基于fluent的烟气轮机流场分析及动叶片冲蚀磨损的数值模拟

安慧 2015年12月11日浏览：6782 评论：1 收藏：2

关键技术：滑移网格、DPM、分步计算、冲蚀模拟、建立叶轮拓扑结构及其中径截面、显示颗粒特性、

烟气轮机是一种典型的透平机械，通过高温高压气烟气带动动叶旋转而对外做功，但烟气中的催化剂颗粒会对动叶片造成严重的冲蚀磨损。现对该现象进行数值模拟研究，对该模型分析如下：

本研究为三维、瞬态问题，烟气为高温高压气体混合物，主要组份为N₂、CO₂、过热水蒸气、O₂、SO₂，视其为可压缩理想气体。高温烟气在烟机内的湍流流动雷诺数较高，故采用标准 k-ε湍流模型考察。动静叶之间通过滑移网格实现相互运动，动静叶流道内的数据通过交界面interface传递。烟气中的催化剂颗粒主要受惯性力、气相曳力、saffman升力的作用，其他力可忽略不计。由于催化剂颗粒极小很容易受到气体湍流扩散的影响，故采用随机漫步模型。

静叶入口设置气相压力为0.31MPa、静压0.3Mpa,总温665℃；动叶出口设置压力0.108Mpa；动叶转速为5817r/min。假定颗粒随气流从静叶入口均匀入射，流量为7.5×10^-5Kg/s,气相进出口设置为逃逸边界条件，动叶壁面为反射边界条件。

一、准备软件工具：gambit2.2.30、fluent6.3.26。

二、前处理：

由于篇幅限制，暂不对这部分进行介绍，其结果如图2.1所示；

图2.1

三、连续相求解：

1、启动fluent:双击启动fluent，选择3d，点击run，如图3.1，进入操作界面，如图3.2；

图3.1

图3.2

2、读入模型文件：点击file→read→case，选择F盘123文件yanqilunji.msh，将网格文件导入fluent中；

3、检查网格：点击grid→check，观察最小体网格单元体积是否为负值，若为负值说明网格失败需要重新划分；

4、尺度转化：点击点击grid→scale，在grid was created in后面的方框中选择mm，点击scale→close，如图3.3所示；点击define→units，将角度单位设为rpm，如图3.4；

图3.3

图3.4

5、设置求解器：点击define→models→solver，由于烟气为可压缩气体故solver选择density based（在高版本中为coupled），为提高计算效率formulation选择implicit求解，time选择unsteady，点击OK，如图3.5；湍流模型保持软件默认；

图3.5

6、设置烟气组份：点击define→models→species→transport&reaction→species transport，number of volumtric species后的方框中输入5（即5种组份），点击OK，如图3.6；

图3.6

点击define→materials，点击fluent database，选择material type下fluid，选择SO₂，点击Copy，如图3.7；

图3.7

在material 下name中输入yanqi，material type中选择mixture，点击mixture species后edit，选择5种烟气组份，点击OK，如图3.8，选择Yes，在density中选择ideal-gas，点击change/create，如图3.9；

图3.8

图3.9

7、定义操作压力：点击define→operation conditions，输入操作压力为0，有利于收敛，如图3.10；

图3.10

8、定义边界条件：点击define→boundary conditions

（1）区域设置：点击dongliuyu→set，在motion下设置旋转轴方向为1,0,0，motion type选择moving mesh，旋转速度设为5817r/min，点击OK，如图3.11，同样点击jingliuyu→set，设置旋转轴方向为1,0,0，motion type为stationary；

图3.11

（2）压力入口：点击jinginlet→set，在momentum下分别输入总压310000Pa、表压300000Pa，在thermal下输入总温938K，在species下分别输入各项组份，点击OK；

（3）压力出口：点击outlet→set，在momentum下输入压力108000Pa、勾选radial equilibrium pressure distribution，在species下分别输入各项组份，点击OK；

（4）定义动叶壁面条件：点击pressure→set，在momentum下勾选moving wall，rotational，输入旋转轴方向1,0,0，点击OK，如图3.12，然后点击copy，在from zone中选择pressure，在to zones中选择suction，点击copy，点击OK确认；

图3.12

注意：该模型中出入口压差和温差较大、转速较高，可采用多步计算，即逐步递增的方法将各参数慢慢逼近真实值，这样有利于收敛；

9、定义grid interface：点击：define→grid interface，在grid interface下输入inerface（相当于命名），在interface zone 1下选择jinout，在interface zone 2下选择inlet，勾选periodic，点击create，如图3.13；

图3.13

10、求解控制：保持软件默认状态（为利于收敛可调小松弛因子）；

11、初始化：点击solve→initialize→initialize，compute from下选取jinginlet，点击init；

12、设置监控窗口：（1）残差曲线：点击solve→monitor→residual monitors，勾选plot点击OK，如图3.14；

图3.14

（2）质量监控：点击solve→monitor→surface monitors，在surface monitors输入2，点击monitor1和monitor2后点击plot，点击monitor1后面define，在report type下选择mass flow rate，在X axis下选择flow time，surface下选择jinginlet，点击OK，如图3.15，monitor2 进行相同操作，选取surface为outlet，点击OK；

图3.15

13、迭代设置:点击solve→iterate，在time step size中输入0.0000287（60÷转速÷360，相当于转1°的时间），nuber of time steps中输入720，点击iterate，如图3.16；

图3.16

14、当残差曲线、质量监控曲线都周期性震荡，且出入口质量基本相等时可认为计算收敛。

四、离散相求解：

1、点击define→models→discrete phase，勾选interaction with continuous phase，在tracking parameters下输入Max number of steps为，drag parameters下drag law选择为stokes-cunningham，如图4.1；

图4.1

2、在physical models下勾选saffman lift force和erosion/accretion，如图4.2；

图4.2

3、点击injections→creat，进入set injections properties界面，在injection type下选择surface，在release from surfaces下选择jinginlet，material下选择ash，diameter distribution下选择rosin-rammler，X-velocity下输入计算得到的气相速度，temperature输入气体温度，stop time输入1，total flow rate输入7.5×10^-5Kg/s，max diameter输入0.00003m，mean diameter输入0.0000075m，如图4.3；

图4.3

4、在turbulent dispersion下勾选discrete random walk model，点击OK；

5、设置边界条件壁面反射条件：点击define→boundary conditions→pressure→set，设置法向和切向恢复系数为0.5，入射界函数选择piecewise-linear，分别定义为（0°，0）、（30°，1）、（45°，0.75）、（90°、0.45），直径函数为1.8e-09，速度指数为2.62，点击OK，如图4.4，然后如操作3.8.4将pressure壁面条件复制到suction。