/d=1.4情况下,大回转结构形式的出口具有最小的平均湍动能值,出口流线具有一个顺时针方向的基本涡,与传统回转结构出口涡形态一致,涡量积分后得到的旋涡强度小于传统回转结构.大回转的绕转结构形式有利于后续水炮炮管和喷嘴内部流动.     

5XZ-10比重式种子分选机中离心风机流场的研究

利用空气动力学原理进行种子分选,空气流场的分布至关重要。针对农业机械装置中气流均匀性问题,本文主要以5XZ-10比重式分选机中离心风机为原型,利用Solidworks软件建立离心风机几何模型,运用Fluent软件对离心风机内部流场及出口流场进行数值模拟计算。通过仿真试验得到离心风机流场分布,对风机出口速度分布云图及矢量图结果进行分析,发现风机内部流场受到机械结构的干扰,气流在风机出口界面分布较不均匀,提出了离心风机流场优化的措施,包括双叶轮双入口单出口离心风机入口增设集流器、对固定盘与叶轮的连接进行密封、风机出口采用钢板网对出口气流进行均匀性改善。在距离风机出口上方130mm处安装钢板网,增设钢板网后风机出口气流均匀性指数由0.88提升至0.90,提升率为2.27%,解决了风机提供的气流流经5XZ-10比重式分选机筛面时的均匀性问题。