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1、进风位置对袋式除尘器气流分布影响的数值研究安全工程 089044056 指导教师： 教授摘 要随着重工业不断迅猛的发展，全球环境污染问题日益严重。一些国家和地区为了治理这一环境问题，将颗粒物国家排放标准提高到50mg/m3，甚至到30mg/m3以下。袋式除尘器因其高效节能的优点，被广泛应用于空气净化。本文借助CFD（Computational Fluid Dynamics)系列中的Fluent软件对同侧下进风、同侧中进风、同侧上进风和异侧下进风袋式除尘器内的速度场和压力场进行数值模拟。通过对这四种不同进风位置下的袋式除尘器数值模拟结果的对比和分析，选择一种最佳的进风位置。研究结果表明：与其它进
2、风位置相比，同侧下进风袋式除尘器的速度场和压力场分布较均匀，通过每个布袋的流量分配基本均匀，并且，其压力损失最小。所以在这四种进风位置中，同侧下进风是最佳的进风位置。上述研究结果可以为袋式除尘器的设计和改造提供参考。关键词：袋式除尘器 数值模拟 进风位置 气流分布 ABSTRACTWith the rapid development of heavy industry, the global environment has been seriously polluted. To solve this problem, the national standards for particle em
3、ission in some countries and regions are increased to 50mg/m3, even below 20mg/m3. The bag filter has been widely used for air purification, due to its high efficiency and energy saving. The velocity and pressure fields with different inlet positions (down inlet, middle inlet and up inlet at the sam
4、e side, down inlet at another side) were simulated by the Computational Fluid Dynamics (CFD) software-Fluent in the paper. The best inlet position can be chosen through the comparison and analysis of these four numerical simulation results. The research results show that the bag filter with down inl
5、et at the same side, compared with the other positions, has the more homogeneous velocity and pressure fields and the distribution of flow in all bags is even. Meanwhile, it has the least pressure drop. Therefore, the down inlet at the same side is the best position during the four positions.The res
6、ults can provide references for designing and reforming the bag filter.Keywords: Bag filter; Numerical simulation; Inlet position; Airflow distribution1 绪论1.1 前言21世纪以来，中国的重工业不断迅猛的发展。随着科学技术水平的发展和人民生活水平的提高，环境污染也在增加，特别是在发展中国家。环境污染问题越来越成为世界各个国家的共同课题之一。袋式除尘器是治理大气污染的高效除尘设备，是一种用于分离细小粉尘的高效分离设备，对减少气溶胶对大气的污染起
