研究通风管道弯头段粉尘运移规律数值模拟

研究弯头段粉尘运移规律数值模拟。弯头段颗粒的运动规律对研究整个管道内颗粒的输送和净化有着关键性的作用，运用气固两相流动理论中的欧拉-拉格朗日离散相模型和湍流模型，采用计算流体力学的FLUENT软件，对通风管道圆形弯头段粉尘运移规律进行数值模拟。分析和讨论不同送风速度以及不同粒径下尘粒在弯头内的运动规律，其结果对工程实践能起到一定的指导作用。

随着对节能、温度和湿度舒适要求的提高，建筑物密闭程度不断增大，室内空气质量越来越大地依赖于空调系统送风情况。在空气输送过程中，粉尘极容易在管道里沉积，影响通风效果并产生二次污染。沉积的尘粒，在适宜的温度和湿度下，滋生大量细菌和微生物，随着空调系统的运行随气流进入室内，造成严重的室内空气污染。

目前，已有文献讨论了管道中颗粒物的输运特性，主要集中于理想化的长直管道。但是，根据动力学基本原理，发生在类似于弯头段的管道局部构件处的沉积比在直管道中要大很多。根据通风管道的相关标准规范和工程中常用圆形风管的尺寸，本文对横截面尺寸为200mm的圆形弯头内，不同送风速度下，粒子直径为1到100μm，湍流扩散的情形下，粒子运动轨迹进行模拟追踪。

1、气固两相流数学模型

通风管道内气粒流动过程是典型的湍流气固两相流动。研究两相流问题基本上有两种方法。一是欧拉-欧拉方法，不同的相在计算中被看作是可以互相贯穿和掺混的连续介质。二是欧拉-拉格朗日法，该方法是把流体当作连续介质，流场采用欧拉方程进行计算，而将占据很低的体积系数的颗粒作为离散相处理。此方法可以对大量不同粒径大小的颗粒在流场中的运动进行跟踪，甚至可以模拟出颗粒与墙壁的弹性碰撞，对复杂的几何流场适应性特别强。由于本文模拟对象中颗粒直径较小，浓度较低，颗粒对气体流场的影响不大，本文采用拉格朗日离散模型，在计算中忽略颗粒与颗粒之间的作用以及颗粒对气相流场的影响，而只考虑气相流场对颗粒的作用[4]。

1.1 气相湍流模型

雷诺应力模型是通过对时均形式的Navier-Stokes方程做各种运算，雷诺应力方程模型能够克服湍流粘性系数模型的局限性，是具有广泛应用性的最简单的模型，同时也是目前对复杂实际流动过程模拟较为成功的工程湍流模型，本文采用雷诺应力模型来模拟气相的湍流流动。

1.2 颗粒相的数学模型

FLUENT中通过拉氏坐标下的颗粒作用力微分方程来求解离散相颗粒的运动轨道

2 弯头段粉尘运移数值模拟分析

2.1物理模型及相关设置

根据通风管道的相关标准规范和工程中常用圆形风管的尺寸，选取直径为200mm，弯曲比为2的圆形风管，为保证弯头内气流湍流运动的稳定性，在弯头进出口分别附加一段直管，弯头模型具体尺寸如图1。

气相流场边界条件：固体壁面，采用无速度滑移和无质量渗透条件;入口边界条件由入口处的空气速度及流量具体确定;采用压力出口边界条件。离散相边界条件：采用面射流源，颗粒采用均匀分布，从管道入口喷入，速度与气流速度相同，颗粒密度取2000kg/m3，射流量为0.1kg/s;壁面边界条件采用trap离散相边界条件;出口边界条件取为escape边界条件。

为了得到稳定的非定常流动状态，时间步长(Time Step Size)取特征长度除以特征速度所得的时间小两个数量级的1/10(0.0005s)，时间步数(Number of Time Steps)为3个流动循环周期所需要步数(3000步)。

2.2 弯头内空气流场分析

图2 为空气平均流速为5.3m/s时，弯头内某一截面的压力分布图。从图中可看出，在直管段，压力分布均匀，而在弯头段，由于离心力的作用，其压力分布发生了相应的改变，造成了弯头外侧的压力远远大于内侧压力。

图3为弯头段某一截面的速度矢量图，从图中可明显看出弯头横截面上有环流存在，这种气流方式说明在弯管内侧产生了二次流，这与前人对弯头内气流形式的研究结果相同。

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