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气体离心机供料射流的DSMC模拟

作者: 2013年07月22日 来源: 浏览量:
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姜东君,曾 实 (清华大学工程物理系,北京 100084) 摘要:为研究气体离心机中供料射流对环流的影响,采用直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法对径向射流的流动结构进行模拟。通过选择适当的边界条件和分子

姜东君,曾 实
(清华大学工程物理系,北京 100084)


    摘要:为研究气体离心机中供料射流对环流的影响,采用直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法对径向射流的流动结构进行模拟。通过选择适当的边界条件和分子碰撞模型,得到了不同供料条件下的二维径向供料射流的流动分布图像,捕捉到了供料射流的波系结构,获得了流动参数分布。对计算结果分析可知:在靠近径向外边界处,流动参数存在明显的峰;供料气体速度越高,对离心机内部流场影响越大;除速度、密度、压强等流动参数外,供料射流对温度分布也有较大影响,出流边界处的温度可升至平均温度的两倍左右,对离心机分离性能有较大影响。
    关键词:气体离心机;供料射流;DSMC;数值模拟
    中图分类号:O35   文献标志码:A   文章编号:1000-6931(2011)04-0398-04
    气体离心机是一个高速旋转的中空圆柱体,其中的同位素混合物在强大的离心力作用下得到分离。径向上气体的压强和密度服从如下分布[1]:
              
    其中:pw和ρw为气体介质在转子侧壁处(r=ra)的压强和密度;ra为转子半径;T为离心机内气体的平均温度。
    按照Knudsen数的大小,离心机内的流动可分为粘性流、过渡流、自由分子流等3个流区。对离心机的分离效果影响较大的是粘性流区,通常需求解由Navier-Stokes方程简化得到的离心机流体动力学方程组。由于连续流假设不成立,此方法缺陷是无法模拟中心区域(包括自由分子流和过渡区)内的流动,因此无法准确考虑供料射流对离心机环流的影响。为解决这个问题,必须对供料射流的流动结构进行研究。国内外均有学者采用CFD方法[2-4]和DSMC(Direct Simulation Monte-Carlo)方法[5]进行过研究,但不同供料条件下供料射流结构的变化规律仍不清楚,需进一步研究。
    本文采用DSMC方法,对强旋条件下的二维供料射流进行模拟,得到径向供料射流的流动分布,为探索离心机的供料驱动机理打下基础。
    1 计算模型
    计算中采用Iguassu模型离心机[6],其参数列于表1。
              
    计算中采用径向供料模型,气体介质通过供料管沿径向射入离心机内部,与离心机内的气体相互作用。选取供料口附近区域作为计算域,计算模型如图1所示。其中,r为径向,z为轴向。
              
    2 DSMC方法概述
    在稀薄气体(Kn1)流动的研究中,DSMC是较为适用的方法。DSMC方法用大量的模拟粒子代替真实气体,每个模拟粒子都代表了大量的真实气体分子,考虑模拟分子间碰撞的可能性,以求解玻尔兹曼(Boltzmann)方程。DSMC方法是由Bird[7]发展起来的,其主要特点是分子运动和碰撞的解耦。真实气体中分子的运动和碰撞是同时发生的,在DSMC方法中,气体的运动和碰撞被分成两个过程,首先在计算中选取非常小的时间步长,在此时间内,模拟分子做匀速直线运动;之后根据模拟分子的位置,用概率方法处理模拟分子之间、模拟分子与壁面的碰撞问题。流动的宏观量(如密度、温度、压强、速度等)则由网格内模拟分子的运动参数统计平均得到。DSMC方法的关键是分子碰撞模型,在本文中,选用变径硬球模型。
    3 计算参数设置
    3.1 气体介质
    在本模拟中,使用UF6作为工作气体,相对分子质量为352,分子参考直径为4.29×10-10 m。
    3.2 边界条件和初始条件
    边界条件设置如下。
    入流边界:来流的压强为40Pa,分子数密度为1.0×1022 m-3,设定入流速度,供料气体温度为300K。
    出流边界:压力为20Pa,分子数密度为5.0×1021 m-3,旋转速度为1.0×104 rad/s。供料管表面设为滑移壁面条件,设定表面温度为300K。
    模拟中,流场的初始状态设为真空。
    4 结果及分析
    本工作针对供料量较大的两种情况(供料口处马赫数分别为1、2)进行数值模拟,其中,模拟分子数目分别为3 753 052和3 890 380。图2~6示出了两种供料条件下的流动分布。
            
    图2为流场的温度分布。在供料口附近,由于气体的膨胀,温度迅速降低,形成较为明显的圆形低温区;在近出流边界处,由于较高的角速度,形成很大的压力梯度,使气体的径向速度降低,导致温度明显升高,当供料Ma为1时,最高温度达480K;供料Ma为2时,温度更高,可达620K。因此,不应忽视供料射流所引起的温度变化对环流的影响。
    图3为两种供料条件下的马赫数等位线分布。可看到,供料射流膨胀区的马赫数明显增大,马赫盘的位置随马赫数的增大向外移动。在供料射流的影响区域外,马赫数在径向上基本呈线性分布。
              
    图4示出了流线分布。可看到,当射流速度较小时,流入离心机的气体基本被边界吸收;射流速度增大,一部分气体从两端边界流出。
    图5和6分别示出r=0.45ra和z=0处的流体参数分布。在r=0.45ra处,径向速度存在一明显的峰,随着供料口处速度的增大,该峰更加明显,但径向速度仍处于亚声速范围;温度分布也存在类似的峰,供料速度越大,温度越高。在半高处(z=0)径向速度均呈现出先增大后减小的趋势,表明供料气体先膨胀而后被压缩的过程;相应地,温度则是先减小而后增大,受到出流边界上等温条件的限制,再次呈现出减小的趋势。从模拟结果可看出,供料射流对离心机内温度分布的影响较大,在离心机环流的计算中应加以考虑。


    5 结论
    本文采用DSMC方法,完成了强旋条件下的气体离心机供料射流流场的数值模拟,得到了收敛结果,给出了供料射流的流动分布。通过对计算结果的分析,得到如下结论:
    1)计算得到了供料射流引起的膨胀波和激波,给出了强旋条件下超声速射流的波系结构;
    2)供料气体速度越高,对离心机内部流场影响越大;
    3)除了供料射流导致的速度、密度、压强的变化外,其导致的温度分布的变化也是重要方面,对离心机分离有较大影响。
     由于本文主要讨论射流的流动结构,未考虑环流,因此,进一步的工作应考虑供料射流流场与离心机环流的耦合计算。
    参考文献:略

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