孔板后流场的数值模拟研究

孔板后流场的数值模拟研究

郭婷婷，邹晓辉，王坤玉

(东北电力大学能源与机械工程学院，吉林省 吉林市 132012)

摘 要：本文采用基于雷诺时均N-S方程标准k-ε紊流模型结合SIMPLE算法对夹角?＝150°正六边形孔、

?＝180°圆孔和?＝150°圆孔孔板的挡风特性进行了数值研究；对三种板型在Re=2.34×105时的速度场进行了比较，结果表明：在开孔率相近的情况下，各种板型板后附近都会有回流出现，夹角?＝150°、

正六边形孔孔板板后的回流区沿主流方向会逐渐消失，速度也将达到一个比较稳定的数值；结果表明：夹角?＝150°正六边形孔孔板的挡风效果最好。 关键词：紊流模型；数值模拟；开孔率；回流

Numerical simulation on the shelter effect of

porous wind fences

Guo Tingting, Zou Xiaohui, Wang Kunyu

(Department of Energy and Mechanical Engineering, Northeast Dianli University , Jilin 132012, Jilin Province,

China; )

ABSTRACT: Numerically simulation was performed to investigate the shelter characteristic of the shelter effect of porous wind fences which angle (?)of 150°and 180°,hole shape of round and hexagon, using control volume method and standard k-ε model, integrated with SIMPLE algorithm. The velocity field of three fences at the same Re=2.34×105 have been compared. The results suggest that as the close porosity, there was re-circulating flow region at downstream behind the fences, along with stream-flow, the re-circulating flow region of the angle (?)of 150°and hexagon hole fences would disappear gradually and the velocity trended to a fix value. The conclusion was that the angle ?=150°and hexagon hole fences had better shelter characteristic than others. Key word: turbulence model; numerically simulated; porosity; re-circulating flow

引言

近二十多年来，日本、美国、澳大利亚、英国、新西兰等国都对孔板后流场进行了研究，其中日本将孔板用于港口露天煤堆场的防尘抑尘工程，其它方面的研究还包括孔板对抑制土

[1-3][4][5-8]

壤起尘、飞雪和飞沙也有研究，Bofah和Alhinai 研究孔板对流沙的防治，Lee等人对POSCO露天煤堆安装的孔板、流体流过孔板后有三角菱形物体的流场进行了数值模拟、风

[9]

洞监测孔板后沙粒的运动轨迹和实验测量孔板后速度和湍动能场进行了研究，Kim等人研

[10]

究了在开孔率相同的情况时孔开孔率相同的情况时孔径对尾迹区流动特性的影响，Park

作者简介：郭婷婷（1973－），女，博士，副教授，研究方向：叶轮机械内部流动的空气动力学和计算流体力学。

等人研究了孔板对底部有间隙和不同开孔率情况下板后三角菱形物体表面压力的影响。

本文采用基于雷诺时均N-S方程、标准k-ε紊流模型结合SIMPLE算法对不同工况下的孔板进行数值研究，并与实验结果进行比较。许多的学者在不同的研究方面运用了雷诺时均

[11-14]

N-S方程、标准k-ε紊流模型来研究问题。

1物理模型和数值计算方法及边界条件 1.1几何模型

本文的几何模型如图1所示，其上设有正阻风面（101），侧阻风面（102）；侧阻风面（102）与正阻风面（101）形成?角（如图2所示），侧阻风面（102）上有通风孔（103），?角为150°；正阻风面（101）上有通风孔（104）。本文几何模型的尺寸为长1400mm，宽40 mm，高875 mm，正阻风面的宽度为80 mm，侧阻风面的宽度为150 mm，正阻风面底面开2排内切圆直径为25 mm的六边形大孔，侧阻风面上开8排内切圆直径8 mm的六边形小孔，开孔率?＝18.79％，

开孔率关系式如下：

?＝

式中：Ah——开孔孔总面积； Ab——板的总面积。

Ah×100％

Ah?AbU 102 Y 104 α 101 α 102 103 103 Z 图1 几何模型示意图 X 图2 夹角

1.2.1数值计算方法及边界条件

本文采用标准 k-ε紊流模型，通用控制方程的离散采用控制容积法，对流项差分格式采用二阶迎风，流体压力-速度耦合基于SIMPLE算法。根据几何模型的特点，边界条件包

括主气流速度入口边界条件、压力出口边界条件、壁面为无滑移壁面。

主气流速度入口边界

u?U，v?w?0， k?0.00(5u2?v2?w2)， ??0.1k2

压力出口边界

给定沿流动方向各参数的一阶导数等于零 ?u??v?x??w?x??k?x?x????x?0

1.2.2网格的划分

根据孔板几何模型的特点,使用一套网格计算比较困难,本文将计算区域分为若干个子区域,由于气流流过孔板后扰动加剧,并存在回流现象,所以本文对孔板附近区域进行了网格局部加密,在孔板孔103部分采用楔形网格,在开孔104部分采用三角形网格,在板101未开孔部分采用三角形网格,板102未开孔部分采用结构化网格,板的网格划分如图3所示混合网格数目为263940个。

2计算结果的分析和讨论

2.1数值模拟与实验值的比较

文献[9]中对夹角?＝180°，圆孔，开孔率为20％，Re=8360的孔板进行了实验研究，本文对相同条件下的孔板做了数值模拟。图4给出了X/H=1时实验和数值模拟的速度分布，主流方向为X轴方向，板高方向为Y轴方向，u是流向速度，U是主流入口平均速度, H为孔板高，从图中可以得到数值计算的结果和实验结果吻合较好，发展趋势基本相同，平均误差为25.7%，结果表明：数值计算的结果是可靠的。