7、重要作用。袋式除尘器是利用有机纤维和无机纤维编织物制作的袋式过滤元件将含尘气体中固体颗粒物过滤而出,它用于捕集非黏结性、非纤维性的工业粉尘, 具有除尘效率高、运行稳定可靠、结构简单及可处理高浓度的含烟尘气等优点。袋式除尘器的粉尘排放浓度可达到10 mg/m3以下。在化工、冶金、矿山、机械、水泥、粮食、制药、轻工等行业已得到广泛应用。十八世纪以前人类主要通过实践经验和试验来认识世界，十八世纪牛顿等科学家发明了微积分与力学，从而人们使用理论研究探索自然，即采用力学与微积分方法把大自然的各种规律归结为一组常微分方程或者偏微分方程。十八世纪至二十世纪，大量的力学家，物理学家和数学家，以毕生的精力投入到
8、这些微分方程的研究及其求解方法。遗憾的是只有对这些微分方程进行了大量的简化，即在极其理想的条件下，才能得到部分微分方程的解。这种理论研究方法只能获得自然界某些规律的定性认识，因此还不能准确认识这些规律。二十世纪四十年代由于电子计算机的发明和差分方法的提出，以及随后的有限元方法和有限体积法，为数值求解微分方程，准确认识自然规律创造了客观条件。从而产生了数值试验与数值模拟。这种方法更优越更没有局限性。但是由于当时计算机能力的限制，人们对自然规律的认识主要还是依靠实践经验和物理实验，数值模拟还只能起到参考与辅助的作用。随着计算机的迅猛发展以及计算数学与应用数学的长足进步，尤其是以并行计算机和并行计算
9、为基础的高性能计算在二十世纪八十年代的兴起使得计算能力大幅度提高，从而能够精确求解各种复杂的微分方程问题，数值模拟正逐渐成为人类认识自然规律的主要手段，物理实验逐渐变成辅助手段。本文所采用的就是计算流体动力学数值模拟软件，即CFD软件(Computational Fluid Dynamics），简称CFD。CFD是近代流体力学，数值数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强大生命力的边缘科学。它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。随着科学技术的不断进步，CFD软件的种类越来越多，目前比较好的CFD软件有：CFX
10、、Fluent、Phoenics、Star-CD，等等。本文所采用的数值模拟软件是集合了CFX和Fluent的新型软件，即ANSYS有限元分析软件，ANSYS是融结构、热、流体、电磁、声学等多物理场于一体的大型通用有限元分析软件，功能强大，操作简单。用来模拟袋式除尘器内部流场分布，来分析气流分布的均匀性。1.2 研究方法40年代伴随着计算机技术和数值计算技术的发展，计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics)迅速发展起来，它涉及流体力学、计算方法以及计算机图形学等多种学科。简单的说，就是在计算机上虚拟地做实验，依据流体流动和传热的数学物理模型，将计算区域划分成小的
11、控制体，把控制空气流动和传热的微分方程组离散为非连续的代数方程组，结合实际的边界条件在计算机上数值求解离散所得的代数方程组。只要划分的控制体足够小，就可以认为离散区域上的离散值代表整个范围内流体分布情况。应用此方法可以研究不同物理条件和不同模型配置下的流体状况，且耗时较少，可极大的降低研究成本。1933年，英国人Thom首次用手摇计算机数值求解了二维粘性流体偏微分方程，标志着CFD的诞生。1974年，丹麦的Nielsen首次将CFD技术用于暖通空调工程领域，对通风房间内的空气流动进行模拟。当时所采用的数学模型较为简单，主要是二维层流等温稳态Navier-Stokes方程，我国也于上个世纪七十年
12、代末开始从事此方向研究。八十年代的工作完成了从二维到三维，层流到湍流，从稳态到动态，从室内气流到室外建筑绕流的研究。九十年代，随着计算机技术的飞速发展，CFD技术也获得了长足的进步，主要包括两个方面，一方面是计算方法本身更加完善，如丰富了模型方程，包括标准k-模型、修正k-模型、低雷诺数模型、代数应力方程模型、大涡旋模型等;算法研究也取得一些成果，完成了并行算法、区域分解算法、多重网格算法、SIMPLE算法等的研究。另一方面，应用也日趋成熟，如解析的对象更全面、更细化，从气流分布到热舒适、空气品质，涉及换气、热辐射、IAQ (Indoor Air Quality)、自然对流、强制对流、大气扩散
