强吹除雪气固两相流流场数值模拟分析

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在我国北方的冬季，降雪对机场等特殊场地影响严重，大雪常使飞机无法正常起降.特别是军用机场，如果飞机不能正常起降[1 将威胁到国防安全.我国机场目前的除雪设备效率低、能耗高，-次中等强度的除雪作业就要耗资几十万元.研发高效、低能耗的机场专用除雪方法倍显紧迫，强吹除雪车就是近年研制开发的-种机场高效除雪车.针对强风除雪车吹雪问题 ，研究自由湮没流的流场变化和强吹条件下雪粒的运动轨迹，分析并确定强风吹雪的最佳时间，是本文研究的主要内容。

1 强风吹雪车结构及工作原理强风吹雪车结构简图如图1所示.柴油机、变速器、风机和喷嘴安装在汽车底盘上[2，柴油机驱动风机产生高速气流，高速气流由喷嘴喷射，吹扫积雪.高速气流在积雪表面形成微低压，迫使表层雪粒在积雪表面做快速滑移、跃移运动，并迅速进入高速气流场做悬移运动.在连续强气流的喷射作用下，雪粒不间断地做滑移、跃移、悬移运动，最终被吹离强风流场区，实现吹扫积雪的目的 。

机场除雪作业时限性强，对除雪效率和质量要求高.高速气流经喷嘴喷射后，在喷射方向上存在速度衰减.本文使用计算流体力学方法(computational fluid dynamics，CFD)和离散粒子模型(discrete par。

ticle model，DPM)数值模拟气固两相流流场，分析流场特性和雪粒在两相流流场中的运动规律，以期为深入研究强吹除雪技术奠定基础并提供参考。

2 气固两相流流场数值模拟l-柴油机组；2-销轴联轴；3-变速箱；4-鼓风机；5-吹风管；6-车体图1 强风吹雪车结构简图大型风机产生的强气流，在喷嘴出口处速度可达130～200 m/s，甚至更高.考虑计算模型中雪粒体积与气体体积尚未达到10%，故计算模型采用离散相模型.离散相模型因第2相(分散相)非常稀薄，故数值模拟时忽略固相颗粒与颗粒间的相互作用和颗粒体积分数对连续相的影响.设固相的雪粒子为球形颗粒，气相为收稿日期：2012.12-27作者简介：邓洪超(1967.)，男，辽宁昌图人，肇庆学院电子信息与机电工程学院副教授，博士28 肇庆学院学报 第34卷不可压缩流体，各相的物理特性为常数，忽略相变化、气体激波、空化等现象的影响 。

2.1 物理模型物理模型如图2a所示， 轴方向为吹雪方向，Y轴方向为除雪车行进方向， 轴方向为铅垂方向；abcd为喷嘴出口，ad×ab0.8 mx0-3 m，喷嘴底面距离底面 ：0.2 m.因物理模型关于0136面，即ZOO；面对称，为便于计算，取其对称半模型，见图26。

a物理模型 b对称半模型图2 物理模型2.2 数学模型对于风吹雪形成的气固两相流场，采用标准k-s紊流方程.因雪粒所占体积分数很小，采用离散粒子模型(discrete particle model，DPM)描述和追踪雪粒子的运动.考虑到雪粒所受的各种外力，雪粒运动轨迹方程[51为( ， 。

式中：M为流体相速度，m/s； 为颗粒速度，m/s； 为流体动力粘度，kg/(m·S)；g为重力加速度，m/s ；P为流体密度，kg/m ；P。为颗粒密度，kg/m ；de为颗粒直径，m；Re为相对雷诺数；C。为拽力系数；F 为附加质量力N，是由颗粒周围流体加速而引起的附加作用力。

2.3 边界条件尽管气流喷射速度达到了亚音速，但因高速气流与雪颗粒耦合的影响较大，可忽略气体的压缩性，故人口采用速度人口，设速度为170 m/s，方向戈轴正向；出口采用压力出口边界，因出口湍流流动已发展充分，压力与大气压力非秤近，因此出口压力为1.013 3x10 Pa。

壁面采用标准壁面函数，壁面为反射；人口为无滑移边界条件，离散相边界；出口均为逃逸；雪粒子的平均粒径取值为 d100 pm。

采用SIMPLE算法 ，差分格式为标准的Standard格式，动量、湍流动能、湍流耗散率用二阶迎风格式 .在DPM模型中，粒子采用Group组射流源，进入100组粒子，粒子初速度为0，质量流量为O.5 kg/s。

机场跑道积雪通常均为刚下的新雪，颗粒之间的粘性较小，计算模型中积雪厚度取值5 cm，雪粒密度取值为500 kg/m3.气流采用1.225 kg/m 的常密度气体，运动黏度为1.789 4×10 kg/(ms)。

3 数值模拟结果与分析3.1 流场数值模拟及分析数值模拟得到的气固两相流压力雏图3，喷嘴出口附近地面回流漩涡如图4所示30 肇庆学院学报 第34卷处仍具有 80 m/s的速度，雪粒仍可获认大动能，并随气流运移至更远的距离。

