机械回转反吹袋滤器内温度场和流场数值模拟学位论文.doc

东北大学硕士学位论文 摘要 机械回转反吹袋滤器内温度场和流场数值模拟摘 要近年来，布袋除尘器是回收微细粉尘的主要工具，随着环保要求的提高，布袋除尘器也被广泛应用。机械回转反吹袋滤器是布袋除尘器和旋风除尘器的有机结合之后新兴产物，它把除尘系统中的二级除尘变为一级除尘，这样可以减少系统占地面积，节约资源，提高系统的可靠性。含尘气体在机械回转反吹袋滤器中的运动是复杂的三维气固两相流，测试其内部流场非常困难。随着科技的迅猛发展，通过计算机进行数值模拟来分析袋滤器流场分布技术越来越受到关注。本课题采用计算流体力学Fluent软件，选择RSM模型，设置速度入口和自由出口的边界条件，得到温度分布云图、压强分布云图、速度分布云图、湍流强度分布云图、颗粒运动轨迹图及滤袋间隙气流上升速度曲线。通过分析得出结论：高压区发生在含尘气体进口处，因为此处进口速度大；低压区发生在净空气出口处，因为过滤速度很慢，导致出口处的速度也很慢；因为滤袋渗透率非常小，所以当含尘气体穿过滤袋前后时，压力发生阶跃；滤袋间隙气流上升速度变化平稳，趋于均匀，这样更有利于被反吹气流反吹脱离滤袋的颗粒的沉降，缩短沉降时间，提高除尘效率。改变过滤速度、进口速度、进口高度、高宽比，对比分析各云图发现：这些参数的改变，不会影响袋滤器内部温度场、压力场、速度场分布规律，只不过改变相应参数的数值大小；过滤速度和进口速度增大，对袋滤器全压损失产生严重影响；流量分配系数曲线也同时表明：过滤速度和进口速度增大，袋滤器内流量分配更加不均匀，对比分析之后得出，较低的过滤速度和进口速度都有利于流量分配均匀。颗粒运动轨迹图表明：颗粒在过滤室第二圈运动时下降幅度很大，在重力作用和离心力作用下大部分颗粒沉降到灰斗中，滤袋只捕获了被上旋气流夹杂的一小部分颗粒。关键字：袋滤器；数值模拟；过滤速度；流量分配I东北大学硕士学位论文 Abstract Numerical Simulation of Temperature Field and Flow Field within Mechanical Rotary Cleaning Bag FilterAbstractIn recent years, bag filter is the main tool for recovery of fine dust, with the improvement of environmental requirements, bag filter is also widely used. Mechanical rotary cleaning bag filter is the emerging product of bag filter and cyclone after the organic integration, which makes the secondary dust in the dust removal system becomming a dust, thus reducing the system footprint conserving resources, and improving the reliability of the system.Dusty gas complex three-dimensional gas-solid flow in the movement in the mechanical rotary cleaning bag filter to test its internal flow field is very difficult. With the rapid development of science and technology, carrying on the numerical simulation by computer to analyze the flow field distribution of bag filter is the new technology which is more and more attention. This topic uses computational fluid dynamics software Fluent, selects the RSM model, sets the speed inlet and free outlet boundary conditions, gets the temperature contours, pressure contours, velocity