新型無塵噴補機噴吹吸料器內部流場的仿真分析

王 杏，謝劍剛

（武漢科技大學機械自動化學院，湖北武漢，430081）

新型無塵噴補機噴吹吸料器內部流場的仿真分析

王 杏，謝劍剛

（武漢科技大學機械自動化學院，湖北武漢，430081）

為了給新型焦爐無塵噴補機的結構優化提供依據，采用流體仿真軟件Fluent對噴吹吸料器進行三維建模和數值分析，研究在連接管未伸入和伸入吸料器噴管內部兩種情況下噴吹吸料器內空氣射流流場的分布規律。結果表明，連接管未伸入噴管內部時，能克服噴補粉料下降阻力的最低噴吹壓力為0.191 0 MPa，此時壁面最低壓力值為0.089 3 MPa；連接管伸入噴管內部時，吸料器內部流場受到明顯干擾，伸入長度為8 mm時噴補料的吸入效果相對最佳。

無塵噴補；噴吹吸料器；數值模擬；射流

1 問題的提出

在冶金行業中應用最廣泛的焦爐修補方法為半干修補法［1］，然而現役半干法噴補機的高壓空氣入口在噴補機上部，靠高壓空氣將噴補粉料吹入料管，這樣會因密封器件磨損而造成粉料泄露，嚴重影響工作環境和操作人員的身體健康［2］。因此，筆者所在研究小組對傳統噴補機進行改進，設計了一新型無塵噴補機，其結構如圖1所示。

圖1 新型無塵噴補機結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the new dustless gunning machine

新型無塵噴補機的下部安裝了一個噴吹吸料器（結構見圖2），高壓空氣入口也移到了噴補機的下部，將原來的粉料吹入料管改為吸入料管以實現無塵噴補。噴吹吸料器的工作原理是：高壓空氣從噴嘴引入，進入噴管后擴散射出，必然會引起噴管里的空氣擾動和吸附，即在噴管內一定位置產生壓力較低點，形成相對負壓值，在這個相對負壓作用下，連接管里的噴補粉料有可能克服管道的摩擦阻力而被吸入噴管進而被噴射出去，而且由于負壓作用在管道里不會產生粉料溢揚，即可能從根本上解決管道周圍粉料的飛揚問題。

圖2 噴吹吸料器結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the suction feeder gunning

然而，噴管內的相對負壓值是否足以推動粉料克服管道摩擦而產生運動尚沒有明確的答案。另外，由于噴管的管壁較薄，為牢固地安裝連接管，其端部可能需要伸入噴管內部，從而對噴管射流環境造成干擾，這種干擾是否會對粉料的下降動力產生明顯的負面影響以及如何影響射流環境也有待于深入研究。解決這兩個問題是新型無塵噴補機研制成功的關鍵所在。因此，本文采用流體仿真軟件Fluent對噴吹吸料器進行三維建模和數值分析，研究在連接管未伸入和伸入噴管內部兩種情況下噴吹吸料器內空氣射流流場的分布規律，為新型無塵噴補機的結構優化提高依據。

2 連接管未伸入噴管時的吸料器內部流場仿真

如連接管安裝在噴管壁面上，并未伸入其內部，不失噴吹吸料器的一般特性，此時可認為噴管內部是一理想的圓柱體區域，為完全軸對稱形狀，將吸料器在這種結構下的工作狀態視為理想狀態。對噴吹吸料器內部流場仿真的主要目的是確定噴射系統的最低工作壓力，即能使粉料在連接管道中產生運動的最低噴吹壓力，以及判斷此時噴管壁面的壓力值能否達到設計要求。

噴吹吸料器基本參數設為：噴嘴入口直徑20 mm、出口直徑10 mm，噴嘴圓柱段長20 mm、收縮段長10 mm，噴管直徑40 mm、長度170 mm，噴吹高壓空氣壓力暫定為0.5 MPa。

