三菱形靜電消除器的優化設計

董炎，胡又平，梅雪飛，楊胤鐸

(武漢理工大學 a.理學院；b.自動化學院，武漢 430063)

高閃點噴氣燃料是航母補給艦等現代大型艦船儲運的重要油品[1]。噴氣燃料屬于易燃易爆危險品，在艦船儲運過程中，由于流動、過濾、混合、噴霧、噴射、沖洗、加注、晃動等工況，會產生和積累靜電，成為油氣儲運的重要危險源。解決這一問題的唯一辦法是加裝靜電消除器。傳統史密斯靜電消電器采用的是在絕緣內管上加裝圓形集流放電針進行電荷消除，這類消電器存在針尖磨損、絕緣內管污染導致消電效率急劇下降，以及無法滿足大流量的管路靜電消除等問題[2-5]。為此，針對現代艦船油品儲運的大流量、高流速條件，“輸油管道靜電消除器”[6]提出一種基于三菱錐形消電針的新型管道靜電消除器，在文獻[7]的基礎上，采用有限元分析法對新型靜電消除器內部的電場和流場進行仿真模擬，以靜電消除器出口的平均電荷密度為依據，評價集流放電針的消電能力，探討消電針的結構及布局對消電的影響，對三菱錐形靜電消除器結構進行優化。

1 靜電消除器

管路靜電消除器一般布置在油料過濾器后和油料入艙管前，以消除油品中的靜電。新型的靜電消除器結構見圖1。

新型靜電消除器結構見圖2。

圖2 三菱形集流放電針

新型靜電消除器的特點為：①在三菱形集流放電針的尖端和側鋒均能形成較強的感應場強，在該區域內進行靜電中和；②通過管道擴徑，減小流體的流速，形成繞流，流體中的靜電充分混合，使每一根針均能形成較強的感應場強對流體中的靜電進行消除。

2 靜電消消除器建模分析

2.1 靜電消除器數值建模

為簡化模型，省略管道入口，閥門，感應式球狀電極、螺栓等導致靜電消除器形狀不規則和局部場強增加的結構，構造簡化三菱錐形油品管道靜電消除器單針模型，在COMSOL Multiphysics軟件中構建管道靜電消除器的模型，見圖3。其管道內徑40 cm，長88 cm，三角針為正三菱錐，頂角為6°，高20 cm，設定噴氣燃料的流速為3 m/s，從左端入口流入，將模型中管道中軸線的中心設置為坐標原點，管道中軸線與x軸重合，放電針中軸線與y軸重合。

圖3 靜電消除器結構

輸油管道的材料為金屬材料，集流放電針為特制合金材料，具有良好的導電和抗磨損能力。

2.2 電荷注入原理和模擬條件

當噴氣燃料處于靜止狀態時，呈電中性，燃料流動破壞了這種平衡，將雙電層中的電荷帶入燃料中，從而使燃料帶有電荷。紊流狀態下噴氣燃料中的電荷分布滿足如下關系式[8]：

(1)

輸油管道中雷諾數Re=4 000，設定油流為不可壓縮，基于Navier-Stokes方程得出流場分布。

▽·v=0

(3)

式中：ρm為噴氣燃料密度；v為速度；P為壓力；η為黏度；F為體積力。

模擬仿真中，選定流場入口為速度入口，管壁無滑移。電場分布基于高斯定律得出，公式為

▽·εE=q

(4)

E=-▽U

(5)

式中：E為電場強度；ε為噴氣燃料的介電常數；q為產生靜電場的空間電荷密度；U為電勢。

集流放電針是管道靜電消除器內的核心部件，噴氣燃料中的靜電是通過其尖端和側峰產生電暈放電進行中和。集流放電針附近的電場在大于尖端放電的閾值電場時，會產生電暈放電注入電荷對噴氣燃料中的靜電進行消除。注入的電荷密度與電極表面上電場強度的依賴關系式為[9]

ρin=α(E-Ethree)

(6)

式中：α為實驗擬合得到的比例常數；E為金屬電極表面的靜電場；Ethres為金屬表面上能發生電荷注入的電場閾值，放電針表面上靜電場強度大于Ethres的位置才能產生電荷注入。

選用航空煤油，電導率為86 pS/m，確定k=8×10-10C/Vm2，Ethres=2×105V/m。

分析噴氣燃料中電荷的運輸規律，選用摩爾體系，此時噴氣燃料內電荷密度可由離子的摩爾濃度換算得到。

ρe=zFc

(7)

式中：z為單個離子攜帶的電荷數；F為法拉第常數；c為油品中帶電粒子的摩爾濃度，mol/m3。噴氣燃料中入口粒子帶正電荷，集流放電針注入的電荷帶負電，離子濃度分別為ce和cin。

管壁與集流放電針接地，油品流速為3 m/s，環境溫度為300 K，此時，航空煤油的介電常數為1.7，黏度為6 mPa·s，密度為800 kg/m3，通過電導率測試儀測得航空煤油的電導率為86 pS/m。