contours, the turbulence intensity distribution of cloud images, particle trajectory and the curve of filter bag clearance air rising velocity. Concluded by analyzing: high-pressure zone occurres in the dusty gas imports, because here inlet velocity is very fast; area of low pressure occurres in the net at the air outlet, because the filter is very slow, so speed is very slow at the outlet; the penetration rate is very small, so, when the dusty gas through the bag before and after, the pressure happen to step, the air rising velocity of filter bag clearance changes smoothly and tend to uniform, so this is more conducive to the sedimentation of particles of just off from the bag by reverse blowing, short the settling time and improve the efficiency of dust removal.Change the filter velocity, the inlet velocity, the height of inlet and depth-width ratio, the founds by comparative analysis the clounds show that: the change of these parameters will not affect the bag filter internal temperature field, pressure field and velocity field distribution law, but change the magnitude of the corresponding parameters; the filtration rate and inlet velocity increasing have a serious impact on the total pressure loss; the flow distribution coefficient curve also show that: the filtration velocity and inlet velocity is more increase, the flow distribution of bag filter is more inhomogeneous, the result after the comparative analysis is that: the lower filtration velocity and inlet velocity are beneficial to the uniform flow distribution. The particle trajectory figure shows that: the particles decrease in the movement of the second lap of the filter chamber, most of the particles settle to ash bucket by the action of gravity and centrifugal force, filter bag capture only a small portion of particles on the rotary air inclusions.Keywords: bag filter; numerical simulation; filtering rate; flow distribution VII东北大学硕士学位论文 目录 目录独创性声明I摘 要IIAbstractIII目录V第1章 绪论11.1 