13、、风环境等各个方面。应用软件更加多样化，包括FLUENT、AIRPAK、PHOENICS、 STAR-CD、CFX等。在许多发达国家 CFD技术已经进入实用阶段，在我国也取得了一些实际工程应用的宝贵经验。CFD软件分析的理论基础是有限元分析（FEA，Finite Element Analysis），利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推
14、导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。1.3 研究现状及评价从1988年，Fluent公司成立以后，越来越多的学者使用Fluent软件来模拟袋式除尘器中气流流场的分布。起初是使用Fluent软件对袋式除尘器中流场分布进行数值模拟分析，给出不同位置上的布袋不同高度上的气流速度图，将模拟结果与实际工程运行情况进行对比，分析其可靠性1-4。之后诸多学者进行了广泛的模拟分析研究，沈强2等人的研究结果表
15、明：Fluent软件可以很好的应用于除尘器的流场模拟。付海明4等人通过CFD软件对袋式除尘器进行数值模拟，研究结果表明：对袋式除尘器流场进行CFD模拟计算，将流场速度分布模拟计算结果与实验测试结构对比，试验测试值与模拟值相对误差小于17.5%。基于CFD模拟计算结果的高可靠性，计算流体力学软件得到了广泛的应用。通过袋式除尘器的大量使用，人们发现降低气流流通阻力及延长滤袋的使用寿命，减少振动和噪音，是袋式除尘器现今急需要解决的问题。袋室是袋式除尘器的执行部分，袋室内的气流分布是决定除尘器工作性能和使用寿命的关键因素。气流不均易造成袋室内某个位置的布袋或布袋的某个位置破损，而其他位置的布袋在除尘过
16、程中所起的作用较小。袋式除尘器破损滤袋大部分集中在除尘器下游，这与箱体内部气流状况密切相关。所以合理调整气流分布可以降低运行阻力，延长滤袋的使用寿命，减少振动和噪音。但是袋式除尘器内气流分布比较复杂，不容易进行试验测试，对袋式除尘器气流均匀性的研究极其困难。袋式除尘器有着较为复杂的结构，其内部的多相流场也十分复杂，尤其是湍流更为复杂。由于传统的试验方法受多种条件限制，而数值模拟在这方面有着很大优势，因而研究主要是使用计算流体动力学软件对袋式除尘器内部湍流流场进行数值模拟分析。1.3.1 研究动态近年来, 许多学者对袋式除尘器气流分布进行了模拟研究4-13，其中：付海明等人对袋式除尘器进行模型建
17、立，并确定数值计算方法和评价流场分布的基本参数后，对该袋式除尘器进行数值模拟，得到整个袋式除尘器的流场速度分布图。而后，又将整个布袋除尘器中设定十个截面，在这十个截面上进行测点的布置，来进行实验测定布袋上的过滤风速，得到测定位置的气流速度分布图，将实验得到的结果与模拟结果进行对比4。张广朋等人根据同样的原理，采用数值模拟方法对袋式除尘器的内部流场进行了研究，发现原设计方案存在气流分布不均匀、设备阻力过大、粉尘沉降困难等问题，提出了增加进风口和在进气通道内添加导流板的改进措施5。赵汝海等人同样对袋式除尘器中的湍流流场进行数值模拟分析，发现袋式除尘器内部有着复杂的湍流流场，形成的漩涡回流易造成尾部
18、滤袋磨损和破坏。通过模拟气相流动，分析了袋式除尘器内部各处速度流场、气体流场轨迹的情况，模拟结果较为真实地反映了实际情况，可为下一步气流道优化提供了理论依据6。李少华等人采用Fluent软件对袋式除尘器内部的流场分布进行数值模拟，分析流场分布的均匀性。结果发现，除尘器内的气流分布不均匀是导致滤袋容易破损的主要原因，在除尘器内加导流板可以改善除尘器内气流分布的均匀性，减少滤袋的磨损7。李萌萌等人是对袋式除尘器中的单元气流组织进行数值模拟分析，通过模拟分析得到了沿滤袋高度方向过滤风速的分布，以及袋间隙气流抬升速度在不同高度上的分布特征。结果同样表明过滤风速和气流抬升速度依然分布不均匀，并且得到了气
19、流速度的分布图8。李勇等人通过Fluent软件模拟，得到了袋式除尘器中的内部流场的静压、气流的速度分布和通过滤袋的气流的质量流量，通过观察和分析模拟得到的气流速度分布图和各滤袋的气流质量流量分布图，预测滤袋的破损情况，进而验证了工况下滤袋破损的现象9。高广德等人对脉冲袋式除尘器内部流场进行模拟分析，同样验证了除尘器内部流场的极度不均匀性。并且提出，灰斗中存在明显的射流和回流现象。进而提出了解决措施和改进方案，即在除尘器入口增设导流板或分布板10。桑亮等人在除尘器内部没有挂装滤袋况下，对布袋除尘器内部未布置导流板和加有导流板的内部流场分布进行测试，发现安装导流板的气流均布性与没有气流均布装置时相
