CN107391845A - 一种烟草除杂装置流场的数值模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种烟草除杂装置流场的数值模拟方法，包括：三维绘图软件creo 3.0构建烟草除杂装置腔体的物理模型且划分网格，并设置模型的边界条件；该物理模型包括气流通道、气流进口、光板、第一气流出口、第二气流出口、托带板，气流通道设置于托带板上方，光板设置于气流通道内，气流进口设置于气流通道侧壁上且位于光板上方，第一气流出口和第二气流出口分别位于托带板两侧；将划分网格的模型导入fluent软件中，基于多孔介质模型在动量方程中增加源项来模拟模型中多孔区域对流场的影响；对划分网格的模型求解获得气流流动特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种流体计算技术，特别是一种烟草除杂装置流场数的值模拟方法。
背景技术
烟草异物剔除装置是专门用于复烤企业进行烟草生产中在线实时检测烟草中杂物的系统。杂物问题困扰烟草企业，不仅严重影响卷烟产品的内在质量，还会酿成设备事故，因此通常需要对烟叶进行除杂处理。唐向阳在《异物剔除机物料稳定系统的流场CAE分析》一文中公开了一种异物剔除机物料系统的流场分析，但是该装置不设有均风板。王华在《烟草除杂机均风板均风效果数值模拟》一文中公开了一种烟草除杂机的流场的数值模拟方法，该装置虽然设有均分板，但采用的是传统算法，划分的非结构网格模型进行的计算，网格数量达到6071032，计算起来困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种烟草除杂装置流场数的值模拟方法，简化了所构建的模型，计算结果更为准确，大大减少了计算机的计算量。
实现本发明目的的技术方案为：一种烟草除杂装置流场的数值模拟方法，包括以下步骤：
三维绘图软件creo 3.0构建烟草除杂装置腔体的物理模型且划分网格，并设置模型的边界条件；该物理模型包括气流通道、气流进口、光板、第一气流出口、第二气流出口、托带板，气流通道设置于托带板上方，光板设置于气流通道内，气流进口设置于气流通道侧壁上且位于光板上方，第一气流出口和第二气流出口分别位于托带板两侧；
将划分网格的模型导入fluent软件中，基于多孔介质模型在动量方程中增加源项来模拟模型中多孔区域对流场的影响；
对划分网格的模型求解获得气流流动特性。
本发明采用多孔介质模型对烟草除杂装置的流场特性进行数值模拟，分析了多孔介质模型下流场内速度的分布特性，对模型进行了简化，与未简化对的模型划分网格数量在六百万至八百万之间相比，而本发明简化后的网格数量为1015800，节省了存储内存和计算资源。
下面结合说明书附图对本发明做进一步描述。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
图2为未简化模型的立体示意图。
图3为未简化模型的侧视图。
图4为本发明简化后模型示意图。
图5为装置的非结构网格模型示意图。
图6为装置的结构网格模型示意图。
图7为烟草除杂装置在不加均风板的情况下的数值模拟效果示意图。
图8为烟草除杂装置在应用多孔介质模型的情况下的数值模拟效果示意图。
具体实施方式
多孔介质模型是利用fluent中的一种求解模型，利用两个参数：粘性参数和惯性参数来代替原来的均风板的效果，与一般直接的数值模拟方法相比较，应用多孔介质模型计算的网格数量大大减小，且都是结构化的六面体网格，计算结果更为准确，大大减少了计算机的计算量。
本发明基于多孔介质模型提出了一种烟草除杂装置流场的数值模拟方法，结合图1，本方法包括以下步骤：
步骤1，基于三维绘图软件creo 3.0构建烟草除杂装置腔体的物理模型且划分网格，并设置模型的边界条件；
步骤2，将划分网格的模型导入fluent软件中，基于多孔介质模型在动量方程中增加源项来模拟模型中多孔区域对流场的影响；
步骤3，对划分网格的模型求解获得气流流动特性。
网格质量对于数值计算的正确和稳定起着非常重要的作用，非结构网格质量要求质量至少在0.3以上，而结构化网格要求质量至少在0.5以上。一般来说，结构网格的计算结果比非结构网格的网格更容易收敛，也更准确，虽然非结构网格划分起来更加简单，但是数量太多，不利于计算机存储数据和加快计算速度。
