旋风分离器作为一种重要的气固分离设备，在石油化工、燃煤发电、建材矿业和环境保护等许多行业得到了广泛的应用[1]。虽然其结构简单，但内部流场却十分复杂。为深入研究旋风分离器内流场状态，对其进行有效结构优化，进而解决生产中的实际问题，国内外众多学者通过实验测量或数值模拟的方法对旋风分离器内流场特性进行了大量的研究[1,2]。其中数值模拟因较实验测量可获得的信息量更大，成本更低、普适性更强，而得到了广泛应用。但在流场模拟过程中涉及到湍流模型和计算方法的选择问题，不同的湍流模型和方法计算的流场精度存在较大的差异。为了检验这些模型的精度，通常选择时均切向速度作为基准进行计算值与测量值的对比[3,4]。对比分析表明在能够反映旋风分离器旋流流场湍流雷诺应力各向异性上，通常选择雷诺应力模型（RSM，Reynolds stress model）与大涡模拟（LES，Large eddy simulation）预测旋风分离器流场[5,6]。但尚缺少用流场动态特性为基准进行比较的方法。实际上旋风分离器流场具有很强的动态特性，这些动态特性的表现形式是切向速度的波动变化，其原因是旋转流的旋转中心偏离了旋风分离器的几何中心摆动造成的[7]。因此，完全可以用这种动态的瞬时切向速度作为评估计算精度的准则，确定选择合适的湍流模型和计算方法。另一方面流场的动态特性对旋风分离器的气固分离过程有重要影响，尤其是细小颗粒的扩散[8]，为此也需要进行流场的动态特性的研究。吴小林等[9]利用 RSM 分析旋风分离器内非稳态流场，认为旋风分离器全空间内都存在旋进涡核现象，并得到旋进涡核影响范围以及速度波动规律。Derksen等[10,11]利用LES对Stairmand高效旋风分离器进行数值模拟，得到三个方向均方根速度分布规律，认为中心区域速度波动水平比较大，并且与Hoekstra等[6]实验测量的时均速度数据吻合较好。龙薪羽等[12]采用LES对直切式旋风分离器内旋流的摆动进行了数值分析，并用实验得到的平均流场验证了模拟的准确性，分析认为整个分离空间都存在旋进涡核，切向、轴向和径向的速度分量波动具有相同主频。但这些计算结果缺乏针对监测点实时动态数据的直接对比，无法直观展现两种模型动态流场结果差异。因此，本工作利用FLUENT14对流场不同位置的瞬时切向速度进行计算和监测，并与热线风速仪（HWA，Hot-wire anemometer）测量结果进行对比分析，直观探讨RSM和LES的预测精度。

1 模型方程

1.1 RSM模型方程

对于不可压缩流动，时均化后的Navier-Stokes方程为：

在绘画中的点线面，线条无疑是最为生动的部分，它是画家从自然真实中抽取出的一种有抽象意味的语言。我国著名美学家宗白华先生说：“西画的线条是抚模着肉体、显露出凹凸，体贴轮廓以把握坚固的实体感觉；中国画则以飘洒流畅的线纹，笔酣墨饱，自由组织，暗示物象的骨骼、气势与动向”[4]。线条的韵律是画面生机的主要支撑特别是在以线造型为主的中国画中，线条是构成物象、表达画家情感的重要符号，它能让欣赏者产生各种联想：中锋运笔的线条灵活且富有弹性，似杨枝柳条；侧锋挫笔的线条干涩且厚重，如悬崖岩壁，又似枯树；曲线给人优柔连绵的感觉，直线则给人坚挺刚强之感。

 

其中：xi和xj为坐标分量；ui和uj为时均速度分量；p为时均压力，Pa；μ为流体动力黏度，N·s/m2；ρ 为流体密度，kg/m3；为雷诺应力分量。

RSM模型中，通过求解雷诺应力各分量的输运方程来封闭以上基本方程：

 

式中，扩散项Dij、应力产生项Pij、压力应变项Φij和黏性耗散项εij分别为：

用水总量方面，2013年全市实现GDP 14 500亿元，同比增长11.97%，工业增加值达到5 889亿元。在全市经济保持持续增长的情况下，近三年来用水总量基本持平并呈下降趋势，全市原水供应总量由2011年的19.55亿m3下降到2013年的19.07亿m3，下降2.5%。2013年全市自来水供应总量为15.91亿m3，与2011年相比下降1.49%。