20、比有很大提高，但其忽略了内部滤袋的影响，试验测试结果不能完全反映袋式除尘器内部流场的实际分布11。侯文龙等人针对内滤式袋式除尘器的运行情况, 分析了气流分布不均的原因, 并提出了改进进气口和在下箱体中添加导流板的措施。采用CFD 软件计算得到改进前、后除尘器内的流场、流线分布和粒子轨迹等。改进后气流分布、各部分的烟气处理量、粒子分布都更均匀, 气流速度变化减小, 使除尘器各部分都能起到良好的收尘作用, 也可以有效地减少滤袋的磨损, 提高除尘效率和运行稳定性12。胡满银等人对外滤式袋式除尘器滤袋内的流场进行了数值模拟，分析了滤袋出口压力、过滤风速、滤袋尺寸以及入口气流均匀性对滤袋内流场的影响，通
21、过分析模拟得到的速度分布图，提出了使滤袋内流场均匀的合适滤袋尺寸和运行条件，是气流分布更加均匀13。许多学者也对进风位置不同的除尘器进行了数值模拟分析：高晖等人研究了下进风式的袋式除尘器内部气固两相流动，并进行数值模拟，得到了流体运动的轨迹图和压力等值线图，通过分析发现，下进风式的袋式除尘器在下箱体中部形成了一个很强的漩涡回流区，使袋式内部流动在总体上形成了回流特征，并且箱体内的压力分布极不均匀14。时红梅等人采用CFD软件，对下进风袋式除尘器进行模拟分析，分别选取了过滤速度和渗透率的4种工况对下进风袋式除尘器的流场进行了数值模拟计算, 研究其对气流稳定性的影响。结果表明: 随着过滤风速的增大
22、, 下进风除尘器内气流分布的不均匀现象反而变得更严重; 随着渗透率的增加, 气流速度变化就越剧烈, 气流的分配也就越不均匀15。高广德等人分别对下进气方式下的直管式和四棱台式两种不同进口结构的袋式除尘器内部流场进行模拟，根据数值模拟的结果，对其进行各自内部流场均匀性的分析研究，在此基础上对两种不同进口结构的袋式除尘器内部流场的性质进行比较16。许可等人利用FLUENT 软件分别对下进式以及中进式这两种不同进风方式的除尘器内部流场进行模拟，根据数值模拟的结果分别对这两种除尘器各自内部流场的特性进行了分析，并在此基础上对这两种除尘器进行比较，找出两者的优劣17。黄莺等人对广泛使用的5种袋式除尘器进
23、风结构型式进行了介绍分析，并分别对其结构建立了简化物理模型，分析了每种结构型式对箱体内气流分布的影响，通过模拟分析的结果发现中箱体进风使气流分布更为均匀，下箱体进风易在箱体下部形成大型剧烈涡流，增加气流分布板有助于减轻高速气流和涡流造成的二次扬尘影响18。1.3.2 现状评价以上有的学者只是根据下进风式除尘器内部的流场分布进行模拟分析，考虑了除尘器内部的静压，入口气流的均匀性、过滤风速、风速沿高度的分布、出口的压力和灰斗中的射流和回流等对气流分布的影响，从而提出了增加导流板或分布板等改进措施。有的学者对于不同进风结构型式的袋式除尘器内部气流分布进行模拟分析，对不同进风结构下的气流分布进行比较。
24、但是上述研究均没有考虑除尘器进风位置的不同对于气流分布的影响。由于进口位置可以有很多种，并且进口位置的不同会对流场分布有极大的影响，影响入口气流的均匀性和气流在除尘器中的流线，是否会产生回流和涡流等等。有极少数的学者对两种不同进风位置的袋式除尘器内部气流分布进行分析，但是除了下进风和中进风以外还有上进风式需要分析。1.3.3 研究内容、目的及意义通过大量的文献阅读工作、查阅资料和思考分析，本课题将对不同进风位置下的袋式除尘器进行数值模拟分析，包括对同侧下进风、同侧中进风、同侧上进风和异侧下进风四种不同的进风位置进行模拟。通过模拟得到除尘器内部的流场分布图，对于不同进风位置下的流场分布进行对比，
25、分析不同的进风位置对流场分布的影响。其次，通过模拟得到的速度分布和速度矢量图，对除尘器内部的流场分布是否均匀进行分析，并且通过模拟得到的布袋出口的速度值，对通过每个布袋的流量进行计算及分析，检验通过每个布袋的流量是否均匀。最后，通过计算除尘器内的压力损失，来确定哪种进风位置的压降最小，并且根据上述的模拟和分析结果对每个布袋的寿命进行对比，预测哪个布袋预先破损。通过上述的分析结果，进行综合评估，找到最佳的进风位置，为除尘器的设计和改进提供依据。2 CFD软件的简介及应用2.1 CFD简介CFD是英文Computational Fluid Dynamics（计算流体动力学）的简称。它是伴随着计算机
