在射流雷诺数的影响不对称Co-Flows: CFD研究

文摘

铁矿石球团回转窑在依靠系统,需要一个长期和稳定的喷射火焰,确保高质量的球。主要从喷嘴喷射发行与两个不对称co-flows创建一个非常复杂的流程。为了更好地理解这个流与质量和信任并最终模型,简化情况下需要研究。在这项工作中,简化和虚拟模型是建立基于缩小窑模型建立在以前的实验工作。目标是数值研究飞机发展地位和雷诺数的函数(Re)。与标准进行数值模拟k-ε模型,很准确速度概要文件获得而被动标量的中心线和传播衰减在预测。模型能够预测飞机发展的依赖。随着Re,飞机是长而衰变和传播速度通常造成飞机之间的强剪切和co-flows强夹带的再循环区。这个循环模拟中发现抑制动量的方向传播,导致较高的较慢的速度蔓延再保险。为进一步验证和理解,更多的测量剪切层与更高级的湍流模型和模拟是必要的。

1。介绍

炉篦窑是一个铁矿石球团烧结过程的一部分,它由一个移动炉排、回转窑和凉爽。回转窑可以约35米长,直径6米,它把铁矿石球团从移动炉排冷却器作为球团矿的烧结温度超过1000°C。在回转窑的入口,一个燃烧器提供热球。从这个燃烧器流可以建模为一个主射流。随着主喷射,还有两个不对称co-flows源自冷却器(从二次空气通道1]。两个空气通道提供过量空气燃烧和其他重要和造球过程的早期阶段。由于高流速和不规则形状的空气通道,窑性能高度连接到窑空气动力学,特别是主射流的发展。造球过程是复杂的,因为它是大规模的,涉及到高温和大量的空气流动复杂的几何图形。因此,它是早期意识到相关的简化情况下应该研究更好地理解过程和最后能够模型(整个过程2- - - - - -10]。这些病例研究实验[之一8和数值9)与冷流作为燃烧器经常做的,特别是对于扩散火焰燃烧反应是扩散和混合有限。公认的一个原因是,寒冷的流动结构与燃烧反应不显著不同(11]。由玻璃和早期测量Bilger [12]表明,湍流射流火焰(或他们称为“激烈的jet-wake”)和一个等温湍流射流湍流量(等温jet-wake)十分相似的,如湍流强度和剪切应力。冷模型提供了一个简单的方法来研究不同变量的影响和促进测量进行验证(13]。这个和结果可以与实验相比,和之前模拟验证进一步简化案例研究(2- - - - - -6现在专注于飞机发展地位和雷诺数的函数(Re)。

射流被广泛研究从1900年代开始为其众多应用程序。巨大的努力已经穿上了测量湍流轴对称射流发行到静止环境中为了揭示了流型(如。14- - - - - -18])。由于广泛的应用于工程问题,飞机喷射到移动co-flows最感兴趣的研究人员。飞机之间的交互和周围的流动,被命名为“jet-wake”安东尼娅和Bilger19),使流场更加复杂。完善self-preserving湍轴对称射流进入流体的属性没有任何初始运动不再有效喷气机在co-flows [17,20.]。在轴对称co-flows研究都集中在飞机,研究最多的病例同轴喷射。少做与不对称co-flows飞机,尽管他们也广泛应用于工业燃烧器。

现在众所周知,初始条件的喷射喷嘴几何和再保险等下游影响飞机的发展。从四年前,一个普遍的结论自相似性的行为所有飞机开始受到挑战21]。Boersma et al。22)执行DNS模拟飞机再保险和不同初始速度较低配置文件。他们的结论同意乔治的早期研究[21)没有统一的自相似性在飞机有不同的初始条件。Mi et al。23)回顾了早期的实验研究湍流轮飞机发出不同的喷嘴。他们发现飞机发出的光滑收缩喷嘴有更大的传播速度比飞机从长直圆管发行。此外,最初的Re对飞机的影响发展的自相似远场取决于喷嘴的类型。被动标量的中心线衰变会增加高Re如果飞机问题从一个光滑管收缩,而飞机从长直管发行更独立的初始再保险。

