調徑文氏管氣液耦合數值模擬優化

張 旭 王華軍 吳少非 劉 霄

（北京中冶設備研究設計總院有限公司 北京 100029）

1 引言

調徑文氏管是轉爐煙氣凈化與回收系統中兼顧了除塵與煤氣回收雙重作用的關鍵部件［1］。它通過喉口的閥芯調節使經過粗除塵后的煙氣在其喉口部保持一定的流速與噴入的液滴耦合，通過塵粒的碰撞與攔截將粒徑很小的塵粒從煙氣中分離出來，達到煙氣凈化目的［2］。

2 調徑文士管結構與原理

轉爐煙氣凈化與煤氣回收的調徑文氏管為米粒型閥芯的矩形文氏管，可調喉口文氏管結構分為：入口收縮段、可調喉口閥芯、出口擴張段、供水裝置。它是通過調節喉口處的閥芯來調節煙氣流速。本設計院設計生產的側噴水可調文氏管喉口如圖1所示。

圖1 喉口設計與實體結構圖

3 調徑文士管Pro／E三維建模

對于調徑文氏管的三維建模，選取的是美國PTC公司的產品Pro／E。三維軟件的建模對于其后仿真分析計算流場具有很重要的影響。Pro／E軟件與CFD軟件的兼容性好［3］。同時，最大的特點在于模型建立的全參數化，有利于后期對模型參數的修改。三維圖如圖2所示。

圖2 三維總裝圖

4 液氣耦合數值模擬原理分析

當含塵煙氣進入收縮管后，氣流速度隨著截面的減小而聚增，高速氣流使從噴水嘴噴出的水霧化，沫化成無數大小水滴［4］（粒徑在100μm左右）。煙氣密度為ρ＝4410kg／m3、煙塵濃度為C＝109g／m3可知煙塵顆粒體積遠遠小于煙氣體積，故忽略煙塵顆粒對流動的影響。

氣液混合的水氣比為L＝1～1.3L／m3，噴射液滴體積對氣體的體積率為10%左右，故用歐拉—拉格朗日方法建立煙氣與液滴的數學模型，把煙氣作為連續介質，從雷諾時均Navier-Stokes方程，選用標準的k-ε湍流模型封閉［5］。把霧滴顆粒群作為離散體系，通過積分拉氏坐標系下的顆粒作用力微分方程來求解離散相顆粒的軌道。為了精確的描述噴淋的過程，在模擬計算中采用非穩態的離散相模型跟蹤液滴［6］。圖3示意了兩相之間的動量、質量與熱量間的交換［7］。

圖3 離散相與連續相之間的質量、熱量與動量交換示意圖

顆粒的作用力動量交換平衡方程在笛卡爾坐標系下的形式（x方向）為：

式中FD（u-up）—顆粒的單位質量曳力

u—流體相對速度（m／s）；

up—顆粒速度（m／s）；

μ—流體動力粘度（Pa·s）；

ρ—流體密度（kg／m3）；

ρp—顆粒密度（kg／m3）；

dp—顆粒直徑（μm）；

Re—相對雷諾數（顆粒雷諾數）其定義為Re＝，曳力系數，對于球形顆粒，在一定的雷諾數范圍內，上式中的a1、a2、a3為常數。

5 液氣耦合仿真數值模擬

創建噴射源進行耦合模擬，設定6個軸向順噴的噴嘴，安裝位置為（x，y，z）分別為（0.53，0.22，0.9），（0，0.22，0.9），（-0.53，0.22，0.9），（0.53，-0.22，0.9），（0，-0.22，0.9），（-0.53，-0.22，0.9），噴水溫度為313K，噴水壓力為0.3MPa，噴嘴噴水角度為120°，文氏管溫度恒定與外界溫度同為300K，煙氣與液滴之間的熱交換可以忽略不計，并假設文氏管內外無傳熱。

5.1 軸向噴水氣液耦合數值模擬分析

模擬煙氣量為Q＝135000m3／h，噴水量為37.5kg／s，擋板開度為80°時文氏管內部全壓云圖。為清晰說明霧化液滴對氣流的影響，垂直氣流方向沿Z軸方向依次截取9個斷面，斷面坐標依次為Z＝1.24m（入口平面），Z＝0.9m（噴嘴安裝平面），Z＝0.16m（左側喉口平面），Z＝0m，Z＝-0.16m（右側喉口平面），Z＝-1m，Z＝-2m，Z＝-3m，Z＝-4m（出口平面），進行壓力損失分析。如圖4所示。

