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【摘 要】介绍了研究太阳能污泥干化室风流场的重要性，提出基于Fluent软件的RANS法的RNG k-epsilon湍流模型，建立单个风机和群机的局部对称模型模拟干化室近地面流场速度特征，结合物模试验和原型观测对模型的计算结果进行了对比验证，最后提出了比较合理的风机布置方案。
【关键词】风机；湍流模型；风流场；污泥干化
0.前言
污泥热风射流干化作为一种新型的污泥干化技术，结合了传统的污泥干化手段，利用太阳辐射热能和射流技术对污泥进行批量干化处理，在提高干化效率的同时减少了能耗。由于太阳能利用的限制性，干化室内部风流场的控制研究就显得尤为重要。目前关于气流组织形态研究的主要方法是基于CFD软件的数值模拟，它具有成本低，精度高，适用范围广等优点，传统的理论分析和模型试验因为自身的局限性逐渐成为辅助验证的手段。因此，本文结合流体力学等相关理论知识基于Fluent软件对太阳能干化室内部风流场进行了数值模拟，并进行了相关模型试验和原型观测作为对比验证。
1.风流场特性研究方法
太阳能干化室内，风机架设在空间中上部垂直向污泥表面送风，送风口断面为的正方形，气体出流认为是具有一定速度的均匀射流。由于送风口距离干化室地面的流程较短，而射流流速较大，所以气体射流的扩散主要受到垂直速度方向的地面边界影响，认为属于非贴附型高雷诺数受限对称紊动射流。风机频率恒定时射流充分发展后的干化室内部空间气流是处于稳定态的湍流。
太阳能干化室内风机布置方式的不同将显著影响风流场的特性，在干化室尺寸确定的情况下，改变风机的高度、频率、出风口面积以及排列方式均会对风流场的组织形态产生影响，而实际应用中近污泥面的表面流速状态是具有研究价值的。
1.1建立湍流模型
目前湍流的数值模拟方法主要有三种：直接数值模拟（DNS），雷平均NS方程（RANS）和大涡模拟（LES）。综合考虑下选用RANS法的RNG k-epsilon三维湍流模型，该模型由标准k-epsilon模型变化而来，具有更广的适用性和可靠度。在不显著影响计算结果的前提下作如下接近实际情况的假设：
（1）干化室内部为不可压缩气体并符合Boussinessq假设，内部气密性良好。
（2）充分发展后的空间内风流场为稳定态湍流，气体各向同性。
（3）气体流速较低，风流场具有高雷诺数。
（4）不考虑能量耗散。
风流场的湍流模型包括单机和群机的局部对称模型，模型尺寸均按照实际尺寸建立。
1.2物模及原型观测
计算得到单台风机的垂直辐射面积约33平方米，按1：1比例建立6×6×4m单风机局部物理模型，采用LVFSC-11光电式风速传感器的风杯风速仪沿风机中心水平发散方向布置测点，变换频率、高度进行近地面风速特征值测定。原型观测为干化室现场的近地面风速特征值测定。
2.数值模拟结果及分析
本文将单风机物理模型测得的近地面风速数据与数值模拟相同工况下计算得到的风速数据进行比较，如下图所示：
图 1 出风口速度5m/s时近地面风速值
可以看出，模型试验数据与数值模拟计算的结果是比较一致的，在水平距离风机中心约1.0m处风速达到峰值，符合的比较好，因此认为数值计算的结果是具有可信度的。
改变影响风流场的各类条件进行单机湍流模型的数值计算，结果表明：
（1）风机频率越高，即转速越大，风机的风速相应也越大，此时近地面风速的峰值呈线性递增，峰值位置不变。
（2）风机高度的变化对近地面风速的大小和分布形态基本无影响，根据自由射流相关理论解释为出风口距离地面较近，风速较大时，射流发展位于起始段，该段过程中卷吸周围空气导致速度衰减的变化量很小，因此射流冲击地面辐散后的表面流速无显著变化。
（3）风机出风口面积对于近地面风速影响较大，且出风口面积相对于干化室有效断面面积较小时，速度峰值会显著减小，而超过某个比例后则基本不增加，因此在保证近地面风速较大的情况下，出风口面积尽量减小是比较合理的选择。另外，出风口面积的增大会导致峰值位置远离风机中心。
与单机模型类似，将原型观测数据与群机湍流数值模拟的计算结果进行比较，结果吻合的较好。群机湍流模型主要研究风机的不同布置方式对近地面风速的影响。理想条件下单个风机对于近地面的风流场辐射范围必定是以射流方向为轴旋转对称，呈圆形断面向外发散，所以可以认为干化室内风机的有效影响面为直径相同的圆，有效面积指的是不小于某一近地面风速最小值的最大圆面积，这样才能够使得污泥干化充分。另一方面，相邻风机的有效圆接触的部分风速必然受影响并减小，所以最合理最高效的风机布置方式应该是正三角形排布，这样既能保证有效圆覆盖的污泥面积最大，并且风流场之间的相互抵消作用最小，减少能耗并提高干化污泥的产量。
利用群机湍流模型模拟了不同正三角形边长情况下近地面的风速分布情况，研究表明在风机频率、高度和出风口面积一定时，正三角形边长为6m左右时布置风机得到的近地面风流场是比较好的。近地面速度等值线图如下：
图 2 风机中心距6m时近地面风速等值线图
图2中给出了一张风机风速5m/s时具有代表性近地面风速等值线图，中心浅色的圆圈是风机中心的垂直投影，辐射半径不到0.5m，此处风速受壁面影响很大，风速在1.0m/s左右波动。向外发展的环形区域风速较大，影响半径范围在0.5-2.9m左右，速度域在2-3.2m/s，该环形区域对于污泥干化的加速效果是十分明显的。同时相邻风机间的风流场抵消影响也降到了令人满意的程度。所以这种形式的风机布置方式得到了理论和数值验证的有力支持，对提高干化效率有很大帮助。
4.结语
本文对污泥太阳能干化室的风流场特性研究主要体现在近地面风流场的影响控制，利用Fluent计算软件建立湍流模型解算不同工况，并结合物模试验和原型观测数据加以验证，期望找到风机的最优设置及群机最优布置方式用于提高污泥的整体干化效率，并提出了较为可靠的布置方案。而对于干化室大空间内湍流发展情况的进一步研究也是十分必要的，在考虑能量耗散的情况下，空间温度场和湿度场的分布对于污泥干化的影响也十分显著，此时空间内风流场的特性研究会比那得更为复杂，需要我们进行更为深入的探究。 [科]
【参考文献】
[1]李先庭，赵彬.室内空气流动数值模拟[M].北京：机械工业出版社.
[2]周沛丽.运用Fluent对室内气流组织的模拟研究[D].华南理工大学，2005.
[3]王汉青.高大空间多射流湍流场的大涡数值模拟研究[D].湖南大学，2003.
[4]张华.室内受限射流通风流场理论分析与求解[D].西安建筑科技大学，2011.
[5]任艳丽.高大空间气流组织数值模拟与试验研究[D].天津大学，2008.
[6]冯慧.非等温水平贴附射流数值模拟[D].西安建筑科技大学，2007.
[7]蒋悦波.分体式空调室外机周围热环境研究[D].天津商业大学，2013.
[8]熊莉芳，林源等.k-epsilon湍流模型及其在Fluent软件中的应用[J].工业加热，2007.