26、技术、数值计算技术的发展而发展的。简单地说，CFD相当于虚拟地在计算机做实验，用以模拟仿真实际的流体流动情况。而其基本原理则是数值求解控制流体流动的微分方程，得出流体流动的流场在连续区域上的离散分布，从而近似模拟流体流动情况。可以认为CFD是现代模拟仿真技术的一种。2.1.1 CFD的产生1933年，英国人Thom首次用手摇计算机数值求解了二维粘性流体偏微分方程，CFD由此而生。1974年，丹麦的Nielsen首次将CFD用于暖通空调工程领域，对通风房间内的空气流动进行模拟。之后短短的20多年内，CFD技术在暖通空调工程中的研究和应用进行得如火如荼。如今，CFD技术逐渐成为广大空调工程师和建筑
27、师解决分析工程问题的有力工具。CFD是一种模拟仿真技术，在暖通空调工程中的应用主要在于模拟预测室内外或设备内的空气或其他工质流体的流动情况。以预测室内空气分布为例，目前在暖通空调工程中采用的方法主要有四种：射流公式，Zonal model，CFD以及模型实验。由于建筑空间越来越向复杂化、多样化和大型化发展，实际空调通风房间的气流组织形式变化多样，而传统的射流理论分析方法采用的是基于某些标准或理想条件理论分析或试验得到的射流公式对空调送风流的轴心速度和温度、射流轨迹等进行预测，势必会带来较大的误差。并且，射流分析方法只能给出室内的一些集总参数性的信息，不能给出设计人员所需的详细资料，无法满足设计
28、者详细了解室内空气分布情况的要求。Zonal model是将房间划分为一些有限的宏观区域，认为区域内的相关参数如温度、浓度相等，而区域间存在热质交换，通过建立质量和能量守恒方程并充分考虑了区域间压差和流动的关系来研究房间内的温度分布以及流动情况，因此模拟得到的实际上还只是一种相对精确的集总结果，且在机械通风中的应用还存在较多问题。 模型实验虽然能够得到设计人员所需要的各种数据，但需要较长的实验周期和昂贵的实验费用，搭建实验模型耗资很大，单个实验通常耗资300020000美元，而对于不同的条件，可能还需要多个实验，耗资更多，周期也长达数月以上，难于在工程设计中广泛采用。另一方面，CFD具有成本低
29、、速度快、资料完备且可模拟各种不同的工况等独特的优点，故其逐渐受到人们的青睐。就目前的三种理论预测室内空气分布的方法而言，CFD方法确实具有不可比拟的优点，且由于当前计算机技术的发展，CFD方法的计算周期和成本完全可以为工程应用所接受。尽管CFD方法还存在可靠性和对实际问题的可算性等问题，但这些问题已经逐步得到发展和解决。因此，CFD方法可应用于对室内空气分布情况进行模拟和预测，从而得到房间内速度、温度、湿度以及有害物浓度等物理量的详细分布情况。进一步而言，对于室外空气流动以及其它设备内的流体流动的模拟预测，一般只有模型实验或CFD方法适用。2.1.2 CFD在暖通空调上的应用CFD在暖通空调
30、工程的应用始于1974年，国外在这方面发展较快，目前国内也有一些大学或科研机构在对此进行研究。就其研究方向而言，主要可分为两方面：基础研究和应用研究。目前，美国、欧洲、日本等发达国家对CFD的基础和应用研究都处于领先水平，我国的清华大学等也有较为独特的研究方向。下面简要介绍：1）基础研究方面目前CFD在暖通空调工程的应用基础研究方面，主要有如下新动态：室内空气流动的简化模拟：美国MIT，从描述空调风口入流边界条件的方法、湍流模型等方面进行研究，以对室内空气流动进行简化模拟；中国清华大学，研究空调风口入流边界条件的新方法、湍流模型以及数值算法，建立室内空气流动数值模拟的简捷体系；室内外空气流动的
31、大涡模拟：美国MIT、日本东京大学，研究大涡模拟这一高级湍流数值模拟技术在室内外空气流动模拟中的应用，目前已经开始尝试用于建筑小区和自然通风模拟等；室内空气流动模拟和建筑能耗的耦合模拟：美国MIT，通过将简化的CFD模拟方法和建筑能耗计算耦合对建筑环境进行设计。 2）应用研究方面自然通风的数值模拟：美国MIT、香港大学等，主要借助大涡模拟工具研究自然通风问题；置换通风的数值模拟：美国MIT、丹麦Aalborg大学、中国清华大学等，如地板置换通风、座椅送风等；高大空间的数值模拟：中国清华大学等，以体育场馆为主的高大空间的气流组织设计及其与空调负荷计算的关系研究；VOC散发的数值模拟：美国MIT等
