基于Fluent的高速旋转圆盘表面流场的数值模拟

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Numerical Simulation for Surface Flow Field of High Speed RotatingDisk Based on FluentLI Jun-nil2L1 Xiu-ping --，LIU You-zhilI2'TU Chuan-pu '(1.Colege of Chemical and Environmental North University of China，Shanxi Taiyuan 030051，China；2.Research Center ofShanxi Province for High Gravity Chemical Engineering and Technology，Shanxi Taiyuan 030051，China)Abstract：High speed rotating disk is the most typical basic structure element ofrotaing mechanical devices，and it is widelyused脚，e and in diverse flreas of industry production， taking n common high speed rotating disk 口researchobject，physical modelingis built based On the technology ofcomputaionalfluid dynamics，in which basic parametersand boundary conditions ole set and n detled comprehensive 2D numerical simulation is done based on Fluent.The faytar，such as rotaional speed，liquid inlet vetocity，disc radius and the幽 rent kind of liquid which have ct On surface flowfield ofhigh speed rotaingdisk are investigated.Then the resuhs are shown by diagrams and the study analysis ore carried O1hKey Words：Fluent；HighSpeedRotatingDisk；FlowField；NumericalSimulationl I百圆盘是旋转机械装置中最典型的基本结构元件，其广泛应用于水利、化工等领域。当内部充满液体的圆盘在转轴带动下同步高速旋转时，会表现出与圆盘在非旋转或低速旋转状态下迥异的流体力学性能 。

液体在高速旋转圆盘表面流动，会形成具有复杂流体状态的流场，研究分析转速、液体入口速度、圆盘半径以及不同液体等可变参数对高速旋转圆盘表面流场的影响，这对于指导设计各个领域中符合工作要求的高速旋转圆盘具有重要意义。基于计算流体力学软件 Fluent平台对高速旋转圆盘表面的速度流厨行其数值模拟分析。

2模拟分析基于计算流体力学软件Fluent平台对高速旋转圆盘进行模拟分析时的主要步骤为同：(1)基于Gambit前处理拈建立几何模型并进行网格划分和边界条件的设定；(2)基于F1uent后处理拈设置计算所需参数并进行相关计算，从而实现计算结果的可视化。

2.1模型建立基于Fluent软件的Gambit前处理拈，建立圆盘的二维模拟模型并进行相应的网格划分，如图1所示。在常温常压下，设定液体进口垂直于圆盘表面，且圆盘表面-直充满液体，分别考察转速、液体入口速度、圆盘半径以及不同液体等可变参数对高速旋转圆盘表面流体力学l生能的影响，相关模拟参数变量，如表1所示。

图l圆盘物理模型及其网格划分隋况Fig.1 Disk Physical Model and its Meshing Condition来稿日期：2012-04-12基金项目：山西戍础研究青年科技基金(2008021009-1)；山西省高歇发项目(20091127)作者简介：李俊妮，(I987-)，女，晋城，在读硕士研究生，主要研究方向化学工程；栗秀萍，(1972-)，女，太原，博士，教授，硕士生导师，主要研究方向：化学工程研究第 2期 柳忠彬等：阀门快速设计分析方法研究 9(c)图6液滴在不同转速下的速度分布图Fig.6 Velocity Profile of Droplets in Diferent Speed无论以圆盘还是地球为参考系，微元液滴在圆盘表面由转轴中心起沿螺旋线的运动路径均随转速的增加而变长。从速度曲线看来，切向分速度与转速有很强的正相关陛，这是因为圆盘表面的液体受到的离心力翅随转速的增大而呈递增趋势；而转速对径向的速度分布几乎没有影响，同时其数值呈降低趋势，这是由于微元液滴在高速旋转圆盘中运动时相互碰撞会造成能量损失，其速度初少时符合能量守恒定律；总速度曲线随转速的增加而呈递增趋势 ，且与切向分速度曲线相似 ，这说明因高速旋转而产生的离心力场在整个流场中起主导作用。

3.2液体入口速度对圆盘表面流场的影响固定其它结构参数，改变液体入口速度，计算圆盘表面流场的速度，入口速度不同时圆盘表面的速度场云图，如图7所示。图7中可看出：当液体入口速度小于圆盘最外缘的线速度时，其在圆盘表面运动的总速度会呈增大趋势；反之，液体在圆盘表面运动的总速度会呈先骤减再逐渐增大的趋势。

(a)v0.3m/s (b 2m/s图7不同人口速度下圆盘表面的速度场云图Fig.7 Velocity Field of Disc Surface in Different Inlet Velocity为更准确地研究液体在圆盘表面的微观运动，取-微元液滴，该液滴在不同入口速度下以圆盘为参考系的切向分速度、径向分速度和总速度曲线，如图8所示。微元液滴无论以圆盘还是地球为参考系，其在圆盘表面由转轴中心起沿螺旋线的运动路径均随液体人口速度的增加而变校从速度曲线看来，图中五组切向分速度几乎是重合的，这表明人 口速度对流场的切向分速度几乎没有影响，但其数值因圆盘旋转产生离心力场的作用呈递增趋势；而人口速度对径向速度分布影响很大。总速度曲线随入 口速度的增大总体呈上升趋势。当液体入口速度增大至-定值并继续增大时，总速度曲线会随径向位置的变化出现先骤降后平缓上升的趋势，这是由于液体的初始动能会随人口速度的增大而增大，入口处的液体与圆盘表面已有液体相互碰撞并伴随有能量损失，同时获得共同的速度继续运动，液滴离开圆盘的速度呈递增趋势。

(b)C)图8液滴在不同人口速度下的速度分布图Fig.8 Velocity Profile of Droplets in Different Inlet Velocity3.3不同液体对圆盘表面流场的影响不同液体在圆盘表面形成的流场也不尽相同。固定其它结构参数，分别计算水 lxl0 Pa·s)和甘油 0.799Pa·s)在圆盘表面的流场分布。其速度场云图，如图9所示。图中可看出：与水相比，甘油因其粘度较大，故在圆盘表面的速度场分布不均。

No.2Feb.2013 机 械设 计 与 制造 11g(e)R100mm图 1 2不同半径下圆盘表面的速度场矢量图Fig.12 Velocity Vector Diagram of Disk Surface inDifferent RadiusPosition(in)(a)R25mm鲁蓦> Position(m)fb) 50ramPosition(in)(e)R100ram图 l3液滴在不同半径下的速度分布图Fig.13 Velocity Profile of Droplets in Diferent Radius；4结束语高速旋转圆盘在工业生产领域中正得到越来越广泛的应用，为追求其设计最优化，通过计算流体力学 CFD的相关软件对其工作过程进行准确地数值模拟分析无疑是最佳的方法之-。采用 Fluent软件考察了高速旋转圆盘表面单相流的流场特征，并讨论分析了转速、液体人口速度、圆盘半径以及不同液体等对流场的影响♂果表明，在高速旋转圆盘表面，其切向速度场由转速控制，径向速度场由液体人口流速控制。液体的粘度越大，其在圆盘表面的速度分布越不均匀，且相同条件下速度梯度变化较慢。随着圆盘半径的增大，对液体总速度场起主导作用的逐渐从液体入口速度向旋转圆盘离心力场转变。这对于指导设计高速旋转圆盘有非常重要的意义。