采用Fluent軟件建立噴吹吸料器的3D模型。劃分網格時將噴嘴收縮段到噴管中部之間的網格有意加密［3］，因為射流效應主要集中在這段空間。通過對比與調試，確定吸料器的網格劃分為16萬多個四面體單元比較合適。仿真介質為具有黏性的可壓縮空氣流。常溫下0.5 MPa的高壓空氣密度為6.97 kg／m3，黏度為1.83×10－5Pa·s，流速為0.83 m／s，可計算出其入口雷諾數為6.32×106，所以本次模擬射流為湍流。為方便邊界條件設置，將操作環境參考壓強設為默認值。通過迭代計算得到理想狀態下噴吹吸料器的軸截面壓力分布如圖3所示。

圖3 理想狀態下吸料器內部軸截面壓力圖Fig.3 Pressure of the suction feeder gunning’s axial cross section under ideal condition

壓縮空氣介質由噴嘴噴出后，由于氣體質點的擴散和氣體分子的黏性作用，氣體質點通過碰撞將動量傳遞給周圍靜止的介質并帶動周圍介質一起運動。由于整個射流過程中速度是不穩定的，射流介質會產生波動，并發展成渦流［4］，將原來周圍處于靜止狀態的介質卷吸到射流中。當射流不斷卷吸周圍介質時，較遠處的介質必然會補充，由于壁面的存在與影響，介質就會形成回流，這樣噴管的內部就會形成一部分壓力相對很低的區域。從圖3中可以看出，噴管內部射流壓力場是軸對稱的，且存在相對低壓區，其中在Z為69.8 mm處壓力最低，為0.061 2 MPa。參考管道周邊0.101 3 MPa的環境壓力，該處的相對負壓值為0.040 1 MPa，同時，此處噴管壁面的最低壓力為0.063 9 MPa，相對負壓值為0.037 4 MPa。

根據對噴補機管道的現場實際測量，粉料的下降阻力（按連接管道的直徑折算）為0.012 MPa，即只有當相對負壓值超過0.012 MPa時，系統才能克服耐火粉料在連接管道中的下降阻力，將其吸入噴管（稱為“吸入”要求）。因此，當連接管安裝在噴管壁面且未伸入噴管內部時，壁面壓力為0.063 9～0.089 3 MPa的區域均能滿足“吸入”要求。如圖3所示，滿足“吸入”要求的區間軸向Z坐標為30～114.8 mm，連接管必須安裝在這一范圍內才能使系統工作順暢可靠。從設計要求和仿真結果來看，連接管管口處壓力值越低越好，所以最理想的連接管安裝位置應位于Z為69.8 mm處。

保持其他參數不變而逐步降低噴吹高壓空氣壓力，使連接管管口處的相對負壓值正好為0.012 MPa，這時就可得到系統的最低工作壓力及其位置。通過一系列的仿真計算可知：系統的最低工作壓力為0.191 MPa，此時壁面最低壓力為0.089 3 MPa，滿足設計要求的區間范圍Z為67.5～73.6 mm，吸料器內部射流場最低壓力為0.089 0 MPa，具體位置Z為69.5 mm。

3 連接管伸入噴管時的吸料器內部流場仿真

將連接管視為一圓柱形固體，對連接管伸入長度分別取為4、8、12、16 mm（伸入長度始終小于噴管半徑20 mm）的不同吸料器模型進行仿真，整個模型的參數設置與理想狀態下的參數設置基本一致。經過迭代計算得到在連接管伸入長度不同的條件下噴吹吸料器內部的軸截面壓力分布，如圖4所示。

由圖4可見，此時吸料器內部的壓力場分布明顯與理想狀態下的不同，其軸截面壓力分布不對稱，最低壓力值位置也發生變化。這是因為伸入噴管內部的連接管阻礙了高壓空氣流的運動，使空氣流的正常流通軌道發生改變，噴管內部射流場和相對負壓范圍變得更為復雜。當連接管伸入長度為4 mm時，靠近噴嘴噴口處的壓力最低（0.056 6 MPa），連接管管口下方處的壓力為0.065 3 MPa，所以吸料器內部系統最低壓力不在連接管管口處；當連接管伸入長度為8 mm時，在連接管周圍和管口下方是系統最低壓力分布區域，其值為0.057 2 MPa；當連接管伸入長度為12 mm時，系統最低壓力（0.055 1 MPa）出現在噴嘴噴口附近，連接管管口下方的壓力為0.064 4 MPa；當連接管伸入長度為16 mm時，軸截面壓力分布比前3種情況都復雜一些，連接管管口正下方處的壓力最低（0.050 2 MPa），但在連接管正對噴嘴口的一側出現了高壓（最大值為0.146 0 MPa），這是因為連接管伸入噴管太深，到達了高壓噴嘴核心射流區，此區域的氣流速度較高、散射小，當部分高速核心射流介質遇到伸入的連接管壁面，其速度會急劇轉向，使連接管附近流場變得復雜并出現部分高壓區。