32、，借助CFD研究室内有机散发污染物在室内的分布，研究室内IAQ问题；洁净室的数值模拟：中国清华大学等；对型式比较固定的洁净室空调气流组织形式进行数值模拟，指导工程设计。2.2 CFD的计算原理及基本环节CFD是利用计算机求解流体流动的各种守恒控制偏微分方程组的技术，这其中将涉及流体力学(尤其是湍流力学)、计算方法乃至计算机图形处理等技术。因问题的不同，CFD技术也会有所差别，如可压缩气体的亚音速流动、不可压缩气体的低速流动等。对于暖通空调领域内的流动问题，多为低速流动，流速在10m/s以下；流体温度或密度变化不大，故可将其看作不可压缩流动，不必考虑可压缩流体高速流动下的激波等复杂现象。从此角度
33、而言，此应用范围内的CFD和数值传热学NHT(Numerical Heat Transfer)等同。另外，暖通空调领域内的流体流动多为湍流流动，这又给解决实际问题带来很大的困难。由于湍流现象至今没有完全得到解决，目前HVAC内的一些湍流现象主要依靠湍流半经验理论来解决。总体而言，CFD通常包含如下几个主要环节：建立数学物理模型、数值算法求解、结果可视化。1）建立数学物理模型建立数学物理模型是对所研究的流动问题进行数学描述，对于暖通空调工程领域的流动问题而言，通常是不可压流体的粘性流体流动的控制微分方程。另外，由于暖通空调领域的流体流动基本为湍流流动，所以要结合湍流模型才能构成对所关心问题的完整
34、描述，便于数值求解。2） 数值算法求解上述的各微分方程相互耦合，具有很强的非线性特征，目前只能利用数值方法进行求解。这就需要对实际问题的求解区域进行离散。数值方法中常用的离散形式有：有限容积，有限差分，有限元。目前这三种方法在暖通空调工程领域的CFD技术中均有应用。总体而言，对于暖通空调领域中的低速，不可压流动和传热问题，采用有限容积法进行离散的情形较多。它具有物理意义清楚，总能满足物理量的守恒规律的特点。可见，通过离散之后使得难以求解的微分方程变成了容易求解的代数方程，采用一定的数值计算方法求解式表示的代数方程，即可获得流场的离散分布，从而模拟关心的流动情况。 3） 结果可视化上述代数方程求
35、解后的结果是离散后的各网格节点上的数值，这样的结果不直观，难以为一般工程人员或其他相关人员理解。因此将求解结果的速度场、温度场或浓度场等表示出来就成了CFD技术应用的必要组成部分。通过计算机图形学等技术，就可以将我们所求解的速度场和温度场等形象、直观地表示出来。如今，CFD的后处理不仅能显示静态的速度、温度场图片，而且能显示流场的流线或迹线动画，非常形象生动。2.3 CFD软件简介CFD软件(Computational Fluid Dynamics），即计算流体动力学, 简称CFD。CFD是近代流体力学，数值数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强大生命力的边缘科学。它以电子计算机为工具，应用
36、各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。计算流体力学和相关的计算传热学，计算燃烧学的原理是用数值方法求解非线性联立的质量、能量、组分、动量和自定义的标量的微分方程组，求解结果能预报流动、传热、传质、燃烧等过程的细节，并成为过程装置优化和放大定量设计的有力工具。计算流体力学的基本特征是数值模拟和计算机实验，它从基本物理定理出发，在很大程度上替代了耗资巨大的流体动力学实验设备，在科学研究和工程技术中产生巨大的影响，是目前国际上一个强有力的研究领域，是进行传热、传质、动量传递及燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重要技术，广泛应用于航天设计、汽
37、车设计、生物医学工业、化工处理工业、涡轮机设计、半导体设计、HAVC&R 等诸多工程领域，板翅式换热器设计是CFD 技术应用的重要领域之一。2.3.1 CFD软件的发展CFD 在最近20 年中得到飞速的发展，除了计算机硬件工业的发展给它提供了坚实的物质基础外，还主要因为无论分析的方法或实验的方法都有较大的限制，例如由于问题的复杂性,既无法作分析解，也因费用昂贵而无力进行实验确定，而CFD 的方法正具有成本低和能模拟较复杂或较理想的过程等优点。经过一定考核的CFD 软件可以拓宽实验研究的范围，减少成本昂贵的实验工作量。在给定的参数下用计算机对现象进行一次数值模拟相当于进行一次数值实验，历史上也曾
