【摘 要】文章研究了基于STAR-CCM＋的旋风分离器数值模拟方法。结果表明：软件的网格处理方式比较灵活，使用软件内部的三维建模和自动网格生成功能可以大幅度提高模拟计算的效率。模拟计算旋风分离器的湍流模型适合采用雷诺应力模型（RSM），模拟计算旋风分离器的液滴轨迹可以采用离散颗粒模型（DPM）。使用软件内部的标准模块功能和自定义函数功能可以比较方便实现压力分布、速度分量图、上下行气流分割面、液滴轨迹跟踪等内部流场处理。
【关键词】旋风分离器；数值模拟；STAR-CCM＋；上下行气流分割面
1 引言
旋风分离器[1]是一种利用离心力把固体颗粒或液滴从气体中分离出来的无运动部件机械设备，具有结构简单、压降小、分离效率高等特点。大量学者[2-6]对旋风分离进行了数值模拟研究，这些研究基本是利用商用流体力学计算软件FLUENT进行数值模拟计的，而采用商用流体力学计算软件STAR-CCM＋对旋风分离器进行数值模拟的研究还比较少，因此本文对采用STAR-CCM＋模拟计算旋风分离器的方法进行了研究。
2 网格生成方法和网格无关性验证
2.1 网格生成方法
生成STAR-CCM＋模拟计算所需网格的方法比较多，基本方法可以分为以下四类：一是在专门的网格处理软件（如Icem）中导入三维绘图软件（如ProE）绘制的三维模型，并进行一定处理，生成为体网格，然后导入到STAR-CCM＋中。二是在专门的网格处理软件中导入三维绘图软件绘制的三维模型，并进行一定处理，生成为面网格，然后在STAR-CCM＋中将生成的面网格导入，并进行一定处理，最后生成为体网格。三是利用三维绘图软件绘制三维模型，并保存为曲面格式，然后在STAR-CCM＋中将曲面格式的三维模型导入，并进行一定处理，最后生成为体网格。四是在STAR-CCM＋中建立三维模型，并直接生成体网格。
STAR-CCM＋内部自带强大的网格处理功能，特别是其中的多面体网格可以大幅减小计算的体网格数。由于本文研究对象是旋风分离器，结构比较简单，因此可以直接采用上述的第四个方法，该方法的优势是某个模型计算完成之后，在可以快速修改变动某个尺寸后直接再次生成网格，并运算，极大提高模拟计算的工作效率。图1是在STAR-CCM＋中建立三维模型，并直接生成体网格模型。
图1 网格模型
2.2 网格无关性验证
网格无关性是指网格加密到一定程度后，数值模拟结果不再随着网格加密而变化。每次约增加 20%左右的网格数制作一系列模型，当达到某个网格数之后计算结果变化小于3%可以认为满足网格无关性的条件。
3 计算方法选择和边界条件设置
3.1 计算方法选择
大量研究[7-9]发现雷诺应力模型（RSM）能较好预测旋风分离器内部流场，因此湍流模型采用雷诺应力模型，另外如果模拟计算旋风分离器的固体颗粒或液滴分离效率则还需选择离散颗粒模型（DPM）。
3.2 边界条件设置
进口条件可以采用速度入口边界条件（Velocity Inlet）或流量入口边界条件（Mass Flow Inlet），出口条件采用流速分离边界条件（Flow-Split Outlet），其余为无滑移壁面条件（Wall）。设置流体密度，如果模拟计算旋风分离器的固体颗粒或液滴分离效率则还需设置离散相的参数。
4 数值模拟后处理
4.1 压力云图
在场景（Scenes）中进行压力云图进行设置，从图中可以查看旋风分离器内部的压力分布，如图2所示。
从图中可以看出旋风分离器内部，中心压力低，边缘压力高，并且中心低压区域，特别是中心低压区域的下部的弯曲程度与内部旋涡的稳定性有密切联系。压力分布图仅适合作定性分析，旋风分离器的压损的应直接通过计算进出口压差得出。
图2 压力云图
4.2 速度分量图
在衍生零部件（Derived Parts）模块中设置监测点，通过这些监测点可以提取计算的各方向速度分量的数据。这些数据可以在软件内部生成各方向速度分量图，也可以导出并利用外部软件绘制生成，如图3所示。
图3 轴向速度分布图
从图3中可以看出轴向速度分量分布类似M型分布，边缘区域气流流动方向向下，中心区域气流流动方向基本向上并且在距离轴心位置一定距离该轴向速度存在极大值，最中心狭窄区域轴向速度方向向下，但速度数值较小。
4.3 上下行气流的分割面
CS控制表面是一个从升气管口下方沿着轴线向旋风分离器底部拉伸的假想圆柱面，并假定该圆柱面外侧气流向下流动，该圆柱面内侧气流向上流动。实际上旋风分离器内部也是存在一个类似于CS控制表面的上下行气流的分割面，即轴向速度等于0的分割面。为了凸显轴向速度等于0的分割面，自定义函数
并生成该自定义函数的分布图，上下行气流的分割面分布图，如图4所示。
图4 上下行气流的分割面分布图
图 4中可以看出上下行气流的分割面基本是从升气管进口处同时沿着旋风分离器外部壳体和中心轴线从旋风分离器排气口附近向旋风分离器底部延伸。
4.4 液滴的轨迹跟踪
采用颗粒离散相模型（DPM），气体为连续相，液滴为离散相，离散相的颗粒轨迹采用拉格朗日法计算得出。通过给定入口条件和合理设置边界条件，然后模拟计算液滴的轨迹，可以计算旋风分离器的分离效率。如图 5所示，是某条件下旋风分离器的模拟计算轨迹。
图5 模拟计算的液滴轨迹跟踪
从图 5中可以看出由于计算的液滴的直径较大，计算跟踪的液滴轨迹显示几乎所有的液滴都流到旋风分离器的底部，没有液滴进入升气管。
5 结论
通过对采用STAR-CCM＋模拟计算旋风分离器的方法进行研究可以得出以下结论：
（1）可采用网格的网格处理方式比较灵活，使用软件内部的三维建模和自动网格生成功能可以大幅度提高模拟计算的效率。
（2）模拟计算旋风分离器的湍流模型适合采用雷诺应力模型（RSM），模拟计算旋风分离器的液滴轨迹可以采用离散颗粒模型（DPM）。
（3）使用软件内部的标准模块功能和自定义函数功能可以比较方便实现内部流场处理，如压力分布、速度分量图、上下行气流分割面、液滴轨迹跟踪等流场处理。
