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旋风分离式集沙仪数值模拟与优化设计

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摘要

1 引言

1.1 研究背景

1.2 集沙仪研究概况

1.3 存在问题

1.4 研究内容和意义

1.4.1 研究内容

1.4.2 研究意义

2 旋风分离式集沙仪数值计算模型

2.1 Fluent软件简介

2.2 ANSYS ICEM CFD简介

2.3 数理模型

2.3.1 标准k-ε模型

2.3.2 RNG k-ε模型

2.3.3 雷诺应力模型

2.3.4 旋风分离器分离机理探究

2.4 旋风分离式集沙仪结构及网格划分

2.4.1 旋风分离式集沙仪结构的确定

2.4.2 旋风分离式集沙仪网格划分

2.5 小结

3 旋风分离式集沙仪气相数值模拟

3.1 边界条件的选定

3.2 加快收敛过程

3.3 旋风分离式集沙仪的气相模拟

3.4 旋风分离式集沙仪压降研究

3.5 小结

4 旋风分离式集沙仪的性能试验研究

4.1 旋风分离式集沙仪工作原理

4.2 主要试验仪器设备

4.3 试验内容与方法

4.4 实验结果与分析

4.5 小结

5 旋风分离式集沙仪的优化设计

5.1 三种不同结构旋风分离式集沙仪的数值模拟

5.2 目标函数的确定

5.3 小结

6 结论

7 建议

致谢

参考文献

作者简介

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摘要

旋风分离式集沙仪有助于了解风蚀等风沙运动规律。国内外对集沙仪,研究主要集中在风洞试验、野外试验。随着有限元方法的发展与进步,本文主要运用Fluent软件以及ANSYS Workbench软件,对旋风分离式集沙仪内部流场进行数值模拟,分析其工作时的原理,以及气体(空气)进入到旋风分离式集沙仪后的运动规律,提出改进方案,提高集沙效率。
  经分析得到以下结论:采用RNG k-ε模型和雷诺应力模型对旋风分离式集沙仪进行数值模拟,可以真实形象的展示气相的运动情况,观察到“短路流”和“二次流”的存在。同时,对三种不同结构参数的旋风分离式集沙仪进行室内风洞试验,得出结构参数筒体直径50mm;锥体段高度125mm的旋风分离式集沙仪第一层集沙量最多,具有较好的分离性能并运用Fluent软件对三种不同结构参数的旋风分离式集沙仪进行数值模拟,得出结构参数D=50; HC=125旋风分离式集沙仪集沙盒底部的最大湍动能为0.99 m2/s2,集沙盒内的最大切向速度为8.17m/s,集沙盒底部最大向上轴向速度为1.48m/s。最后,通过数值模拟与试验相结合,确定降低集沙盒底部向上的轴向速度、切向速度和湍动能为目标函数。改进旋风分离式集沙仪集沙盒的直管长度,选取选择直管长度为16mm的集沙盒,可以降低集沙盒底部的湍动能和向上的轴向速度。理论上可以提高旋风分离式集沙仪的集沙量,从而提高集沙仪的集沙效率。

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