2.2　气相压降数值模拟

2.2.1　数学模型的选择

水力喷射空气旋流器是一种液体射流和空气旋流耦合强化气液传质的设备，选择雷诺应力模型可以精确地描述其内部的湍流流态，如复杂旋转流、局部回流以及沿径向速度的方向各异性等。

水力喷射空气旋流器内存在复杂的气液两相流动，因此采用Volume of Fluid（VOF）模型捕捉气液两相自由流动界面的变化情况。VOF模型可以描述两相或多相互不相融的流体间的自由界面流动。

2.2.2　数值模拟条件

水力喷射空气旋流器的几何模型是基于前期的研究结果。模拟用的几何模型如图2.2（a）所示。如图2.2（b）所示的流体的计算流域，包含了601452个网格，全部流域的计算网格类型为六面体结构，并且将排气管管壁附近的网格进行了加密。

图2.2　WSA的几何模型与网格

在此采用ANSYS FLUENT 15.0对WSA内部的流场进行模拟计算。模拟采用基于压力的瞬态计算，以水和空气为模拟介质，连续相为空气，第二相设定为水。气相进口为旋风进口，液相进口为WSA筒体表面上的96个射流喷孔，进口的类型为速度进口。溢流口和底流口边界设置为压力出口（pressure-outlet）。初始化后，在距离底流口上方设定高65mm的水柱，起到液封的作用。

2.2.3　网格无关性验证

采用GAMBIT 2.4.6用切块分区的方法把WSA分成几个不同的区域，不同区域皆采用结构化网格。为考虑不同的网格数对模拟结果的影响将WSA的网格个数分别划分为601452，1345214，3251722，当射流速度为1.38m·s^-1时，三种网格数下的压降模拟结果如图2.3所示，其值与随进口气速变化的压降曲线基本一致。因此，在此采用模拟网格数为601452。

图2.3　不同的网格数对气相压降模拟结果的影响

2.2.4　数学模型验证

测定在不同的射流速度和进口气速条件下WSA的气相压降，计算模拟值与实测值的对比情况如图2.4所示。由图可知，模拟值和实测值吻合较好，说明所选择的模拟模型和方法可以较好地模拟WSA内部的流场特性。

图2.4　不同条件下WSA的气相压降的数值模拟与实验结果