圖4 不同Z平面壓力云圖

依次對比各平面壓力云圖可知噴入液滴對煙氣壓力損失的影響是顯著的，在喉管部分壓力損失最大，主要是有氣體與液滴動量相互耦合，氣體對霧化的液滴加速導致。

5.2 離散相霧化液滴速度跟蹤分析

跟蹤 “離散相霧化液滴速度跟蹤圖”如圖5所示。

圖5 離散相霧化液滴速度

可以看出液滴從噴射平面射入以后速度逐漸增加，在喉口位置液滴被加速到110m／s左右，在喉口處氣、液、固相互之間高速耦合，塵粒表面附著的氣膜被沖破，使塵粒被濕潤［8］。在塵粒與液滴或塵粒之間發生著激流的碰撞、凝聚。在擴散管中，氣體和液滴的速度減小、壓力回升，使這種以塵粒為凝聚核的凝聚作用發生得更快。

6 軸向與側面徑向噴水氣液耦合對比分析

液滴噴入方法分軸向和徑向兩種。根據兩種不同的噴射形式進行了數值模擬，對離散相霧化液滴進行速度跟蹤，同時選取單束噴射液滴隨時間加速的曲線進行研究。

6.1 軸向噴入液滴速度跟蹤分析

圖6與圖7為軸向噴水液滴速度云圖與單束粒子時間速度追蹤。

軸向噴水液滴與氣體速度同向，液滴逐漸被加速，軸向液滴被加速的時間為0.18s，液滴從30m／s加速在100m／s左右，在喉口處液滴被加速到最大大約為100m／s左右，然后進入擴張段后速度從最大速度逐漸下降到20m／s左右。

6.2 側面徑向噴入液滴速度跟蹤分析

圖6 水滴速度跟蹤云圖

圖7 單束粒子速度追蹤圖

圖8與圖9為徑向噴水液滴速度云圖與單束粒子時間速度追蹤圖。

從喉管側面徑向垂直氣體速度噴入的霧化液滴在喉口處以很小的速度與速度最大時的氣體相互耦合，噴入液滴的加速時間為0.12s，噴入的液滴被分成速度不均勻的幾部分，一部分液滴被加速到140m／s后與氣體相互作用隨后進入擴張段，一部分液滴與閥芯碰撞發濺進入收縮段，一部分液滴直接進入了擴張段。

6.3 兩種模式對比分析研究

比較兩種不同的噴水方式可知，軸向液滴被加速的速度比較均勻，徑向噴入加速情況雜亂無章，液滴沒有被充分加速利用，這將嚴重影響煙氣的除塵效率與氣體的壓力損失。如果要達到很好的除塵效果必須增加噴水量或者增大氣體的速度，這樣既增加了氣體的壓力損失又增加了水的消耗。

圖8 水滴速度跟蹤云圖

圖9 單束粒子速度追蹤圖

7 不同噴水量下壓力損失與煙氣流量分析

將調徑文士管閥芯的角度固定在73°不變，讓通過的煙氣量在12.5～40m3／s之間變化，噴入不同水量分別為Q＝70kg／s、Q＝35kg／s、Q＝25kg／s，數值模不同工況下的氣液耦合情況，繪制壓力損失隨煙氣量變化曲線如圖10所示。

由圖10可知，調徑文氏管角度固定，氣體用于液滴的進一步霧化和加速的動量損失也就越多，故壓力損失隨水氣比的增大而增大。

圖10 不同噴水量下壓力損失隨煙氣變化曲線

8 結語

如何通過改進文丘里管內的噴水形式來達到更好的除塵效果與降低系統能耗是國內外研究的課題。本章從現場實際問題出發，使用CFD軟件中的離散模型數值模擬連續相煙氣與離散相水滴在調徑文氏管內相互耦合情況。通過對文士管軸向不同Z平面壓力云圖與液滴粒子速度追蹤云圖分析，可知在喉管部液滴被煙氣加速到最大，氣、液、固相互之間高速耦合。對比軸向與徑向兩種噴水模式下液滴被加速的情況，得出軸向噴水時液滴加速較徑向噴水效果好，液滴全部被均勻加速到滿足除塵效率要求的速度，故內部軸向噴水能達到高效節水除塵效果。

［1］劉曉悅.轉爐煤氣回收控制系統［J］.計算機工程與設計，2006，Vol.27（17）：3306-3308.

［2］單杰山.轉爐煙氣凈化及煤氣回收系統方案比較［J］.鋼鐵技術，2005（2）：39-54.

［3］文熙.Pro／ENGINEER野火版3.0寶典［M］.北京：電子工業出版社，2007：25-66.

［4］馬廣大.除塵器性能計算［M］.北京：中國環境科學出版社，1990：335-379.

［5］王瑞金.FLUENT技術基礎與應用實例［M］.北京：清華大學出版社，2007：1-198.

［6］韓占忠，王敬，蘭小平.FLUENT：流體工程仿真計算機實例與應用［M］.北京：北京理工大學出版社，2004：5-44.

［7］陶文銓.數值傳熱學［M］（第二版）.西安：西安交通大學出版社，2001：306-318.

［8］李廣超.大氣污染控制技術［M］.北京：中國環境科學出版社，2007：128-237.