38、有过首先由CFD 数值模拟发现新现象而后由实验予以证实的例子。CFD 软件一般都能推出多种优化的物理模型，如定常和非定常流动、层流、紊流、不可压缩和可压缩流动、传热、化学反应等等。对每一种物理问题的流动特点，都有适合它的数值解法，用户可对显式或隐式差分格式进行选择，以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。CFD 软件之间可以方便地进行数值交换，并采用统一的前、后处理工具，这就省却了科研工作者在计算机方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动，而可以将主要精力和智慧用于物理问题本身的探索上。CFD 软件的一般结构由前处理、求解器、后处理三部分组成。前处理、求解器及后处理三大模块，各有其
39、独特的作用，分别表示如表2-1：表2-1 CFD软件三大模块前处理求解器后处理作用a. 几何模型b. 划分网格a. 确定CFD方法的控制方程b. 选择离散方法进行离散c. 选用数值计算方法d. 输入相关参数速度场、温度场、压力场及其它参数的计算机可视化及动画处理2.4 ANSYS软件介绍ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer，NASTRAN，Alogor，IDEAS，AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAE工具之一
40、。2.4.1 ANSYS软件的计算模块ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域： 航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。1）前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；2）分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及
41、优化分析能力；3）后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。 2.4.2 ANSYS的研究方法ANSYS的研究方法包括有限元法(FEM,即Finite Element Method)，边界元法(BEM,即Boundary Element Method)，有限差分法(
42、FDM,即Finite Difference Element Method)等。每一种方法各有其应用的领域，而其中有限元法应用的领域越来越广，现已应用于结构力学、结构动力学、热力学、流体力学、电路学、电磁学等。1）有限元法(FEM，即Finite Element Method)有限元法是一种将连续体离散化为若干个有限大小的单元体的集合，以求解连续体力学问题的数值方法。是一种高效能、常用的计算方法。有限元法在早期是以变分原理为基础发展起来的，所以它广泛地应用于以拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各类物理场中（这类场与泛函的极值问题有着紧密的联系）。自从1969年以来，某些学者在流体力学中应用加权余数
43、法中的迦辽金法(Galerkin)或最小二乘法等同样获得了有限元方程，因而有限元法可应用于以任何微分方程所描述的各类物理场中，而不再要求这类物理场和泛函的极值问题有所联系。2）边界元法(BEM，即Boundary Element Method)边界元法是将力学中的微分方程的定解问题化为边界积分方程的定解问题，再通过边界的离散化与待定函数的分片插值求解的数值方法，是一种继有限元法之后发展起来的一种新数值方法，与有限元法在连续体域内划分单元的基本思想不同，边界元法是只在定义域的边界上划分单元,用满足控制方程的函数去逼近边界条件。所以边界元法与有限元相比，具有单元个数少、数据准备简单等优点。但用边界