课题的来源及背景情况11.2 课题研究目的11.3 机械回转反吹袋滤器国内外研究现状21.4 研究内容和研究方法31.5 本文研究的意义4第2章 机械回转反吹袋滤器的求解模型52.1 CFD概述52.1.1 CFD基本思想与本质52.1.2 CFD发展62.1.3 CFD应用领域62.2 Fluent软件简介62.3 控制方程和求解技术82.3.1 基本控制方程82.3.2 CFD求解技术112.4 气固两相流理论122.5 多孔介质理论132.5.1 多孔介质模型132.5.2 多孔跳跃模型142.6 本章小结15第3章 气相数值模拟173.1 工作原理173.2 袋滤器的性能指标183.2.1 过滤气速183.2.2 压力损失183.2.3 除尘效率193.3 模拟参数193.3.1 处理气体流量203.3.2 进口气流速度203.4 模型的前处理213.4.1 建立计算模型213.4.2 网格划分213.4.3 设置边界条件223.4.4 参数设置233.5 模拟结果分析233.5.1 温度场结果分析243.5.2 压力场结果分析253.5.3 速度场结果分析273.5.4 湍流强度结果分析293.6 本章小结30第4章 气固分离数值模拟314.1 离散相模型的设置314.2 定义射流源314.3 颗粒运动轨迹分析314.4 流量分配均匀性分析334.4.1 流量分配系数334.4.2 过滤速度对流量分配系数影响分析334.4.3 入口速度对流量分配系数影响分析354.4.4 进口高度对流量分配系数影响分析374.4.5 高宽比对流量分配系数影响分析394.5 本章小结41第5章 操作参数与结构变化对性能的影响435.1 改变操作参数对压力场影响分析435.1.1 改变过滤速度对压力场影响分析435.1.2 改变进口速度对压力场影响分析475.2 结构改变对压力场流场影响分析505.2.1 改变进口高度对压力场流场影响分析505.2.2改变高宽比对压力场流场影响分析545.3 本章小结57第6章 结论和展望596.1 结论596.2 展望60参考文献61致 谢64攻读学位期间的研究成果65 东北大学硕士学位论文 0 绪论 第1章 绪论1.1 课题的来源及背景情况除尘器是把粉尘从烟气中分离出来的设备，粉尘是人体健康的大敌，从环境保护的角度来看，除尘器在现代工业中的地位极其重要。除尘器是根据作用于尘粒上的各种作用力的不同而进行分类的，主要有：重力除尘器、惯性除尘器、旋风除尘器、过滤式除尘器和电除尘器等类型1。袋式除尘器即过滤式除尘器，是一种干式滤尘装置，早在19世纪80年代就开始应用2，适用于捕集细小、干燥、非纤维性粉尘3。滤袋采用纺织的滤布或非纺织的毡制成4,5，利用纤维织物的过滤作用对含尘气体进行过滤，当含尘气体进入袋式除尘器时，颗粒大、比重大的粉尘，由于重力的作用沉降下来，落入灰斗，含有较细小粉尘的气体在通过滤料时，粉尘被阻留，使气体得到净化6。袋式除尘器品种多、系列全。我国目前广泛应用的有无触点电动脉冲控制、气动脉冲控制和机械脉冲控制的袋式除尘器。机械回转反吹袋滤器是由布袋除尘器和旋风除尘器科学有机的结合，使原为二级除尘的两个庞大体系简化设计成一体的单台设备，其布袋成圆形布置于圆形壳体内，含尘气流入口按旋风除尘器的流型设计，环形方式进入筒体，在离心力的作用下，能有效地分离出大部分固体颗粒，由除尘器的排料口直接排出，一部分固体颗粒随气流在除尘器内上升，呈浮游状态而布满整个圆柱形的过滤室，在空气压差的作用下，空气进入滤袋，粉尘被阻留在滤袋外表面，在反吹风的作用下颗粒被吹离滤袋表面并在重力的作用下向下沉降，也由下部排料口排出，净化后的空气由上部净气室的排风口排出7。机械回转反吹袋滤器采用圆形体结构，受力均匀，抗爆性好，结构紧凑8；采用高压风机反吹清灰，不受气源条件限制；利用阻力自动控制反吹清灰，节约能源，延长布袋使用寿命；严寒地区室内安装，其它地区都能在室外安装，可广泛用于机械、铸造、矿山、冶炼、建材、粮食化工等许多部门。由于布袋除尘器在除尘设备中不可替代的地位，越来越多的厂家把目光投到布袋除尘器的生产及研究开发领域9。近几年对脉冲袋式除尘器的研究比较广泛，但是，机械回转反吹袋滤器也有着独特的优势：过滤面积大、除尘效率高、占地面积小。1.2 课题研究目的随着科学技术的发展，机械回转反吹袋滤器在工业应用中越来越重要。机械回转反吹袋滤器的突出优点是除尘效率高、运行稳定、适应性强、能有效捕集对人体危害最大的5微米以下的超细的微细颗粒，并且不受气源的限制，可以防止除尘器内部结露现象，减少布袋堵塞10。袋式除尘器发展的两个关键技术，其一就是有适应不同工况的优质滤料；其二，要求强劲可靠地清灰机构，控制设备的阻力。