3 模型計算結果與分析

設定靜電消除器入口噴氣燃料的電荷密度為300 μC/m3，計算其出口噴氣燃料的平均電荷密度，作為靜電消除器優化布局的依據。計算時，計算模型處于同一文件內，使用同一網格模型，避免因為參數不同而造成誤差。

3.1 集流放電針長度對電荷分布的影響

對不同高度的針進行模擬時，保持頂角不變，改變集流放電針在管內的長度，0.1R～1.0R，R為管導半徑。在此條件下得到管道中心徑向截面的電荷分布。以針的長度為R為例，其電場分布見圖4a)，計算出口的電荷密度見圖4b)。

圖4 靜電消除器內電荷密度分布和電勢分布

由圖4可見，油品自然起電后的電荷離子往往集中在管壁附近，不易消除，通過擴徑作用，使得電荷離子集中在靜電消除器的中心區域，便于消除。計算不同集流放電針長度下出口的電荷密度，得到電荷密度與放電針長度的關系見圖5。

圖5 出口電荷密度與集流放電針長度關系

由圖5可知，出口的平均電荷密度隨集流放電針長度的增加而降低，在集流放電針的長度為R時最低，由于管道內部的電荷分布在紊流狀態下分布不均勻，大部分電荷集中在管道中心，當集流放電針的長度發生改變時，因尖端效應，電荷在針周圍激發的電場強度不同，導致大于閾值電場的區域大小不同。因此，在三菱錐形靜電消除器中，單針的長度為管道半徑時，大于臨界電場的區域最大，集流放電針對電荷的捕獲能力最強。

3.2 軸向上集流放電針的距離對電荷分布的影響

基于前述模型，選取針長為R，分析在管道軸向截面上2根集流放電針間距對出口平均電荷密度的影響，針的間隔增加步長為0.1R，間隔為0.5R時的電荷密度分布計算結果見圖6，出口的電荷密度與集流放電針的關系見圖7。

圖6 靜電消除器內電荷密度分布和電勢分布

圖7 靜電消除器內電荷密度分布和電勢分布

由圖7可見，隨著集流放電針間距的增大，出口的平均電荷密度減小。當集流放電針的間距為0.6R時，出口的平均電荷密度基本不變；當兩針間距在0～0.6R之間時，兩針相距越近，相鄰放電針形成的電場相互影響越大，導致放電針周圍的電場強度下降，大于閾值電場的區域面積減小。故間隔為0.6R時，出口的平均電荷密度越大。同時兼顧效率與經濟性，集流放電針的間隔為0.6R時最佳。

3.3 靜電消除器內集流放電針數量對電荷分布的影響

放電針在管內呈環狀排布能效率最大地消除噴氣燃料中的電荷，靜電消除內放電針的數量決定了環狀排布的夾角，選取6根針時進行電荷分布計算，見圖8，放電針的數量對出口平均電荷密度的影響見圖9。

圖8 靜電消除器內電荷密度分布和電勢分布

圖9 集流放電針的數量與出口電荷密度的關系

由圖9可見，靜電消除器內集流放電針數量增加，靜電消除器出口的電荷密度逐漸減小。集流放電針的數量大于6時，出口的平均電荷密度基本不變。在實際的工程應用中，考慮實際工況與成本，消電器的管體長度有限，當放電針的根數為6時，出口的平均電荷密度接近最低值，靜電消除器對電荷的消除能力趨近最強。因此，在三菱錐型消電器中，選擇集流放電針的根數為6根。

4 實驗驗證

通過實驗驗證系統對靜電消除器的消電情況進行實驗，實驗系統框路見圖10，噴氣燃料置于儲油罐1中，經油泵輸送后在管道中循環流動，靜電消除器對油品中的靜電進行消除，通過靜電消除器入口和出口的測量電極檢測靜電消除器出口和入口的電荷密度，多次測量并取平均值。

圖10 實驗系統示意

對不同流速下靜電消除器出口的電荷密度進行對比，見圖11。

圖11 實驗結果與模擬結果對比

圖11表明，在靜電消除器內油品流速和電荷密度相同的情況下，三菱錐形靜電消除器實驗與模擬的出口電荷密度大致相同。實驗測量方案存在一定的因靜電泄放而產生的誤差，測量得到的出口的電荷密度偏大，因此，測量得到的電荷密度比模擬值略高。實驗所測靜電消除器出口的電荷密度大幅降低，驗證了靜電消除器的消電能力。

5 結論

1)新型管道靜電消除器的消電效率由消電針的長度、布局，以及數量決定，其長度為管道半徑R、間距為0.6R、數量為6根時，其消除的能力達到最大值。

2)通過數值模擬與實驗結果進行比較，驗證了所建立的模型及計算方法可行，可供靜電消除器優化設計參考。