外壁转速对圆环扇形截面流道内流动特性的影响

王宗勇， 王舒婷, 崔艳军， 陈科昊

(1.沈阳化工大学 能源与动力工程学院， 辽宁 沈阳 110142 2.中国石油天然气第八建设有限公司， 辽宁 抚顺 113006)

现有文献大多对矩形及扇形流道内的流场进行分析，而针对周向雷诺数对流体速度场及涡流分布的影响缺乏系统清晰的阐述.为此，本文基于前人研究结果运用数值模拟方法探究周向雷诺数对内壁固定外壁旋转的环扇形截面直流道内流体的三维速度分布及涡流区域变化规律的影响.

1 数值模拟

1.1 物理模型

建立一个圆环扇形截面流道，如图1所示.

图1 圆环扇形流道横截面结构及其边界条件

该流道由2个同轴圆柱面及2个通过圆柱面轴线的平面构成，平面夹角2α=60°，外圆柱面半径ro=50 mm，内圆柱面半径ri=25 mm，外圆柱面以恒定角速度ω旋转，内圆柱面及其余2个平面固定不动,流体由入口面流入，由出口面流出.流体在轴向压力及外圆柱面旋转作用下在流道内螺旋流动，忽略流道长度对流动特性的影响，假定流体沿轴向充分发展.为便于分析，对该流道建立圆柱坐标系，以圆柱面轴线作为z轴，角度坐标起始位置o′位于圆环扇形截面的角平分线上.

1.2 网格划分及边界条件

在Fluent的前处理软件Gambit中对该圆环扇形流道进行网格划分，采用六面体网格，为确定最佳网格尺寸，以摩擦因子f=2dhΔp/(Lρu2)为指标，对不同网格间距进行网格无关性验证，其中Δp为压力降，ρ为流体密度，L为环扇形流道轴向长度，u为入口平均速度，水力直径dh=4S/C，S为环扇形截面面积……