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离心机腔体内速度场数值计算

离心机腔体内空气流动基本特征

如图1所示,离心腔是由离心转子与外侧圆筒壁之间的区域构成。其中环形阴影部分为圆台状离心转子侧表面在水平面上的投影,箭头所指方向为转子转动方向。在转子转动过程中因空气摩擦带动周围空气在离心腔内随转子向同一方向运动,形成旋转流场。当转子以设计最大转速13000r/min运转时,根据圆台状转子底面最大直径280mm可求得最大线速度达190.5m/s,因此带动转子附近的空气流动为湍流。这里所研究的医用高速冷冻实验室离心机腔体内部流场实质上是一种高度复杂的轴对称、粘性、定常的可压缩湍流流场。

 离心腔与转子俯视图


离心机腔体内速度场边界条件

FLUENT中提供了多种边界条件 [3] ,如进口边界条件、出口边界条件、壁面边界条件等。医用冷冻实验室离心机腔体为封闭状态,因此只对壁面边界条件进行了设置。壁面边界条件中规定壁面的滑移特性、粗糙度、移动或静止等。

1) 壁面的滑移特性由流体的流动性质决定。
在一般情况下,在粘性流动中壁面处默认为无滑移边界条件,即流体的速度等于壁面的速度。离心腔内的空气为粘性流体,因此在壁面处取无滑移边界条件 [4] 。

2) 定义离心机转子为旋转体,随旋转坐标系

等速旋转并给定旋转方向。这里定义的转速为:2000r/min, 10000r/min, 13000r/min;定义其余腔体壁面及端盖为静止壁面,速度为0。

3) 给定湍流计算中的壁面粗糙度,包括粗糙

度的高度值和粗糙度常数。医用冷冻实验室离心机腔体壁面采用光滑不锈钢材料,因此采用符合光滑壁面的默认粗糙高度值0。粗糙度常数采用适用于同一沙粒粗糙度的默认粗糙度常数0.5。

离心机腔体内速度场计算结果

对三个工况进行了腔体内速度场的数值模拟计算:2000r/min,10000r/min以及13000r/min。对于流动方程的收敛准则取10-4 的残差收敛精度,计算收敛后分别对其内部流动进行了分析。所研究的医用冷冻实验室离心机设计最大运行转速13000r/min,对制冷系统的设计匹配应以该最大转速为设计工况。因此,对该转速下腔体内速度场的模拟计算显得尤为重要。转子速度13000r/min时腔体内速度场计算结果如图2、3所示。

13000r/min 时离心腔立面速度矢量图

13000r/min 时离心腔水平面速度矢量图

当转速为13000r/min时,转子外表面附近最高空气速度47m/s,衰减后的离心腔主体空气平均速度为26.2m/s左右。

腔体内各点的速度计算值如表1所示。表中x为计算点距腔体侧壁面距离,y为计算点距腔体底部高度。

腔体各点速度计算值

 

 

通过对医用冷冻实验室离心机内部速度场初步的数值模拟计算,得到了离心机腔体内速度场的具体分布情况。总体来看腔体内速度场分布较为均匀,在高转速下腔体内部速度较大,能有效增强腔医用冷冻实验室离心机制冷系统设计及腔体内温度场研究体内空气与蒸发器之间的换热,提高制冷系统的性能。同时数值模拟结果为分析蒸发器的传热特性,合理匹配制冷系统提供了理论依据。