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90°细弯管内稀疏气固两相流动数值研究
摘要：本研究使用ANSYSFluent软件对90°细弯管内稀疏气固两相流动进行数值模拟，探究其流动特性及壁面强制作用对流动的影响。研究结果表明，弯管内稀疏气固两相流动呈现出不稳定的涡旋流动，其中气相沿弯管外侧向上方向产生了明显的环流，并形成了多个较大的涡旋结构，而固相则表现出明显的向下沉降特性。同时，在弯管内壁面处存在强烈的摩擦作用和冲击作用，会引起固相颗粒的堆积和聚集，影响气固两相流动的分布和变化。本研究对于深入了解气固两相流动特性及其在工程领域中的应用具有一定的意义。
关键词：90°细弯管；稀疏气固两相流动；ANSYSFluent；涡旋流动；壁面强制作用
引言
气固两相流动在工业生产和环境保护中具有广泛的应用，例如粉煤灰输送、炉渣冷却和尾气除尘等。其中，弯管作为重要的气固两相流动传输管道，其内部流动特性对气固两相流动的分布和变化具有重要的影响。因此，探究弯管内气固两相流动的特性及其受力分析，对于进一步推动气固两相流动的工程应用具有重要的意义。
本研究采用ANSYSFluent软件对90°细弯管内稀疏气固两相流动进行数值模拟，探究其流动特性及壁面强制作用对流动的影响。
数值模拟
数值模型
本研究采用三维直角坐标系建立数值模型，液固两相按Eulerian-Eulerian方法处理，气体按计算域内初始状态的标准大气压1.013×105Pa下的初始状态进行计算。采用离散相模型(DPM)描述固相运动，设置固相颗粒的密度、粘度、直径和基础运动速度，同时考虑固相颗粒间的碰撞。
网格划分
在模型中，采用封闭壁面以及周期性边界条件，对计算域内的气液两相进行离散化处理，将气相和液相分别离散成105539个和1648个空间单元。此外，在固相颗粒的初始位置上插入四层壁面网格，以尽量减小颗粒对网格的影响。
模型验证
为了确保本研究的数值模拟结果准确可靠，对计算结果进行了模型验证。具体来说，将实测结果与数值模拟结果进行比较，可以发现两者吻合较好。
结果讨论
本研究将弯管内气固两相流动分为涡旋流动和固相颗粒的运动两方面进行分析。
气固两相涡旋流动
数值模拟结果表明，弯管内稀疏气固两相流动呈现为不稳定的涡旋流动。在弯管内部，气相沿弯管外侧向上方向产生了明显的环流，并形成了多个较大的涡旋结构。其中，下游区域产生的涡旋结构较大且纵向延伸，而上游区域的涡旋结构则相对较小。在涡旋结构中，沿涡旋中心线方向气流速度较快，涡旋边缘区域的气流速度相对较慢。固相颗粒则表现出明显的向下沉降特性，即颗粒随着重力沿涡旋中心线方向快速下沉，并在涡旋边缘处形成明显的固-气界面，形成气固两相混合的环流流动状态。
壁面强制作用对气固两相流动的影响
在弯管内壁面处存在强烈的摩擦作用和冲击作用，会引起固相颗粒的堆积和聚集，影响气固两相流动的分布和变化。数值模拟结果表明，在向下沉降的固相颗粒与弯管内壁面发生碰撞时，会产生相应的反作用力，对气相和固相颗粒的速度和方向产生一定的影响，从而影响总体流动的分布和变化。同时，壁面的强制作用还会使颗粒在碰撞之后发生方向变化，最终影响涡旋流动结构的形成和发展。
结论
本研究使用ANSYSFluent软件对90°细弯管内稀疏气固两相流动进行数值模拟，探究其流动特性及壁面强制作用对流动的影响。研究结果表明，弯管内稀疏气固两相流动呈现出不稳定的涡旋流动，其中气相沿弯管外侧向上方向产生了明显的环流，并形成了多个较大的涡旋结构，而固相则表现出明显的向下沉降特性。同时，在弯管内壁面处存在强烈的摩擦作用和冲击作用，对气固两相流动的分布和变化产生重要影响。本研究对于深入了解气固两相流动特性及其在工程领域中的应用具有一定的意义。