通过回顾一些关于湍流实验工作轮飞机顺利承包射流喷嘴与各种再保险范围(18,24- - - - - -29日),它可以得出结论,没有统一的再保险飞机的依赖意味着中心线衰变。较低的飞机再保险,如上所述Todde et al。24),平均衰减率1 /B和虚拟的起源有不同的依赖关系。1 /衰减速率B随Re直到Re = 1600,然后保持不变,直到Re = 4000,最后又增加4000以上。通常在其他高情况下,衰减项B增加与再保险;即衰减率1 / B减少,而高于阈值(Re > 20000年总结Zarruk和考恩(29日),但它并不影响再保险。

在回转窑火焰在扩散火焰喷射co-flowing空气(5]。Co-flows以及飞机初始条件,可以显著影响飞机的发展。如上所述,圣诞和Damou30.),带来的extraturbulence水平co-flows将影响的传播速率限制的喷气机。此外,这项工作的co-flows环形和同轴主喷射。因此,带来的高湍流的不规则co-flows回转窑可能会导致一个不稳定的流场,例如,extra-recirculation反应物和产物。不稳定的流场可能导致燃烧不稳定等问题,窑墙热疲劳。需要一个漫长而稳定的喷射火焰甚至颗粒床内温度曲线底部的窑。提高燃烧效率,降低污染物的排放等_x间,更好的混合燃料(煤颗粒在现实窑)和空气要求。达到这些目标,有必要知道如何获得更长的飞机在窑和更好的混合。第一个选项,根据先前的研究的文献综述,是改变飞机初始条件通过改变几何变化,并观察飞机的反应。

这项工作的目的是研究初始再保险的影响,通过改变喷嘴直径(D_j),在远场的发展喷气机在寒冷的简化模型。形状不规则的二次空气通道的存在带来了额外的挑战而轴对称情况下。此外,在回转窑的工作,空气通道由一个表面称为“挡风板。“这覆盖了窑直径的1/3,喷气出口位于中心。co-flowing空气流流回板,充当虚张声势的身体,下游合并在一起。流在虚张声势的身体是连接到涡旋脱落。先前的实验工作拉尔森et al。8]然而表明,支承板背后的涡旋脱落时难以探测飞机了。结果清楚地表明,存在脱落过程,它打破了喷气大规模和负面影响小规模混合得到一个稳定的剪切层。在前面的数值研究2016年ASME国际机械工程国会和博览会(IMECE 2016)由腾et al。9),不同的湍流模型进行对比模拟飞机之间的相互作用和非对称co-flows。这是发现的标准k- - - - - -ε模型执行最好的预测均值中心线衰变和径向传播速度和标量的浓度。类似的结论可以在早期作品由史密斯et al。31日)的结果意味着和RMS中心线衰变和传播的飞机k-ε模型与实验数据有很好的协议。另外,本文提供的研究工作在回转窑是高度与工业设计、鲁棒性和计算的经济意义重大。基于这些事实,标准k- - - - - -ε模型用于这项工作上进一步研究初始再保险的作用意味着缩小窑模型中的流场。

2。材料和方法

2.1。几何和网格

在先前的研究关于窑空气动力学,缩小规模,简化回转窑模型建立了拉尔森et al。1,6,8]。回转窑是基于Craya-Curtet缩放参数C_t=0.86如拉尔森等的研究。8],它代表一个漫长而懒惰的火焰。在这部作品中,几何图形呈现在图1是建立在此基础上缩小窑模型在笛卡儿坐标系统。的x设在代表流向的方向。的y——和z轴代表的方向。窑被简化为一个固定气缸直径D_窑= 0.1 m,飞机入口位于支承板的中心直径D_j= 1.5毫米。背面板的高度是窑直径的1/3,而且分离空气通道分为两部分。上二次风通道有一个倾斜角度,和下一个平行于窑。窑长度是1.5米。

如上所述,Mi et al。23)和Grandchamp et al。32),这两个常用的喷嘴,喷嘴收缩,又直圆管,对应于一个上流社会的速度剖面和抛物线速度剖面类似于充分发展管流,分别。在这项工作中,上流社会的速度剖面是由一个统一的质量流率近似喷气口,因为缺乏测量的初始速度剖面。研究初始再保险的影响,模拟四例D_j= 0.0012,0.0015,0.0018,和0.0021 m对应Re = 37240, 29792, 24827, 21280。