 

其中：μt为湍动黏度；σk为0.82；C1为1.8；k为湍动能；ε为耗散率；δij为Kronecker delta函数，Pkk=2p。

1.2 LES模型方程

大涡模拟是把包括脉动运动在内的湍流瞬时运动通过某种滤波方法分解成大尺度涡和小尺度涡两部分，大尺度涡通过Navier-Stokes方程直接求解，小尺度涡通过亚格子尺度模型（SGS，Sub-grid scale），建立与大尺度涡的关系对其进行模拟。

当流动不可压缩时，大涡模拟的控制方程，也就是通过滤波的Navier-Stokes方程为：

τij为亚格子应力张量：

 

式中，σij为因为分子黏性而产生的应力张量：

3.2.1 瞬时切向速度

随着中国经济地位的日益攀升，中国在世界经济格局中的话语权逐步提高，中华文化对世界的影响力也逐渐显现。尤其是国家在“一带一路”倡议下，中国产业、中国资本及优势产品走出去的势头更加强劲。作为中国传统文化典型载体的中国白酒，要想获得更大的发展，也必须要走出去。近几年白酒企业纷纷将目光投向海外，中国白酒国际化进程取得了一定的成绩，但在前进的道路上仍面临重重阻碍。因此，中国白酒国际化进程中需要解决和探讨白酒企业出口中遇到了哪些障碍和困难，白酒出口需要哪些政策支持，国家层面如何做好顶层设计和整体战略，行业协会又能发挥哪些作用等一系列问题。

 

罗瑞火了：“你不就是忙着谈恋爱嘛！少谈一会儿，跟我回家先谈正事。”说着拉着罗丽就走，罗丽被他拽得胳膊生疼，一路小跑地跟着他回了家。

锁销检测：MCU进行相应检测。优势：功耗低，通信方便快捷。劣势：是否这样就无法实现用手持机对其进行读写了？

 

基本方程需要封闭模型，由此引出亚格子尺度模型。

在涡粘模型中，滤波后的应变速率张量与τij的关系为：

 

3.2.2 切向速度脉动强度分析

 

其中：κ为von Kármán常数；d为到壁面的最近距离；Cs为Smagorinsky常数，大涡模拟中默认Cs=0.1。

 

式中，Ls为网格的混合长度：

 

亚格子涡黏系数μt可通过Smagorinsky-Lilly模型计算：

2 旋风分离器流场数值计算模型

2.1 几何结构

旋风分离器几何结构如图1所示，筒体直径100 mm，进气口尺寸59 mm×28 mm，升气管直径35 mm。坐标原点取在筒体顶板中心，X和Y是水平面坐标，Z轴取向下为正。

  

图1 旋风分离器几何尺寸Fig.1 Geometrical dimensions of cyclone separator

  

图2 旋风分离器网格Fig.2 Mesh of cyclone separator

2.2 边界条件

旋风分离器入口边界条件给定入口速度（Vi）为 8 m/s。升气管出口假设为充分发展的流动。在模拟中将旋风分离器的出口管路加长以保证充分发展条件。壁面采用无滑移边界条件及标准壁面函数进行处理。

2.3 网格划分和求解方式

大涡模拟时为了加快收敛，首先采用一阶迎风格式RNG k-ε模型对流场进行稳态试算，把计算结果作为大涡模拟的初始流场，并将一阶迎风格式RNG k-ε模型改为QUICK格式的二阶隐式非稳态大涡模拟进行计算，调试至收敛。

农机的主要作用就是较好的服务和协助农业生产，但是有些区域的使用者为了方便会把农机当作交通工具来使用，这样的情况是违反相关法律的，并且非常的危险。运用农机来载人，违反了我国的有关法律法规和政策，违背了制造农机的最初目的。并且农机载人导致的安全事故也时常会发生，这样的报道也经常可以看到，所以，一定要谨防农机载人现象的发生，做好预防。

计算网格采用六面体结构化网格，如图2所示，RSM和LES网格数分别为854 472和2 183 994。压力速度耦合项采用SIMPLEC算法，压力梯度项采用PRESTO方法进行处理，各方程对流项均采用QUICK差分格式。考虑到RSM与LES两种方法网格划分的尺寸差距以及计算的时间成本，RSM时间步长设置大于LES的时间步长。RSM计算时间步长设置为2×10-5 s，LES计算时间步长设置为1×10-5 s。