要保持袋式除尘器的发展，就必须先解决这两个关键技术11。本课题主要是对机械回转反吹袋滤器的温度场和流场进行数值模拟，分析数据，得出结果，作为机械回转反吹袋滤器优化内部结构和运行参数、提高除尘效率和节约能源的重要依据，实现高效低阻。本课题从工程应用的角度出发，综合以往数值模拟的方法和优势，运用Fluent分析软件，应用多孔介质模型为机械回转反吹袋滤器建立有限元数值计算分析模型，对机械回转反吹袋滤器的温度场和流场进行数值模拟，观察含尘气体通过滤袋时被过滤掉灰尘的前后过程，进而分析影响机械回转反吹袋滤器除尘效率的各种因素，得出最优数据，减少压力损失，提高除尘效率，消耗更少的能量，在建设环境友好型社会，提高生活质量的今天有重大的意义。1.3 机械回转反吹袋滤器国内外研究现状回转反吹袋滤器是日、美等工业发达国家于六十年代开发的一种新颖袋滤器。1962年日本栗本铁工厂首先研制成功回转反吹脉动清灰扁袋除尘器，并完成系列产品设计，同期，美国Carter-Day公司推出RJ、RF两个系列回转反吹扁袋除尘器产品；美国Pneumatil公司推出PN系列回转反吹圆袋除尘器产品12。美国富尔公司的分室反吹袋式除尘器13，由平顶山电除尘器厂生产，结构上分成为标准型和用户型，处理风量在时采用标准型，M-6000型（每单元过滤面积10000）及M-7500型（每单元过滤面积7500），滤袋长为89m。滤料为720滤料或玻纤滤料14,15。美国久益公司的反吹清灰袋式除尘器，由哈尔滨环保设备研究所引进后开发了HJL型分室反吹袋式除尘器，每室204条滤袋，滤袋长约10m，过滤风速0.46，总过滤面积可达16000，采用玻纤滤料，美国已大量用于电站锅炉除尘器中，这种除尘器采用薄板式提升阀代替国内传统的箱式切换阀，其漏风率只有0.04%，并采用设备内部洁净气体反吹，使反吹系统始终处于洁净、干燥、不结露状态。目前国内的主流除尘技术包括静电除尘、袋式除尘和电袋复合式除尘。自静电除尘器（ESP）被应用于工业以来，已发展成为一种公认的高效除尘装置，效率可达到99%以上16。静电除尘的优点在于本体压力损失小，单机处理烟气量大、耐高温、维护费用低等，但主要缺点是除尘效率受烟气和粉尘的物理化学特性影响大17,18，对于高比电阻粉尘、微细和超微细粉尘等除尘效果不理想。与静电除尘技术相比，我国袋式除尘技术起步较晚，然而随着技术的不断提高进步，袋式除尘技术的优点也越来越显著。袋式除尘器的主要优势在于运行稳定、适应性强、其除尘效率很少受到处理风量变化的影响、可以过滤亚微米级的粉尘颗粒、不受气体和粉尘性质的影响、便于维修、运行耗电量低等。所以燃煤电厂、水泥厂的尘源点、垃圾焚烧厂和钢铁厂的烟气处理，绝大部分采用的是袋式除尘器。袋式除尘器的基本特点是除尘效率高、处理风量大、操作维修方便，为达到相同的除尘效率，其投资成本和运行费用均比静电除尘器低。在国外，许多燃烧低硫煤的火电厂使用袋式除尘器。在美国，几乎所有的循环流化床锅炉均采用袋式除尘器。我国燃煤引起的大气污染，包括粉尘污染是十分严重的，我国现行的锅炉烟尘排放标准与国际标准相比还是相对较低，随着我国经济的不断发展和人民生活水平的逐步提高，今后我国环境保护标准也必将会日趋严格。因此，袋式除尘器以及其极高的除尘效率和比静电除尘器更低的投资成本及运行费用，必将会在我国逐渐得到推广，最终在相当程度上取代静电除尘器。机械回转反吹袋滤器是目前应用最广泛的一种袋式除尘器, 特别适用于中小型尘源19。为此, 近几年来发展较快, 在结构上有各种改进, 开发出各种不同形式的除尘器, 其中主要的改进有：滤袋下部气流入口处设旋风圈, 避免入口含尘气流直接冲刷滤袋；反吹旋臂改为双肩( 或三肩) 形式, 自平衡性能好, 反吹喷嘴的前、后带拖板或仅带后拖板；反吹呈脉动型, 以加强清灰效果；采用步进定位喷吹, 以代替匀速回转反吹,可使每个滤袋的反吹时间从0. 5秒增加到35 秒；利用小部分反吹气流推动反吹旋臂, 取消减速机构；采用多种形式的上盖：平车揭盖、回转揭盖、分片揭盖等, 以及回转顶盖喷吹。目前这种除尘器过滤面积最大可达2000，滤袋袋长7m，此外还开发出了内滤式回转反吹袋滤器和双层圆袋回转反吹袋滤器20。1.4 研究内容和研究方法根据机械回转反吹袋滤器的CAD工程图，建立袋滤器内流体的计算模型。寻求计算机械回转反吹袋滤器流场和温度场合适的网格划分方法，理论模型的选择方法和数值计算方法。本课题以褐煤颗粒作为被分离的对象，研究袋滤器内温度场流场状态，模拟颗粒的运动轨迹，寻找各操作参数和结构形式对除尘效率和压力损失的影响，为生产使用中这种袋滤器结构的优化和改进奠定基础。