44、元法解非线性问题时，遇到同非线性项相对应的区域积分，这种积分在奇异点附近有强烈的奇异性，使求解遇到困难。3）有限差分法(FDM，即Finite Difference Element Method)有限差分法是力学中将求解微分方程问题转化为求解差分方程的一种数值解法，是微分方程和积分微分方程数值解的方法。基本思想是把连续的定解区域用有限个离散点构成的网格来代替，这些离散点称作网格的节点；把连续定解区域上的连续变量的函数用在网格上定义的离散变量函数来近似；把原方程和定解条件中的微商用差商来近似，积分用积分和来近似，于是原微分方程和定解条件就近似地代之以代数方程组，即有限差分方程组，解此方程组就可以
45、得到原问题在离散点上的近似解。然后再利用插值方法便可以从离散解得到定解问题在整个区域上的近似解。2.4.3 本课题所用软件1970年，商业软件ANSYS宣告诞生，之后不断的快速发展，在2001年先后并购了CADOES.A及ICEM CFD Engineering。在2006年2月22日，收购了Fluent流体计算软件。本课题使用ICEM CFD划分网格，Fluent进行流体计算求解。ICEM CFD (The Integrated Computer Engineering and Manufacturing code for Computational Fluid Dynamics)是专业的C
46、AE前处理软件，为所有世界流行的CAE软件提供高效可靠的分析模型。它拥有强大的CAD模型修复能力、自动中面抽取、独特的网格“雕塑”技术、网格编辑技术以及广泛的求解器支持能力。同时作为ANSYS家族的一款专业分析环境，还可以集成于ANSYS Workbench平台，获得Workbench的所有优势。Fluent是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，在美国的市场占有率为60%，凡是和流体、热传递和化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气和涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。该软件可用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的
47、复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度。灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，使FLUENT在转换与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用。2.5 湍流模型湍流流动是自然界常见的流动现象，在多数工程问题中流体的流动往往处于湍流状态，所以湍流模型在数值模拟中应用非常广泛。2.5.1 湍流模型简介湍流模型，就是以雷诺平均运动方程与脉动运动方程为基础，依靠理论与经验的结合，引进一系列模型假设，而建立起的一组描写湍流平均量的封闭方程组。湍流模式理论或
48、简称湍流模型，就是以雷诺平均运动方程与脉动运动方程为基础，依靠理论与经验的结合，引进一系列模型假设，而建立起的一组描写湍流平均量的封闭方程组。湍流运动物理上近乎无穷多尺度漩涡流动和数学上的强烈非线性，使得理论实验和数值模拟都很难解决湍流问题。虽然N-S方程能够准确地描述湍流运动地细节，但求解这样一个复杂的方程会花费大量的精力和时间。实际上往往采用平均N-S方程来描述工程和物理学问题中遇到的湍流运动。当我们对三维非定常随机不规则的有旋湍流流动的N-S方程平均后，得到相应的平均方程，此时平均方程中增加了六个未知的雷诺应力项，从而形成了湍流基本方程的不封闭问题。根据湍流运动规律以寻找附加条件和关系式从而使方程封闭就促使了几年来各种湍流模型的发展，而且在平均过程中失去了很多流动的细节信息，为了找回这些失去的流动信息，也必须引入湍流模型。目前虽然许多湍流模型已经取得了某些预报能力，但至今还没有得到一个有效的统一的湍流模型。2.5.2 湍流模型分类目前常用的湍流模型可根据所采用的微分方程数进行分类为：零方程模型、一方程模型、两方程模型、四方程模型、七方程模型等。对于简单流动而言，一般随着方程数的增多，精度也越高，计算量也越大、收敛性也越差。但是，对于复杂的湍流运动，则不一定。1） 零方程模型：C-S模型，由Cebeci