3 结果与讨论

3.1 时均切向速度对比

旋风分离器内的流场特征是典型三维强旋流湍流流场，表现为外部准自由涡和内部刚性涡的双层旋流结构，而切向速度（Vt）正是表征这种流场特性的决定性因素，所以本研究选择时均切向速度作为衡量模型模拟精度的标准。实验数据为王甜等[7]采用TSI公司IFA100/200热线风速仪对直径300 mm旋风分离器的流场进行测量的结果。测量过程中采样频率5 000 Hz，即在测量点1 s内测量5 000个数据跟踪切向速度的瞬时变化，对测量数据进行平均得到切向速度的时均值。虽然旋风分离器的计算模型和测量模型的尺寸上存在差异，但考虑到在流场的自模区内，无量纲后流场是一致的[13]，测量结果可以作为对比基准。

两种方法对筒体截面的时均切向速度分布预测如图3所示，r/R表示测量点距旋风分离器几何中心的距离（R为旋风分离器圆筒半径，r为测点位置）。旋风分离器流场符合Rankin涡结构，由内部准强制涡和外部准自由涡构成。由图3可知，RSM的预测值总体低于测量值，而LES的结果最高切向速度点略高于测量值，外部准自由涡区与测量值[7]吻合很好。因此LES在时均切向速度预测上要比RSM更准确。

  

图3 RSM与LES的时均切向速度预测对比Fig.3 Comparison of prediction of time-averaged tangential velocity between RSM and LES

3.2 动态特性对比

以Folin-酚试剂法测定蛋白质含量实验为例，将全班学生分成6～8组，每组按大纲要求自主查阅文献资料，制作PPT，教师提前发布关于原理和注意事项的课件以及微量移液器、721分光光度计的使用录像，感兴趣的学生也可参与实验准备。正式实验时，每组先由1名学生代表汇报，教师随时点评汇报内容和解答学生预习过程中的疑问，随后分别进行实验。如此，笔者在实验结束批改报告时发现，和以往相比，学生直接抄书的现象基本没有，实验讨论和结论部分的撰写不再敷衍，尽可能体现自己的见解和创新。

采用两种方法对筒体段X=0，Z=100 mm平面上在1 s时间段内的瞬时切向速度进行监测，其结果如图4所示。

2018年10月24～26日，由中国工程建设焊接协会主办，中国工程建设焊接协会设备与材料分会、深圳麦格米特电气股份有限公司承办，株洲市人民政府、株洲市高新区管委会、株洲市经济和信息化委员会为指导单位，宾采尔（广州）焊接技术有限公司、上海发那科机器人有限公司为支持单位的“2018’中国工程建设焊接论坛”暨“2018年度全面焊接质量管理活动成果发布会”在株洲成功召开。

  

图4 RSM与LES预测瞬时切向速度随时间的变化Fig.4 Prediction of instantaneous tangential velocity with time by RSM and LES

  

图5 瞬时切向速度HWA测量结果(Vi=8 m/s)[7]Fig.5 Instantaneous tangential velocity measured by HWA(Vi=8 m/s)[7]

RSM预测结果仅呈现出小幅规律性的波动，r/R为0.4和0.8两点的切向速度波动范围（ΔVt）小于0.3 m/s，波动相对大小（ΔVt/Vi）小于3.75%；LES的模拟结果则呈现高频的速度脉动，不仅频率加快，而且波动幅度增大，r/R为0.4和0.8两点的切向速度波动范围大致在4 m/s＜ΔVt＜7 m/s，波动相对大小 50%＜ΔVt/Vi＜87.5%。由此可见RSM与LES两者对于同一点瞬时切向速度的预测有着很大差异。图5是文献[7]采用HWA测量的筒体截面处的瞬时切向速度，切向速度波动范围大致为6 m/s，波动相对大小约为75%。对比图4与5可得，LES的预测结果更加接近实验值，对瞬时切向速度的预测准确性高于RSM。

式中，定义为：

旋风分离器流场瞬时切向速度的波动变化产生的原因是多方面的，一方面是气流自身的湍流脉动，另一方面是切向速度的高曲率旋转形成的旋转流不稳定造成的，即旋转流的旋转中心偏离旋风分离器的几何中心形成的摆动产生的。这种旋转流的摆动的频率和强度与结构参数和流动参数有关，具有一定的随机性。因此数值模拟结果和实验测量的瞬态切向速度的测量结果尚难以直接进行对比，但可以通过脉动速度的标准偏差，频谱分析进行误差分析，说明计算方法的精度和准确性。