本课题借助计算流体力学软件CFD，对机械回转反吹袋滤器除尘过程进行温度场和流场的数值模拟，具体实施方案如下：（1）根据机械回转反吹袋滤器的规格和工况条件，对模型进行分析并简化，在Gambit中建立模型并划分网格，设置合适的边界条件类型。（2）用Fluent软件读入网格文件，选择适当的流体模型、湍流模型，设定边界条件，进行求解运算。（3）分别对气相除尘过程、褐煤颗粒相除尘过程进行模拟，对后处理得到的云图、曲线图进行对比分析和研究。（4）改变袋滤器的操作参数和结构尺寸，分析对比结果。（5）研究褐煤颗粒的运动轨迹及各滤袋在不同条件下的流量分配系数情况。1.5 本文研究的意义目前袋式除尘器的主流清灰方式包括借助压缩空气的脉冲清灰及反吹式清灰，尽管脉冲清灰可以收到较好的清灰效果，但由于脉冲阀寿命较短，膜片容易破损，因此维修工作量大；需用压缩空气，受使用环境制约，而且压缩空气耗量大、带水等原因，都给脉冲清灰方式带来一定困难，而反吹清灰最大的优点是：设备内部没有任何精密部件、反吹风取自设备内部，温度平衡，所以现实使用中用户更喜欢使用反吹式清灰的袋式除尘器。本课题应用CFD计算软件Fluent对机械回转反吹袋滤器在工作时的温度场和流场进行数值模拟，用到传热学和流体力学领域的知识。由于有限元法计算精度高、适应性强、计算格式规范统一，有限元计算结果已经成为各类工业产品设计和性能评估的可靠依据，成为工程设计中不可缺少的一种重要方法。在大型结构应力应变分析、稳定性分析、传热分析、电磁场分析、流体分析等方面扮演着越来越重要的角色21。而本课题正是基于有限元软件的以上优点，应用于机械回转反吹袋滤器的温度场和流场数值模拟。通过研究，可以分析最优的内部结构参数，为解决减少阻力损失、提高除尘效率等问题提供理论依据。此外，可以更加全面的对机械回转反吹袋滤器内部的结构参数、性能特点做研究，为我国布袋除尘器行业的发展做贡献。-4-东北大学硕士学位论文 第2章 机械回转反吹袋滤器的求解模型第2章 机械回转反吹袋滤器的求解模型随着我国进入信息和科技时代，伴随着工业的迅猛发张，大气污染越来越严重。我国提出建设环境友好型社会，大气污染排放标准日益严格，对现行袋式除尘性能等方面提出了更高的要求。传统除尘器在很大程度上是根据设计人员的经验参数而设计，再由试验实际工作的参数进行检验并优化各参数，可能会造成许多由于设计参数的不合理而引起的涡流、回流以及内部压力场、速度场分布的不均匀，进而导致除尘效率的偏低和运行阻力偏大等问题。比如到目前尚无准确的理论计算公式计算袋式除尘器的过滤速度，主要靠经验值确定。近年来随着CFD技术的发展，为开发设计不同结构形式的设备提供了有利的工具，对工业设计和产品研发开拓了新的思路。对袋式除尘器数值模拟涉及气固两相流理论和多孔介质理论，数值模拟过程中对网格的划分和求解模型的选择尤为关键22。2.1 CFD概述计算流体力学英文名称简写为CFD（Computational Fluid Dynamics），它可以定义为一个系统，该系统分析了计算域中流体流动和热传导等一系列物理现象，并利用计算机来进行相关的数值计算与图像显示23。2.1.1 CFD基本思想与本质CFD是通过计算机进行数值模拟、分析流体流动和传热等物理现象的技术。通过CFD技术，我们可利用计算机分析并显示流场中的现象，从而能在较短的时间内预测流场温度场的情况。CFD模拟能帮助理解流体力学问题，为实验提供指导，为设计提供参考，从而节省人力物力24。根据流体力学知识，自然界所有的流动现象都可以用连续性方程（即质量守恒方程）和Navier-Stokes方程（即动量守恒方程）来描述25。这样，已知某一时刻流场的参数，将定义为初值，然后代入这两个方程中直接求解，即可求得任一时刻任一地点流场的参数。由于Navier-Stokes方程本质的非线性和边界条件难处理，所以求解Navier-Stokes方程非常困难。工程中，为了解决这个难题，将非稳态的Navier-Stokes方程对时间做平均处理，期望得到对时间做平均化的流场。但Navier-Stokes方程对时间做平均处理后，控制方程组并不封闭，因此需要人为构造额外的方程，使方程组封闭，这个构造额外方程的过程就是建立湍流封闭模式，即建立湍流模型过程。这样处理后的时均化的控制方程采用目前的计算机求解速度已可以接受，可应用于工程问题的计算。因此，CFD的本质就是解方程，针对具体的物理流动现象选用合适的模型，然后求解方程并得出速度场等结果。2.1.2 CFD发展CFD近20年来得到了飞跃的发展，其与计算物理、计算化学、计算力学一样，都是计算科学领域的学科26。