步骤1中原模型由于均风板上大量孔系的存在，结构网格网格划分十分困难，因此对原模型网格采取非结构网格，模型导入到workbench中完成非结构网格的划分，网格数量达到了7089000，网格质量为0.36以上。将原模型导入到ICEM CFD软件中，导入到ICEM CFD进行结构网格的划分，网格数量为1015800，网格质量为0.7以上。
未简化前的模型如图2、3所示，包括后板1、右侧板2、均风板3、托带板4、左侧板5、进气管道6、前板7、加速板8，结构复杂且冗余，如果按照该模型进行网格划分，网格数量为7890000个。而步骤1中对模型进行简化，将冗余的板块全部去掉，同时将均风板的孔系全部去掉，代之以一块光板替代，简化后的模型如图4所示，包括气流通道15、气流进口11、光板14、第一气流出口13、第二气流出口12、托带板16，气流通道15设置于托带板4上方，光板14设置于气流通道15内，气流进口11设置于气流通道15侧壁上且位于光板14上方，第一气流出口13和第二气流出口12分别位于托带板16两侧。再划分简化后模型的结构化六面体网格，网格数量为1058100。
边界条件与初始值一起被称为定解条件，只有在边界条件和初始条件确定后，流场才有解，而且是唯一的解。Fluent的初始条件是在初始化过程中完成的，边界条件则需要单独进行设定。本模型先在ICEM CFD中进行PART的设定，边界条件直接在fluent中进行设定：：气体入口6设置为速度入口，气体出口1设置为压力出口，出口2设置成压力出口，多孔域3与两端流体域间的上下出入口设置为内部边界interior，同时设定初始值。
步骤2中将划分网格的模型导入fluent软件中，对fluent软件进行设置，包括：
(1)湍流模型选用K-epsilon模型；
(2)采用基于压力求解器和simple算法；
(3)对流项差分格式选用二阶格式；
(4)在多孔域porous选中porous zone与laminar复选框，并在porous zone标签下用经验公式推导穿过均风板的粘性力参数和惯性力参数；
(5)设置边界条件初始值；
(6)设置迭代步数和收敛精度，当流场中残差小于10-3时认为收敛。
设置多孔介质模型中参数：
(1)用经验公式推导穿过均风板的流动参数：
(2)用Van Winkle方程计算均风板上压强的损失。该方程适用于呈等距分布的均风板的湍流计算，具体形式如下：
将带入上式，并除以板厚t得到：
式中为通过板的质量流量，Af为孔的总面积，Ap板的总面积(固体与孔的和)，D/t孔直径与板厚之比，C是随雷诺数和D/t变化的系数，其值可以通过查表获得。D/t>1.6，且Re>4000时，C近似等于0.98，其中雷诺数是用孔的直径做特征长，孔中流体的速度做特征速度求出的。
fluent软件对模型进行求解所建立的气流流动特性控制方程组包括：
(1)连续性方程
(2)一般求解模型的动量方程
其中，xk、xi表示不同方向，μk、μi表示不同方向的流速，ρ密度，μ流体速度，p压强；
(3)多孔介质模型的动量方程具有附加的动量源项
其中是si是i向(x,y,orz)动量源项，D和C分别是粘性阻力和惯性损失系数矩阵。
而对于简单的均匀多孔介质：
其中α是渗透性，C2是惯性阻力系数，简单的指定D和C分别为对角阵和C2，其它项为零。
步骤3中对于多孔介质流动，fluent仍然解标准能量输运方程，只是修改了传导流量和过度项。在多孔介质中，传导流量使用有效传导系数，过渡项包括了介质固体区域的热惯量：
其中：
hf为流体的焓，hs为固体介质的焓，φ为介质的多孔性，keff为介质的有效热传导系数，为流体焓的源项，为固体焓的源项。
将模型开始在fluent中开始迭代求解，从气流速度的大小、方向分布进行分析，分析应用多孔介质模型求解的效果。
实施例
步骤一，通过三维绘图软件creo 3.0建立烟草除杂装置腔体的物理模型，通过ICEM CFD简化模型并划分网格，设置模型的边界条件，其中，物理模型的尺寸与工厂实验烟草除杂装置相同。
其中，烟草除杂装置模型如图1所示，设置了一个进口，两个出口。进口直径为d＝136mm，模型腔体总长L＝2650mm，高H＝730mm，宽B＝960mm，均风板板厚t＝2mm，板长l＝962mm，板宽b＝162mm,孔径d＝6mm，孔数量为17*102个。除杂过程中，气流由进口管处进来，经过加速板的加速，进入到输送带段。
步骤二，将划分好的网格模型导入fluent软件中，在fluent设置求解模型，并应用多孔介质模型，通过在动量方程中增加源项来模拟模型中多孔区域对流场的影响。