任意i时刻的瞬时切向速度（Vti）可以表示成平均速度与脉动速度的叠加，即：

 

在脉动速度分析中，一般用瞬时切向速度的标准偏差（Sd），即脉动速度的均方根（VRMS）来衡量切向速度的脉动强度：

 

由于旋风分离器内旋流自身的湍流脉动，加之旋转流的不稳定性，实际上对于定点的速度来说具有在一定范围内的随机性，可以用标准偏差来衡量这一随机数据的脉动强度。对图4与5中的数据进行统计计算，得到的标准偏差列于表1。由表可知，对于同一测点，RSM预测的标准偏差比实验数据计算的标准偏差要小的多，说明RSM无法给出有效的速度波动，而LES预测的标准偏差要略大于实验数据计算的标准偏差，但较为接近，LES可以给出较为接近HWA实际测得的瞬时切向速度的脉动强度。

 

表1 标准偏差对比Table 1 Comparison of standard deviations

  

r/R Standard deviations/(m·s-1)RSM LES Experiment 0.4 0.054 75 0.969 36 0.552 81 0.8 0.032 93 0.921 34 0.562 47

  

图6 切向速度RMS分布Fig.6 RMS distribution of tangential velocity

图6为 LES预测的旋风分离器切向速度的RMS分布，在接近壁面的r/R为0.4～0.9的准自由涡区域，切向速度的脉动强度随着径向位置的减小而缓慢增大；在r/R小于0.2的准强制涡区域，切向速度的脉动强度急剧增大，在中心附近达到最大值。旋转气流的旋转中心在几何中心附近扭摆，导致中心区域的脉动最强，而外部区域的脉动还包括湍流本身的脉动[7]。此外，时均速度出现极值的位置附近，VRMS也出现极值，这说明速度脉动会受到时均速度梯度的影响。在r/R大于0.9的近壁面，脉动强度有轻微增大的趋势，是由于受筒壁干扰时均速度梯度显著增加。对比文献[7]中实验测量所得筒体轴向截面的脉动幅度分布可知，LES预测的脉动强度总体上略大于实验值，这是由于在模拟过程中没有将壁面的粗糙度等考虑在内，计算所得的是相对理想的状况，能量损失相对减少，脉动强度要相对增大，进而均方根速度相对增大。

1.2.6 观察胎膜情况通过肛门指诊或阴道检查明确胎膜情况,多于第一产程末自然破裂。如胎膜未破,可在先露部前触及前羊水囊;如胎膜已破,则可直接触及先露部,推动先露部,会有羊水于阴道流出[6]。当胎膜破裂后,应及时听胎心,并详细记录破膜时间、胎心率、羊水的色、量、性状等,正常羊水呈现无色、无味、略混浊的不透明液体状,同时观察有无脐带脱垂的征象。破膜后,应嘱产妇卧床休息,应用消毒会阴垫,并注意外阴保持干净,如破膜超过12 h扔未分娩者,应给予抗生素,防治感染。

3.2.3 切向速度频率分析

教学时，教师首先对实验进行了研究和改进，学生分组分任务，全班共同合作来完成全部实验。笔者设计时将4个实验全部设置为学生实验，用1节课时间完成。时间安排分课前预习、实验准备和课堂展示实验结果、表达交流、归纳总结两个环节。

RSM仅给出规律性较强的低频速度波动。由图4（a）可看出，RSM预测的切向速度频率约为4 Hz。采用快速傅立叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）对LES所得瞬时切向速度进行频谱分析，图7是X=0，Z=100 mm截面3个径向位置的频谱图。在r/R为0.2和0.4处主频约为47 Hz，与文献[7]给出的结果44 Hz（见图8）接近，在r/R为0.8处主频不明显，这个主频是由于旋转流摆动造成的。在径向方向上，LES预测的瞬时切向速度的主频基本一致，主频幅值由内而外逐渐减小，这与文献[7]（见图8）所示的关于主频在径向上的分布规律是吻合的，说明LES方法在模拟流场动态特性上获得了与实验比较一致的结果。

  

图7 LES瞬时切向速度在Z=100 mm频域图谱Fig.7 Frequency domain diagram of instantaneous tangential velocity at Z=100mm by LES

  

图8 实验测量瞬时切向速度在Z=278 mm频域图谱[7]Fig.8 Frequency domain diagram of instantaneous tangential velocity at Z=278 mm by experiment[7]