在上世纪50年代，还没有出现今天所谓的CFD，直至1970年，在一些对称管道内部液体的流动形式上，CFD才有了初步的应用。不过由于当时的计算机内存及处理能力的有限，限制了CFD软件向复杂领域的发展。但随着科技水平的不断提高，计算机和算法都有了突破性的发展，刺激了CFD技术的快速发展。1990年以后，CFD终于突破二维领域进入到了真实的三维世界，航空航天领域的需求更加速了这一软件的发展，如今涉及流动的工业标准中就包含了不少CFD软件里有关三维流动的应用计算程序。尤其是在高速飞行器的设计上，CFD已经成为不可或缺的工具之一。且对于大型设备的设计者而言，通过CFD软件对初步设计方案进行分析、优化，以预测设备的使用效果，减少不必要的投资，降低设计成本有着重要的作用27。2.1.3 CFD应用领域CFD应用如今已遍及航空航天、船舶、能源、石油、化工、机械、制造、生物、汽车、水处理、火山安全、冶金环境等众多领域。从高层建筑结构到微电机散热，从发动机、风扇、涡轮、燃烧室等旋转机械到整机外流气动分析，可以认为只要有流动存在的场合，都可以利用计算CFD技术进行分析。随着CFD技术的成熟以及计算机速度的提升，目前除尘领域应用CFD技术最多也最成熟的是旋风除尘器温度场和流场的研究，对其它除尘器的研究相对较少。袋式除尘器结构简单，除尘效率高，以滤料等多孔介质为过滤介质，进行粉尘收集，过滤过程涉及多孔介质理论和渗流动力学，过滤过程本身就是个世界性难题28，所以对袋式除尘器内温度场和流场的数值模拟，CFD软件还不能完全适用于解决过滤的所有问题。而多孔介质模型和多孔跳跃介质模型是提出的比较适合过滤的模型，尤其是多孔跳跃介质模型是多孔介质模型的一维简化，具有更好的鲁棒性和收敛性，用来模拟袋式除尘器内温度场、流场，与试验结果对比具有一定的可靠性，可以达到工程上的应用要求。2.2 Fluent软件简介Fluent是用来模拟具有复杂外形的流体流动以及热传导的计算机程序。它提供了完全的网格灵活性，用户可以使用非结构网格和混合型非结构网格，也允许用户根据解的具体情况对网格进行修改。Fluent是用C语言编写的，因此具有很大的灵活性，处于世界领先地位，它的非结构网格减少了划分网格占用的时间，在航空航天、机械，汽车设计、化工等众多流体及其相关领域有着广泛的应用29。此外，Fluent包含了丰富的计算方法及多重网格加速收敛技术，能够获得较好的收敛速度及计算精度。它设计的流体模拟软件可以针对不同的工业背景，应用范围更为广阔。CFD解决实际问题一般分为3步：前处理、求解、后处理。下面对这3个过程进行简单阐述：（1）前处理：前处理的目的是将具体问题转化为求解器可以接受的形式，这里求解器可以接受的形式就是计算域和网格。在前处理器过程中，此文采用了Gambit这款前处理软件。Gambit可以帮助设计人员建立相对简单的几何计算模型，然后对模型划分网格。可以生成Fluent计算的网格，也能划分CAE软件的网格。网格，即对计算域划分的计算单元。网格的数目和质量对求解过程有着重要的影响。网格的数目应该够多，以确保能合理描述流动过程；网格的数目也不应过多，以免浪费计算资源。在网格的质量方面，应该尽量使用结构化网格。Gambit中的TGrid和Filters（translators）是独立于Fluent的前处理器，TGrid能够把原有的边界网格生成体网格，而Filters能够把其它软件生成的网格转换成Fluent识别的计算网格，Gambit能够处理ANSYS、I-DEAS、NASTRAN、Pro/e等大型三维软件建立的模型。对计算域划分好网格后，就可定义边界条件，边界条件定义好后便可以输出求解器所需要的Mesh文件，这样就顺利地完成了前处理过程。（2）求解：求解器读取之前前处理生成的文件后，应首先检查该文件的网格质量是否符合求解器的要求，网格是否出现负体积。网格没有问题，可以检查计算域单位，设置好各种模型和参数，同时还可以具体设置计算域的边界条件，然后设置压力与速度耦合方式、离散格式、欠松弛因子，最后对计算域进行初始化，并设置关键位置的监测点，就可以开始进行迭代计算了。这个过程是计算流体力学的核心。依据不同的专业背景，选用不同类型的求解器。此次选用Fluent6.3.26求解器。Fluent6.3.26是用于计算结构与非结构化网格的通用求解器，支持并行计算，分为单精度和双精度两种。（3）后处理：后处理即对已经计算收敛的结果继续处理，直到得到直观清晰的、便于交流的数据和图表。后处理可以利用商业求解器自带的功能进行，如求解器Fluent自身就带有较为完善的后处理功能。可以获得计算结果的等值线图、矢量图、各个轴向的散点图、粒子的轨迹图、动画等。