商业软件ANSYS 16.0 ICEMCFD啮合,六角网建成和多个o-grids提炼射流入口附近的一部分(图1)。额外的关注网格扩张垂直于射流中心线,以避免太大纵横比,确保足够的网格质量。启用网格独立研究中,三个网格不同细化水平准备。这项研究提出了部分的细节2。5。

2.2。CFD设置

的模拟进行了商业软件ANSYS 16.0只。不稳定Reynolds-averaged n - s方程(巨蜥)使用自稳态模拟振荡对残差和监测值。时间步是基于无量纲时间步长设置为1毫秒∆涂_b/ D_窑= 0.005用于索非亚拉尔森et al。6]。把设置的仿真时间5.5秒,以确保流体将覆盖整个窑长度,根据散装速度。瞬态数据被从5.5到7.5秒获得时间上的数据。

边界条件是相同的如拉尔森et al。8和邓等。9)与1.08公斤/ s的质量流率的两个次级通道入口。喷嘴入口的质量流率约为0.031公斤/ s。窑口,平均静压相对压力为0.0 Pa应用。喷嘴入口,一个被动标量(Φ)1.0初始化为,入口的两个co-flows, 0.0。被动标量有助于可视化飞机开发和代表的化学物种的混合。

平流方案使用高分辨率,包括一个混合因素之间混合的一线和二阶准确的计划,确保一个健壮的解决方案也在流梯度变化迅速的地区。一个二阶向后欧拉计划用于离散化瞬态条件。均方根(RMS)残差的收敛性判据是10⁻⁶紧密融合,使用双精度。每个瞬态运行初始化相应的稳定状态的结果。

2.3。控制方程

连续性方程和navier - stokes方程描述了质量和动量转移 在哪里是空间坐标,的压力,是时间,运动粘度。左边(2)是物质导数的速度矢量, ,流场可以扩展

湍流速度场的雷诺分解给出了mean-momentum或雷诺方程基于navier - stokes方程 括号表示时间上的值。方程(4)只能解决非常简单的情况下,由于6雷诺应力张量的分量 。这些压力包括根据一个各向同性和各向异性部分 在哪里是湍流动能,克罗内克符号,是各向异性的部分,根据紊流粘度假说中的特定的假设,可以确定 在哪里是湍流粘度。

可视化的飞机和浓度场来描述,介绍了被动标量数值模型。Reynolds-averaged标量输运方程 在哪里的数量是被动标量。它可以例如是一个物种的浓度。是波动的标量场,是分子扩散系数,它不被认为是在这种不反应的情况下由于分子扩散对标量有不少影响运输相比,对流。的湍流扩散系数,是吗是湍流涡粘性,是紊流施密特数。描述湍流扩散系数之间的比例和质量的分子扩散系数。在这工作设置为一个常数0.7基于研究工作对于轴对称自由射流流Tominaga和Stathopoulos [33)和Mejia et al。34]。代表了Reynolds-averaged源项,在这种无反应的情况下,源项为零。

2.4。湍流模型

标准的k-ε模型是广泛应用于工业问题的鲁棒性。在以前的工作由Granstrom et al。10和邓等。9),标准k-ε模型被证明预测平均流场的窑在一个适当的方式。因为飞机的详细结构,特别是小规模流运动,不考虑这项工作,标准k-ε模型,用于关闭控制方程。的k- - - - - -ε模型解决了两个方程湍流动能k和能量耗散率ε: 在哪里代表了组件的变形。动荡的涡流粘度被指定为

标准的k- - - - - -ε模型通常是指由槽和沙玛(35]。使用的模型常数

2.5。网格的研究

执行网格独立研究中,三个网格被准备。网格加密因子计算基于程序侯赛因(36)是1.3。就像前面提到的2。1,网是由一个结构化网格与多个o-grids为了完善飞机入口附近的网格。结构化的方式进行了优化,以确保系统的离散化误差估计。

两个变量选择误差估计,标量定浓度几何中心线,径向扩散率计算基于射流宽度的一半从0到100D_j。

飞机一半的宽度被定义为目的的位置意味着速度或标量浓度等于一半的射流中心线的价值。在理想情况下,一个圆形射流发展对称应该在每个YOZ平面各向同性。self-preserving飞机,流向位置的线性关系如下(18]:

这个词是动力的传播速度(速度)或被动标量的方向。区分它们,表示蔓延的势头表示被动标量的传播速度。在右边,是流向观察点的位置,是虚拟原点的位置。理想的情况下,和被视为常数,他们可以从(计算11基于 。传播率代表飞机的速度传播的方向。更大的传播率喷气,传播的速度越快,因此,它与周围的混合流越好。因此,传播率通常是用来描述一轮紊流射流的发展的方向。

值得注意的是,从先前的模拟腾et al。9),发现飞机发展不对称的几何图形。因此,喷射宽度的一半不再是各向同性。速度的可视化领域流向速度U≥U_c/ 2稳态模拟的情况D_j= 0.0015 m清楚地显示了一个不对称射流发展下游(图2)。U_c是射流中心线在每个流向速度的位置。随着飞机的发展,速度几乎是椭圆轮廓的形状,他们被定义为喷射宽度一半地区这项工作。此外,他们是nonaxisymmetric如图2。因此,为了量化飞机的方向传播,飞机一半宽度估计在这个工作领域的这些飞机一半区域每2D_j下游的X方向。

理查森推断进行基于侯赛因(描述的过程36]利用稳态模拟的结果有三个不同密度的网格。电网信息和理查森推断结果显示这三个网格(表的振荡收敛1)。外推值和模拟值之间的误差,e_{ext, 1}和e_{ext, 2},分别,是非常小的。没有必要总是使用最好的网格之间的错误只要结果与第二网格和外推值足够小。在这项工作中,第二个网格是因此选择进行进一步的调查,以节省计算时间。

3所示。结果与讨论

研究初始再保险飞机发展的影响,四个模拟不同喷嘴直径D_j= 0.0012,0.0015,0.0018,和0.0021 m与电网运行2基于网格研究的结果。相同的初始质量流率0.031千克/秒的PIV测量由拉尔森et al。8),飞机初始速度U_j= 27.70,17.73,12.31,和9.04 m / s,分别对四个案例。相应的初始是37240,29792,24827,21280。在这四个案例中,一个D_j= 0.0015 (Re = 29792)被认为是标准的情况下,因为它是直接建立基于工作(8]。

瞬时流向速度字段(图3在最后时间步)显示改变喷嘴直径带来的主要区别D_j。为了更好地可视化喷气,流向速度是规范化U /_b。U_b是大部分速度在整个窑计算总流速和窑横截面积。的高速区域U /_b> 5可以代表飞机的长度,它随Re,这有利于颗粒的烧结。相反,区域1的长度<U /_b< 5与再保险显著降低,表明速度衰减更快更高的情况下。这个区域可以被称为fast-decay地区。可以看出,低速区域U /_b< 1形式在上窑墙后上部co-flow开始与主喷射在所有情况下。低速区域主导喷气推动它向下,抑制飞机向上蔓延。在这个地区,再循环可能发生。,再循环标志是黑色的等高线图3可视化的位置和区域流动,也就是区域的流移动负面的X方向。

在湍流动能的概要文件x= 0.09(对应于60D_j在标准的情况下),再循环区披露的存在和位置在图3也可以被识别。在图4,首先按比例缩小的湍流动能中心线速度的平方U_c在x= 0.09(图4(一)),然后用对数刻度(图表示的4 (b))强调地区弱co-flows影响流场。的x设在在图4是归一化湍流动能。的y设在是目的的距离y从射流中心线Y方向。动能的概要描述,有一个大型外喷射流运动,尽管它是飞机本身较弱的定量比较。它对应于上面的再循环区如图3。增加(减少D_j),再循环的边界区移向内的射流中心线Y方向和湍流动能增加,表明循环区扩大和增强。

在燃烧的反应堆,有两种类型的再循环区域:内部循环区(IRZ)和外部循环区(ERZ)。他们是具有重要意义的扩散火焰,因为它们直接影响之间的混合燃料和氧化剂。IRZ座落在飞机和已被证明能够提高内部混合和火焰稳定根据德里斯科尔et al。37)和Vanoverberghe et al。38例如]。ERZ位于外的飞机,它可以生成环境流的剪切和夹带飞机在密闭环境中。Rabacal et al。39)得出结论,基于大涡模拟(LES)结果煤粉射流火焰,反应物颗粒内循环ERZ直到被完全烧毁。因此,ERZ可能会增加燃料的停留时间和倦怠率粒子,然后进一步影响火焰的稳定性。