4 结 论

从旋风分离器流场瞬时切向速度的脉动特性上对比评价雷诺应力模型（RSM）与大涡模拟（LES）两种方法计算旋风分离器瞬时速度流场的精度，主要结论如下：

a）可以用旋风分离器瞬时切向速度作为评估流场数值计算精度的准则，确定选择合适的湍流模型和计算方法。

b）LES方法在速度时均预测方面比RSM模型更接近实验测量结果。LES在瞬时速度预测上更接近实验的高频脉动波动。LES脉动强度计算结果较RSM准确，且有效预测出中心区域脉动强度大于外部区域。

c）LES在频率方面预测与实验吻合较好，反映出旋流摆动产生的一个主频，也相对准确的反映出脉动幅值的分布规律。

参考文献：

[1] Hoffmann A C, Stein L E, Bradshaw P. Gas cyclones and swirl tubes: principles, design and operation[J]. Applied Mechanics Reviews, 2007,56(2): B28.

[2] Cortés C, Gil A. Modeling the gas and particle flow inside cyclone separators[J]. Progress in Energy & Combustion Science, 2007, 33(5): 409-452.

[3] Gronald G, Derksen J J. Simulating turbulent swirling flow in a gas cyclone: a comparison of various modeling approaches[J]. Powder Technology, 2011, 205(1/3): 160-171.

[4] 王 帅, 罗 坤, 杨世亮, 等. 旋风分离器内气固两相流动特性的LES-DEM研究[J]. 工程热物理学报, 2016, 37(2): 342-346.Wang Shuai, Luo Kun, Yang Shiliang, et al. LES-DEM investigation of the gas-solid flow characteristics in cyclone separator[J]. Journal of engineering thermophysics, 2016, 37(2): 342-346.

[5] Gao X, Chen J, Feng J, et al. Numerical investigation of the effects of the central channel on the flow field in an oil-gas cyclone separator[J]. Computers & Fluids, 2014, 92(9): 45-55.

[6] Hoekstra A J, Derksen J J, Akker H E A V D. An experimental and numerical study of turbulent swirling flow in gas cyclones[J].Chemical Engineering Science, 1999, 54(13/14): 2055-2065.

[7] 王 甜, 徐 俊, 宋健斐, 等. 旋风分离器内旋转流的不稳定性[J]. 化工学报, 2010, 61(2): 317-322.Wang Tian, Xu Jun, Song Jianfei, et al. Instability of swirling flow in cyclone[J]. CIESC Journal, 2010, 61(2): 317-322.

[8] Shukla S K, Shukla P, Ghosh P. The effect of modeling of velocity fluctuations on prediction of collection efficiency of cyclone separators[J]. Applied Mathematical Modelling, 2013, 37(8): 5774-5789.

[9] 吴小林, 熊至宜, 姬忠礼, 等. 旋风分离器旋进涡核的数值模拟[J]. 化工学报, 2007, 58(2): 383-390.Wu Xiaolin, Xiong Zhiyi, Ji Zhongli, et al. Numerical simulation of precessing vortex core in cyclone separator[J]. CIESC Journal, 2007,58(2): 383-390.

[10] Derksen J J, Van d A H E A. Simulation of vortex core precession in a reverse-flow cyclone[J]. AIChE Journal, 2000, 46(7): 1317-1331.

[11] Derksen J J. Simulations of confined turbulent vortex flow[J]. Computers & Fluids, 2005, 34(3): 301-318.

[12] 龙薪羽, 刘根凡, 毛 锐, 等. 旋风分离器旋进涡核的大涡数值模拟[J]. 石油学报(石油加工), 2016, 32(4): 734-740.Long Xinyu, Liu Genfan, Mao Rui, et al. Large eddy simulation of vortex core processing in cyclone separator[J]. Acta Petrolei Sinica(Petroleum Processing Section), 2016, 32(4): 734-740.

[13] 宋健斐, 杨光福, 陈建义, 等. 旋风分离器内气相流场的相似模化分析(Ⅱ)尺寸参数[J]. 化工学报, 2010, 61(9): 2274-2279.Song Jiangfei, Yang Guangfu, Chen Jianyi, et al. Similarity analysis on modeling of gas phase flow field in cyclone separator (Ⅱ) flow parameters[J]. CIESC Journal, 2010, 61(9): 2274-2279.