2.2三种板型数值计算结果的比

较

表1给出了三种板的板型及板型参数：

0.8孔104 0.7孔103 H0.6/Z0.50.40.300.050.10.150.20.250.3X/H 图3网格局部图 32.5数值计算值 2实验值 H1.5/Y10.5000.51u/U

图4 数值计算与实验值的比较

0.350.40.45表1：孔板类型和板型参数

孔板类型 文献[9]中的孔板：板Ⅰ 国内常用孔板：板Ⅱ 新型孔板：板Ⅲ 夹角? 180 150 150

孔型 圆孔 圆孔 正六边型孔 开孔率 20％ 17.04% 18.79% Re 2.34×105 2.34×105 2.34×105 图5为三种板型在X/H=1时X轴方向上的速度分布，从图中可以得到板Ⅰ和板Ⅱ在X方向上的速度分布曲线基本一致。在Y/H在0～0.2之间时，板Ⅲ后u/U范围在0～0.5之间，板Ⅱ后u/U范围在-1.2 ～-0.9之间，板Ⅰ的u/U范围在-0.85～-0.7之间，速度值都大于板Ⅲ的速度值；在Y/H范围为0.4～0.9之间时，板Ⅲ的u/U范围在-0.2～0.2, 板Ⅰ和板Ⅱ的u/U范围在-0.7～0.5，板Ⅰ、板Ⅱ和板Ⅲ后都会有回流出现，相比之下板Ⅲ后的回流不太明显，结果表明：在X/H=1、X轴方向上板Ⅲ的挡风效果最好。

图6是三种板型在X/H=1时Z轴方向上的速度分布，从图中可以得到Y/H的范围在0～1时，板Ⅲ的v/U范围在-0.0001～0.00062之间，板Ⅱ的v/U范围在-0.0009～0.0011之间，板Ⅰ的v/U范围在-0.00067～0.00062之间，这几种板型都出现了反向速度，但板Ⅲ的v/U正值最小，负值最大，结果表明：在X/H=1、Z轴方向上板Ⅲ的挡风效果最好。

图7是三种板型在X/H=1.5时X轴方向上的速度分布，从图中可以得到Y/H在0～0.2之间时，板Ⅲ的u/U范围在0.25～0.9之间，板Ⅱ的u/U范围在-1.4～-1.2之间，板Ⅰ的u/U范围在-1～-0.8之间，当Y/H在0.2～0.9之间时板Ⅲ的u/U数值达到一个比较稳定的状态，不再变化，为0.25左右，即速度达到一个比较稳定的状态，板Ⅰ和板Ⅱ的u/U范围在-0.85～0.5之间，有回流现象存在，板Ⅲ在这个区域不再有回流，速度也较小，结果表明：在X/H=1.5、X轴方向上板Ⅲ的挡风效果最好。

图8是X/H=1.5时Z方向上的速度的分布图，从图中可以得到，板Ⅱ的v/U范围在-0.00044～0.00028之间，板Ⅰ的v/U的范围在-0.00028～0.00022之间，板Ⅲ的v/U范围在-0.00015～0.00025之间,结果表明：在X/H=1.5、Z轴方向上板Ⅲ的挡风效果最好。

比较图5和图7，从图中可以得到，随着孔板后流场的发展，板Ⅲ的Y/H在0.2～0.9之间时，u/U将趋近一个定值，结果表明：流场趋于稳定；在图5中有回流现象，但在图7中不再回流现象，板Ⅰ和板Ⅱ的u/U的变化趋势不太明显，结果表明：板Ⅲ的回流现象逐渐消失，板Ⅰ和板Ⅱ的回流现象一直存在。

比较图6和图8，我们可以得到，图8中板Ⅲv/U的负值最小值小于图6中负值最小值，图8中板Ⅲv/U的正值最大值小于图6中正值最大值，板Ⅰ和板Ⅱv/U的负值和v/U的正值成减小的趋势。

3结论

(1)夹角?＝180°、圆孔孔板，Re=8360时的数值模拟得出的结果与实验值吻合的较好，结果表明：数值计算的结果是可靠的。

(2)夹角?＝150°、正六边形孔孔板风速的变化沿主流方向逐渐趋近于一个稳定值，其它两种板型则会维持一个比较稳定状态，局部风速没有明显的变化。

(3)当风通过夹角?＝150°、正六边形孔孔板，会有回流现象出现，沿主流方向，回流逐渐消失。

(4)在开孔率相近的情况下，夹角?＝150°、正六边形孔孔板的挡风效果好于其它两种板型的挡风效果。

332.5α＝150度、圆孔 α＝180度、圆孔 α＝150度、正六边型孔 2.5α＝150度、圆孔 α＝180度、圆孔 α＝150度、正六边型孔 22Y/H 1.51.5Y/H 110.50.50-1-0.500.511.522.50-0.000500.00050.001u/U

图5 三种板型在X/H=1时X方向上的u/U分布

3v/U

图6 三种板型在Z轴方向上v/U的速度分布

32.5α＝150度、圆孔 α＝180度、圆孔 Y/H α＝150度、正六边型孔 2.5α＝150度、圆孔 α＝180度、圆孔 α＝150度、正六边型孔 22Y/H 1.51.5110.50.50-1-0.500.511.522.530-0.0004-0.000200.0002u/U

图7 三种板型X/H＝1.5时的u/U分布

v/U

图8 X/H＝1.5时Z方向上v/U的速度分布

参考文献：

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