根据数值模拟结果，分析得到典型时刻0136对称面速度分布曲线及湍流强度分布曲线分别如图10和图 11所示。

E0积琚建a t O.001，0.05，0.1 s b O.07，1.7，2.2，3.1 s图10 0136对称面在 轴上的速度分布曲线ed0 蜊琏理横向距离a O.O01，0.05，0.1 S b t0.07，1.7，2.2，3.1 S图1 1 O136对称面在 轴上的湍流强度分布曲线图10显示流场的发展呈循序渐进趋势.图lOa中的3条曲线均为流场初始发展阶段，在 轴正向较朽离速度为0，说明高速气流尚未到达该区.t0.O01 S可视为初始时刻，速度在 戈轴方向上迅速衰减到0；而在t0.1 S时刻，气流已基本充满整个计算区域，在 14 m之间速度波动较大，表明在该区域气流与雪粒耦合，相互影响较大。

图lOb流抄历了中间过程和流场充分完成2个阶段.在 0.7 S和 t1.7 S时刻 ，显示曲线速度波动较大，说明气雪耦合剧烈； 2.2 S和t3.1 S时刻的曲线较为平缓，表明流场已完成发展.分析0～2 m间速度迅速衰减的原因，笔者认为：1)该区域存在回流，对高速气流起到缓冲作用，导致速度有所降低；2)气相(气流)与固相(雪粒)问相互耦合，气相迫使雪粒脱离积雪表面做加速运动，固相反作用于气相，两相流速度衰减。

通过该区域后，气相和固相间耦合趋于平衡，两相流速度变化趋于平缓.回流区域后速度增加是因高速气流自喷嘴喷射后剧烈膨胀，具有加速作用，使气流速度增加u川；流场充分发展后，气流速度在距喷嘴10m时仍达到80 m/s，使气流扩展范围和吹扫面积加大，雪粒获得更高速度，加大了雪粒的运移距离。

湍流强度描述风速随时间和空间变化的程度，反映脉动风速的相对强度，是大气湍流运动特性的重要特征量l0136对称面湍流强度分布曲线见图11，该图明确显示出流场的发展过程：在 0.001 S至 O.1 S时段内，流场发展迅速，湍流强度剧烈变化，表明流场发展过程的不稳定性；前期流场湍流强度变化剧烈，流第2lIJ 邓洪超等：强吹除雪气固两相流流场数值模拟分析 31场不稳定；正是由于湍流强度的剧烈变化，使雪粒在变化的流场中得以脱离积雪表面，获取动能并随气流进人流场，在两相流流场中运移.雪粒子随时间的运动变化趋势如图12所示。

图 12 不同时刻 轴方 向雪粒 的分布由图12a可以看出，在t0.02 S的初始时刻，在高速气流作用下，积雪表面结构被破坏，表面部分雪粒随气流运动，在积雪表面做短暂的滑移运动；图12b中，随着时间的增加，在 t0.03 S时刻，部分雪粒脱离积雪表面做跃移运动；随着风速的进-步增大，更多的雪粒脱离积雪表面，做滑移、跃移运动，形成两相高速流沿轴正向运移，如图12所示。

因喷嘴出1：3处与地面问存在回流，故初始时刻雪粒子在该区域产生-定的堆积；但随着时间的增加，其他区域的雪粒子绝大部分被高速气流吹离，堆积在该区域的雪粒子在回旋气流作用下脱离堆积区而被吹离，如图12d及12e所示。

3.2 吹雪车作业速度及吹雪效率数值模拟结果表明，在2.3 S时整个计算区域内雪粒已非常稀少，在喷嘴长度口d对应的地面上几乎没有雪粒.按170 m/s的出1：3风速及喷嘴长×高O.8 mxO.3 m计算，风机额定风量为4O.8 m3/s.考虑将残留雪粒全部彻底地吹离，取时间t2.5 s，路面积雪厚度h5 cm，吹除距离s10 m，则除雪车的作业速度 1.152 km/h，吹雪效率叼0.16 m /s.显然单喷嘴吹雪车吹雪作业的速度和效率非常低。

按目前的技术参数，若吹雪车的吹雪作业效率达到8 km/h，需要9个并行喷嘴，所需总风量为367.2 m /s，吹雪效率达到 1.44 mVs.如此大的风量，对单台风机及其驱动柴油机而言，在现有技术条件下难以实现.多台单机驱动风机并联是解决这-问题的基本途径，但尚需匹配风机风量、驱动功率、吹雪车作业速度、吹雪作业效率等重要技术参数，以达到最低功耗和获得最大吹雪效率的目的。

4 结论1)气固两相流场速度呈梯度分布，在运动方向上按可循规律衰减；喷嘴出口在170 rn/s风速条件下，在喷射方向距喷管10 m处，两相流速度仍达80 m/s，利于实现更大宽度的吹雪作业。

2)在高速气流作用下，积雪表面被破坏致雪粒做滑移、跃移、悬移运动，进而形成高速气固两相流场，完32 肇庆学院学报 第34卷全能够实现强风吹除积雪的目的。

3)单台风机作业效率相对较低，多台单机驱动风机可实现较高的除雪作业效率