在这部作品中,4例无电抗的单相,因此,被动标量场是用来显示的效果ERZ上窑墙附近形成的混合。一个被动标量扩散污染物没有动态影响流运动。一个被动标量的运输是由方程(7),扩散项由湍流和分子扩散。被动标量的分布可以表示的混合和夹带的物种,可以用于理解混合流体流动状态。

它可以看到从标量浓度场(图5),在同一位置ERZ如图3,被动标量携入的朝上窑墙。它表明的外观ERZ促进知识的被动标量的传播方向上窑的一部分。在被动的情况下,ERZ可以提高反应物之间的混合,协助flame-anchoring,进一步造福于火焰稳定。然而,ERZ方向向下喷射,这可能带来的不均匀温度场窑床。披露的数据3- - - - - -5,减少再保险,ERZ大大削弱,直到它几乎消失了。然后从ERZ效应几乎消除。

除了前面提到的传播率,另一个重要的特征意味着一轮紊流射流的流场是中心线衰变。平均速度的衰减的射流中心线,流向喷嘴的距离 ,与线性关系可以表示为(18]:

同样,有人建议,中心线浓度的衰减动荡的圆射流可以写成(23]:

条款和 ,动量的衰变速率(速度)和被动标量,理想的情况下,被视为常数。是飞机初始速度,是被动标量浓度喷气口,也被定义为1的质量分数形式在这工作。

意思是流向速度的衰减率和标量浓度由曲线拟合计算时均的数据仿真结果基于方程(12)和(13)。为验证、数据从30到50D_j被用于计算为了符合拉尔森et al。8]。的概要文件和如图6可以看出,x< 6D_j,没有衰变再保险。这就是所谓的潜在核心的飞机几乎统一的平均速度。意思是流向速度的衰减率1/ B增加(图6(一)),而1/ B_Φ的意思是标量(图并没有太大的影响6 (b))。这再保险的独立性意味着标量衰变同意在耦合PIV-LIF测量结果Zarruk和考恩29日]。同样清楚的是,1/ B_u是依赖于x所有重新调查,因此,1/ B_u=f₁(重新,x)。

流向速度的传播率年代和被动标量浓度年代_Φ由方向的计算基于方程(11)。节中描述2。5,喷射宽度的一半r_1/2估计从喷射宽度一半地区的地区从时间上的数据。从图7可以看出,传播的速度年代略随Re(图7(一)),但它几乎保持不变。的传播速度标量年代_Φ有一个明显的不同趋势,它随Re(图7 (b)),也就是说,年代_Φ=f₂(重新,x)。此外,较慢的增长年代_Φ看到后约25D_j在所有情况下,表明标量扩散慢。这个同意拉尔森et al。23),后得出结论,减少混合后地区扩展x / D_j= 25。具有更高(更小D_j),这种影响往往是消除。

所有的条款计算中心线衰变和传播总结在表2一起从拉尔森等实验数据。8]。比较测量的仿真结果表明,该标准k-ε模型overpredicts中心线衰变B约45%的传播速度标量浓度年代_Φ了约20%。速度的传播率的预测年代相对准确的误差约为3%。的k-ε更好的预测模型可以提高湍流轮中心线和传播衰减的飞机通过修改基于个体模型常数衰减和传播数据的每个飞机(38]。

Zarruk和考恩29日还得出结论,衰减项B的平均速度随初始再保险然后趋于稳定在非常高的再保险(> 20000)通过回顾研究湍流轮没有co-flow喷气式飞机。一个相反的趋势是在这工作B减少与再保险。有几种可能的解释的差异在再保险依赖意味着中心线衰变和这项工作,这些研究没有co-flow之间传播。首先,在这个工作中,有两个co-flows非对称,nonannular几何和支承板分离。当重新增加,飞机之间的速度差异和co-flows增加,导致它们之间较强的剪切。夹带周围的流入主射流剪切层提升的飞机之间的接口和co-flows形成较大的速度梯度。强剪切可以确定径向剖面的剪切应力在x= 0.015,0.045,和0.09 m(图8)。的x设在、压力 ,是按比例缩小的中心线速度的平方U_c在每个回水区的位置。的y设在,顺翼展方向的中心线的距离y,是由喷气比例的一半宽度计算。可以看出,随着Re,剪切层强壮且位于比较向外的方向。换句话说,飞机是更广泛的与高Re。此外,它是发现之前上窑墙附近的ERZ形成抑制飞机向下和该区域是扩大和加强再保险更高。同时,它使我们被动标量向上。换句话说,ERZ抑制标量扩散的势头蔓延而它提示的方向。