步骤三，在fluent软件中计算求解模型。对烟草除杂装置中的多孔区域应用多孔介质模型，通过对烟草除杂装置数值模拟，得到装置内部的流场分布，为烟草除杂装置的改进和应用提供参考。
通过上述流程的建模和设置，将模型开始在fluent中迭代计算，迭代1000次。计算结果如图7、图8。从图7可以看出，在不加均风板计算的情况下，气流从进口进入在加速板之前有较大的涡流，整个系统会有较大的能量消耗，造成进风速度大小降低，速度方向混乱，出口处的速度两边有不均的现像，这就会导致烟草两边速度不均，出现翻滚跳动的情况，影响除杂效率；从图8可以看出，加了多孔介质模型之后，涡流基本消失，出口处速度也基本均匀，实际生产实验中，均分板就是起到了这样一种均风效果。
Claims (6)
1.一种烟草除杂装置流场的数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
基于三维绘图软件creo 3.0构建烟草除杂装置腔体的物理模型且划分网格，并设置模型的边界条件；该物理模型包括气流通道(15)、气流进口(11)、光板(14)、第一气流出口(13)、第二气流出口(12)、托带板(16)，气流通道(15)设置于托带板(4)上方，光板(14)设置于气流通道(15)内，气流进口(11)设置于气流通道(15)侧壁上且位于光板(14)上方，第一气流出口(13)和第二气流出口(12)分别位于托带板(16)两侧；
将划分网格的模型导入fluent软件中，基于多孔介质模型在动量方程中增加源项来模拟模型中多孔区域对流场的影响；
对划分网格的模型求解获得气流流动特性。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，模型的边界条件设置为气流进口(11)为速度入口，第一气流出口(13)和第二气流出口(12)设置为压力出口，光板(14)与两端流体域间的上下出入口设置为内部边界interior。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，求解前对fluent软件进行设置，包括：
(1)湍流模型选用K-epsilon模型；
(2)采用基于压力求解器和simple算法；
(3)对流项差分格式选用二阶格式；
(4)在多孔域porous选中porous zone与laminar复选框，并在porous zone标签下用经验公式推导穿过均风板的粘性力参数和惯性力参数；
(5)设置边界条件初始值；
(6)设置迭代步数和收敛精度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，求解前设置多孔介质模型参数，包括
(1)穿过光板板的流动参数；
(2)用Van Winkle方程计算均风板上压强的损失。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气流流动特性控制方程组包括
(1)连续性方程：
(2)动量方程：
(3)动量方程具有附加的动量源项：
其中，xk、xi表示不同方向，μk、μi表示不同方向的流速，ρ密度，μ流体速度，p压强，f为单位体积质量流体微团上的体积力，si是i向动量源项，D和C分别是粘性阻力和惯性损失系数矩阵。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，fluent软件采用解标准能量输运方程的方法对划分网格的模型进行求解，但修改了传导流量和过度项；其中
传导流量使用有效传导系数；
过渡项包括了介质固体区域的热惯量：
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| CN108228963A (zh) * | 2017-11-29 | 2018-06-29 | 河南科技大学 | 一种烟叶烤机内部流场分析与调整方法 |
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| CN109580433A (zh) * | 2018-10-26 | 2019-04-05 | 中国辐射防护研究院 | 一种常规爆炸放射性气溶胶扩散的源项估算方法 |
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