冷吹除雪机气固两相流数值分析

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在我国北方冬季,许多地区的降雪期持续时间比较长,特别是东北地区,长达5~6个月,降雪严重影响人们的正常生活。在机场,跑道积雪使得跑道的安全性降低,并且对飞机的气动性造成干扰,导致飞机不能正常起降。随着我国现代化建设的发展,机场数量不断增多,在冬季降雪期内,如何快速高效清除机场积雪是关系到机场能否正常运行的一个关键问题。我国机场除雪设备研制开发较晚,除雪设备性能比较单一,在数量上不能满足机场快速除雪的需求。目前,我国机场除雪主要依靠机械式除雪,但是除雪效果不是很理想。冷风吹雪车是最近几年研制开发的一种新型、高效、专用的除雪设备,它是把柴油机、风机、导风管等安装在标准汽车底盘上,利用导风管道吹出的高速气流在积雪表面造成微低压,使得雪粒脱离积雪表面随着气流运动,雪粒被吹离跑道,达到清扫积雪的目的。但是,由于该项技术还不是很成熟,仍有许多技术性问题没有解决,在此基础上,论文研究了冷风吹雪车作业时的气固两相湍流流动和冷风吹雪车的吹雪效果,模拟结果可为研究冷风吹雪车提供理论参考。论文以冷风吹雪车作业时气固两相湍流运动为研究对象,研究了影响冷风吹雪车吹雪效率的因素,主要研究内容和研究方法如下:(1)分析了雪粒的物理性质,对雪粒在被吹起时进行了受力分析。在考虑受到的主要力而忽略次要力的条件下,根据空气动力学原理建立了雪粒的运动方程。研究了吹雪车的结构和吹雪机理,并对临界风速进行了探讨,总结得到了临界风速与雪粒直径变化的关系。(2)建立了吹扫积雪的数学模型,并对冷风吹雪车作业时的单相气流流场进行了数值模拟。模拟结果得到了流场的压力、速度和湍动能分布规律,流场的特征符合射流规律,即压力在y向为0~1.5m范围内变化比较剧烈,而在1.5~10m范围内压力变化不大,变化平稳;流场速度在任意竖直截面上,随着高度的增加,由最大值逐渐衰减到零;在任意水平面上,随着x向距离的减小,速度由最大值逐渐衰减到零,流场的气体速度分布符合射流理论中的速度相似性;流场边界在x向和z向上均呈现线性扩展;湍动能在距离喷嘴较近的区域内比较小,而在较远区域内比较大,在横向距离为5m处湍动能出现最大值。(3)确定了本文研究气固两相湍流运动的数值模拟方法,即弥散相模型。建立了气固两相流数学模型,采用计算流体动力学方法模拟得到了不同时刻下雪粒的空间分布。为满足高效吹雪的目的,依据计算结果,取计算区域内吹雪时间为3s,然后根据射流理论,在假设积雪厚度为5cm的条件下,计算得到了冷风吹雪车车速为6km/h,吹雪效率为0.833m~3/s。模拟得到了流场湍动能扩散对吹雪效果的影响,得到了整个流场发展过程中气流速度和湍动能变化曲线。(4)模拟了圆形和矩形两种喷嘴形成的气固两相湍流运动,分析了两种喷嘴的吹雪效果,得到了两种喷嘴形成的流场中速度衰减方式是不同的,即在横向距离为0~1.5m范围内,圆形喷嘴的流场速度衰减呈现抛物线形式,而矩形喷嘴的流场速度则是先保持一段不变,而后开始迅速衰减。模拟了两种喷嘴的吹雪效果,并进行了对比,发现矩形喷嘴吹雪所用的时间更短,吹扫面积比圆形喷嘴的吹扫面积大,吹雪效率更高。模拟分析结果表明,在基于弥散相模型计算气固两相湍流运动条件下,得出了吹雪车射流流场的分布规律,模拟得到了吹雪车吹雪作业的整个吹扫过程,得到了最佳的吹雪时间,以此为依据计算得到了吹雪车车速和吹雪效率,并对矩形和圆形两种喷嘴的吹雪效果进行了模拟分析,得到矩形喷嘴对吹雪更加有利。
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