在早期作品由拉尔森et al。5),发现两者之间的背板co-flows导致涡旋脱落。此外,测量由拉尔森et al。8),后面的涡旋脱落背板很难检测当主喷射。结果清楚地表明,存在脱落过程,它打破了飞机大规模和负面影响小规模混合得到一个稳定的剪切层。然而,从这些底层流结构无法建模的效果k-ε模型。这可能是另一个可能的原因的相反趋势意味着流场依赖再保险。Two-equation模型不能预测湍流各向异性和不同长度尺度。如上所述在史密斯et al。40),即使k-ε模型执行比其他two-equation模型在预测的传播速度轮飞机、底层流结构不考虑。它导致失败的预测正确的中心线衰变率的趋势飞机不同的喷嘴的几何图形。这个问题可能得到解决通过寻找合适的模型常数飞机不同的初始条件的常数函数中心线衰变速率和飞机一半的宽度(41]。尽管可以照顾的传播问题,k-ε从涡旋脱落模型仍不能捕获效应。这意味着更先进的湍流模型是必要的,以及更多的测量,更透彻地了解飞机初始条件如何影响流场。这项工作包括出版prestudy [9在论文中也总结了42]。

4所示。结论

基于CFD模拟的结果与标准k-ε模型和其他研究工作进行比较,可以得出一些结论如下。

标准的k-ε给最近的预测模型测量在以前的工作。传播率的预测年代的流向速度相当准确的误差约为3%。有一个overprediction中心线的衰变B的速度约45%和扩散率年代_Φ被动标量的20%相比,在之前的测量结果。模型能够预测再保险的依赖性较高的发展随着射流初始更长,这有利于颗粒的烧结,但中线速度衰减更快的下游。的传播速度年代_Φ与再保险的被动标量增加,但传播率年代当重新增加的速度几乎保持不变。这个重新依赖背后的原因之一可能是增强飞机之间的剪切层和co-flows当再保险增加导致更高的速度不同。这强剪切也提高了标量混合流场。

外部循环区(ERZ)形式在上窑墙斜上co-flow后,开始与主射流由于它们之间的剪切。飞机朝向略向下,抑制射流扩散对上窑墙,和防止可能出现的热疲劳。的ERZ乘火车的被动标量向上,促进标量扩散的方向。此外,ERZ生长当重新增加。在被动情况下,ERZ可以提高反应物之间的混合,协助火焰锚定,因此进一步造福于火焰稳定。因为长时间飞机稳定位于窑的中心预计将在这种类型的铁矿石球团烧结窑,ERZ的存在因此大大有利。

的k-ε模型可以改善的准确性但无论多么准确的预测意味着飞机发展的属性,两个方程模型还没有能够捕获底层流结构的涡旋脱落及其影响等小规模的混合。为了更好的验证和流场的理解在这个虚拟窑模型中,更多的测量和先进的湍流模型或方法将被认为是在未来的工作中。

数据可用性

支持结论的数据在这个工作都包含在这个手稿。和其他数据集的生成和/或分析在当前研究可从相应的作者以合理的要求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢ASME 2016国际机械工程国会和博览会(IMECE 2016)呈现我们的prestudy这项工作对于不同的湍流模型的比较。基于prestudy的结论,这手稿中描述的工作因此可以执行。作者还想承认LKAB的有意义的讨论,也部分资金通过日益加快实验室工作。这项工作在一定程度上日益加快实验室的框架内进行,VINNOVA卓越中心功能产品创新和部分内进行VINNOVA STRIM-project“依靠独创的新数字3 d模型造球过程减少能源使用和排放”(2017 - 02170)。

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