还能将输出文件导入其它专业的后处理软件完成，如常用的Tecplot、origin和EnSight等30,31。2.3 控制方程和求解技术从本质上讲，计算流体力学就是求解流体动力学控制方程的解。在物理学中，众所周知，能量是守恒的，既不能凭空产生，也不能凭空消失；那么，流体动力学控制方程就是自然界里守恒定律在物理学中具体的数学表达式。在CFD技术中，控制方程遵守流体质量守恒、动量守恒（牛顿第二定律）以及能量守恒（热力学第一定律），具体的控制求解方程是连续性方程、动量方程和能量方程。2.3.1 基本控制方程（1）连续性方程32,33流体流动的质量守恒定律，就是物质既不能被创造也不能被消灭。在流场中任取一封闭的空间，此空间称为控制体，其表面称为控制面。流体通过控制面流入控制体，同时也会通过另一部分控制面流出控制体，在这期间控制体内部的流体质量也会发生变化。按照质量守恒定律，流入的质量与流出的质量之差，应该等于控制体内部流体质量的增量，由此可导出流体流动连续性方程的积分形式为：（2.1）式中，表示控制体，表示控制面。等式左边第一项表示控制体内部质量的增量；第二部分表示通过控制表面流入控制体的净通量。根据数学中的高斯公式，在直角坐标系下可将其化为微分形式如下：（2.2）对于不可压缩均质流体，密度为常数，则有：（2.3）对于圆柱坐标系，其形式为：（2.4）对于不可压缩均质流体，密度为常数，则有：（2.5）（2）动量方程32,33根据牛顿第二定律，推导出来的描述流体流动的动量守恒原则，也就是我们所熟悉的Navier-Stokes方程。黏性流体的运动方程首先由Navier在1827年提出，只考虑了不可压缩流体的流动。Poisson在1831年提出可压缩流体的运动方程。Saint-Venant在1843年，Stokes在1845年独立地提出黏性系数为一常数的形式，就是Navier-Stokes方程，简称N-S方程。适用于可压缩黏性流体的运动方程：（2.6）（2.7）（2.8）黏性系数为常数，不随坐标位置而变化条件下的矢量形式：（2.9）流体的密度和黏性系数都是常数条件下的矢量形式：（2.10）理想流体的运动方程Euler方程若不考虑流体的黏性，则由上式可得理想流体的运动方程Euler方程如下：（2.11）（2.12）（2.13）在大量的数值模拟结果下，N-S方程可以准确地描述流体的流动；归结到底，其实流体的流动分析是对此方程的研究，所有的流体流动问题，都是围绕着对N-S方程的求解进行的。（3）能量方程34能量守恒方程是从热力学第一定律推导出来的：能量随时间的变化率=热量净增加量+净做功量（2.14）上式物理意义为：流体机械能的变化率等于流体吸收热量的变化率和流体做功变化率的总和。流体的能量通常是内能、动能和势能三项之和，对于能量而言，我们可以建立守恒方程，但建立的方程并不是很好用，一般是从中扣除动能的变化，从而得到关于内能的守恒方程。然而我们了解到，内能与温度之间存在一定关系，即，其中是比热容。这样我们得到以温度T为变量的能量守恒方程，其数学表达式如下：（2.15）其中，是比热容，为温度，为传热系数，为流体的内热源及由于粘性作用流体机械能转换为热能的部分，有时简称为粘性耗散项。能量方程在Fluent中的定义如下：（2.16）其中，为有效热导率(，其中为湍流引起的导热率，由计算中使用的模型确定)，为组分的扩散通量。方程2.16右边的前三项分别表示热传导、组分扩散、粘性耗散而引起的能量转移。包含化学反应放（吸）热以及任何其它由用户定义的体积热源。方程2.16中：（2.17）其中，显焓的定义：对于理想气体：（2.18）对于不可压流体：（2.19）方程2.19中，为组分的质量分数：（2.20）式中，为参考温度。2.3.2 CFD求解技术计算流体力学求解过程包括两步：第一步将偏微分方程及其辅助（边界和初始）条件转换为离散代数方程组，也就是我们熟悉的离散阶段；第二步是用数值方法来求解代数方程组。（1）控制方程离散我们是用偏微分基本方程来描述流体流动及传热等抽象物理问题的，想要得到它们的解析解或者近似解析解，在绝大多数情况下都是非常困难的，甚至是不可能的。因此，离散化的目的就是将连续的偏微分方程组及其定解条件按照某种方法遵循特定的规则在计算区域的离散网格上转化为代数方程组，以得到连续系统的离散数值逼近解。目前CFD技术主要采用的离散方法是：有限差分法和有限体积法；本文应用的Fluent软件，采用有限体积法将非线性偏微分方程转变为网格单元上的线性代数方程，然后通过求解线性方程组得出流场的解。有限体积法可以直接对物理空间内守恒方程的积分形式进行离散，该方法最初是由McDonald（1971）、MacCormack与Paullay（1972）提出的，用来