圖4 連接管伸入長度不同時吸料器內部軸截面壓力圖Fig.4 Pressure of the suction feeder gunning’s axial cross section with different pipe stretch lengths

根據仿真結果可計算出，當連接管伸入噴管內部的長度分別為4、8、12、16 mm時，連接管管口正下方處的相對負壓值分別為0.036 0、0.044 1、0.036 9、0.051 1 MPa，均大于0.012 MPa，滿足對噴補料的“吸入”要求。但是，當連接管伸入長度為16 mm時，連接管管口壁面附近出現高壓，這對利用相對負壓來“吸入”噴補料的系統來說是有很大弊端的，有可能使噴補料下降速度減慢甚至堵塞連接管，使噴補作業無法完成。綜上所述，連接管伸入噴管內部的長度最好不超過12 mm，并且當伸入長度為8 mm時，連接管管口正下方處的相對負壓值較大，噴補料的吸入效果相對最佳。

4 結論

（1）當連接管安裝在吸料器噴管壁面時，能夠克服噴補料下降阻力的最低噴吹壓力為0.191 MPa，此時壁面最低壓力值為0.089 3 MPa，壁面壓力滿足設計要求的區間范圍Z為67.5～73.6 mm，系統最低壓力值為0.089 0 MPa，具體位置Z為69.5 mm。

（2）當連接管伸入吸料器噴管內部時，噴吹吸料器內部流場受到明顯干擾，伸入長度不同，內部流場受到的干擾程度也不同。

（3）在本文仿真所取的4種連接管伸入長度中，連接管伸入8 mm時噴補料的吸入效果相對最佳。

［1］ 范潤漢.半干法噴補技術的應用與改進［J］.燃料與化工，2003，34（1）：8－9.

［2］ 謝劍剛，周素陽，嚴育才.焦爐無塵噴補方法研究［J］.冶金設備，2006（6）：59－61.

［3］ 韓占忠，王敬，蘭小平.FLUENT流體工程仿真計算實例與應用［M］.北京：北京理工大學出版社，2004：70－73.

［4］ 董志勇.射流力學［M］.北京：科學出版社，2005：15－16.

Simulation analysis of the interior flow field of injection suction feeder of a new dustless gunning machine

Wang Xing，Xie Jiangang
（College of Machinery and Automation，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China）

To offer the theoretical basis for optimizing the structure of a new coke oven dustless gunning machine，Fluent，a fluid simulation software，was employed for 3D modeling and numerical simulation of the injection suction feeder，and the distribution in the interior flow field of the injection suction feeder was studied in two situations when the connecting pipe has stretched into the feeder pipeline and when the connecting pipe hasn’t.The results show that when the connecting pipe hasn’t stretched into the feeder pipeline，the minimum inlet pressure that can overcome the fall resistance of powder is 0.191 0 MPa and under this circumstance，the minimum pressure on the pipeline wall is 0.089 3 MPa.When the connecting pipe has stretched into the feeder pipeline，the internal flow field of the injection suction feeder is subject to obvious interference，and the inhaled effect of gunning mix is comparatively the best when the pipe elongation is 8 mm.

dustless gunning；injection suction feeder；numerical simulation；jet current

TF065

A

1674－3644（2012）04－0268－04

［責任編輯 尚 晶］

2011－12－23

王 杏（1987－），女，武漢科技大學碩士生.E－mail：411481871＠qq.com

謝劍剛（1956－），男，武漢科技大學教授.E－mail：xiejian3833＠sina.com