基于CFD防爆工程車廢氣處理箱結構優化分析

張思婉，申 超

（1.鄭州鐵路職業技術學院，河南 鄭州 450002；2.中船重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015）

1 引言

煤礦井下會積存有瓦斯、煤塵等易燃易爆的物質，當防爆工程車井下運行時，其動力系統—柴油機本身會產生高溫或者火花引燃這些危險物質，產生爆炸，而其中又以排氣系統的廢氣危害最為嚴重。在這個安全為生產加工的前提條件的時代，對柴油機的技術要求就會越來越高[1]。隨著現代化采礦技術的發展，井下防爆運輸設備將會成為未來的發展趨勢。因此，研究防爆車輛發動機廢氣防爆技術，對于國內相關技術的發展和實踐都有很重要的指導意義。國內外學者對此進行了一定研究：文獻[2]分析發動機排氣管布置形式對排氣溫度的影響；文獻[3]基于數值仿真，對氣體和液體之間的融合換熱過程進行分析；文獻[4]基于CFD分析技術，對廢氣處理阻火氣結構進行分析，以圓弧過渡代替直角，達到提高效率的目標；文獻[5]對廢氣處理箱內的氣液兩相流熱交換過程分析，以實現最優化設計。根據防爆工程車輛發動機總成布置結構，結合氣液換熱過程，對廢氣處理箱進行初步設計；基于CFD分析阻煙隔板、氣體進入速度、初始液面高度等對廢氣處理箱性能的影響，以液體含氣量作為目標值，獲得最優的結構設計，基于防爆發動機試驗臺架，對優化前后廢氣處理箱的能量消耗進行分析，用以檢驗優化設計的可靠性。

2 廢氣處理箱結構

因為煤礦井下存在各種可燃性氣體和煤炭、瓦斯等易燃易爆的物質，所以防爆車輛發動機不同于一般發動機，需要對其結構進行改裝，考慮到整機防爆性能，對進氣系統、排氣系統、啟動系統、冷卻系統、燃油箱等都要進行防爆技術改裝，使之能在井下安全運行[6-7]。防爆車輛發動機總成結構，如圖1所示。

圖1 防爆車輛發動機總成圖Fig.1 Explosion-Proof Vehicle Engine Assembly Diagram

從圖可知，防爆發動機排氣系統主要是由水夾層排氣管、波紋管、廢氣凈化器、阻火器、廢氣處理箱等部分組成。從排氣歧管排出的空氣經過水夾層排氣歧管的冷卻，再經過廢氣凈化器和廢氣處理箱的二級凈化處理，最后從排氣阻火器消滅火花后排出。廢氣處理箱是尾氣凈化和冷卻的一種裝置，主要有兩種形式，即水洗式廢氣處理箱和干式廢氣處理箱[8]。水洗式廢氣處理箱是指廢氣處理箱內部有個水箱，這個凈化水箱進一步冷卻廢氣，熄滅廢氣中的火焰，消除碳煙及溶解水中的有害氣體。所研究車輛使用的廢氣處理箱，如圖2所示。

圖2 原廢氣處理箱結構Fig.2 Original Waste Gas Treatment Tank Structure

3 基于CFD廢氣處理箱因素分析

3.1 內部增加阻煙板

當廢氣處理箱內部不安裝任何構件的時，高溫煙氣沖入水箱內部，在進口處形成空隙，隨著空隙的逐漸擴大，氣膜到達一定程度時破裂在水箱內發生氣液混合運動。但是從整體看來，運動比較平穩，氣體分布不均勻的現象還不是很明顯，這就會導致氣液混合不均勻，液體不會起到良好的凈化廢氣雜質的作用[9]。安裝阻煙板后三維網格圖，如圖3 所示。模擬時間從t=0.1s 到t=0.6ss時刻流動形態，如圖4所示。

圖3 安裝阻煙板三維網格圖Fig.3 Install a Three-Dimensional Grid of Smoke Traps

圖4 煙氣進入水池的流動形態Fig.4 Flow Pattern of Flue Gas Entering the Pool

圖中可以看出氣液混合更加劇烈，這是因為氣體從進口流入經過小孔流出形成了更為復雜的氣液混合流動，在一定程度上存在著氣體的旋流現象，氣液混合更加劇烈，從而可以推出氣液混合時水對于煙氣的凈化效果更加明顯。阻煙板的存在一方面破碎氣泡減小了氣泡的集聚現象一方面能使氣泡通過分散進入液池右側，在右腔室內發生混合運動，液體也同時可以向反向運動。

內部構件對高溫煙氣進入水池水汽混合形態的影響比較明顯。沒有內部構件時，液池內波動平緩，液面比較穩定。有阻煙板時，氣液混合更加劇烈，加裝內部構件的結構增強了氣相與液相之間的相互擾動，有效的促進了氣泡的破碎和氣液兩相之間的摻混。

內部阻煙板均布小孔，使得周圍出現了液相的反折運動，延緩了氣泡在液池中的運動速度，延長了氣體與液體相互混摻的時間，增強了凈化效果；最后內部阻煙板使得含氣量在y方向的分布更加均勻，有利于增加氣液之間的接觸面積，增強傳質傳熱。安裝阻煙板前后流速分布圖，如圖5所示。

圖5 安裝阻煙板前后渦流區放大圖Fig.5 Magnified View of Vortex Area Before and After

圖中可知看出，畫圈區域為局部渦流矢量場，從圖中可以看出氣液湍動流場內回流區的產生與發生，阻煙板上有很多均勻的小孔，可以破碎水池內流動的大氣泡，塊狀氣泡在此區域形成并且破碎，造成氣液兩相在液池內產生回流。氣體依靠初速沖擊液面，氣體的湍流流動引起了液體的湍流流動，液池同時可以反折流動。從圖中也可以看出，分隔板之間氣液兩相混合流場十分紊亂，相間擾動劇烈，促進了氣液間的動量交換。氣液兩相在構件層之間均產生回流，回流作用有利于強化氣液間的混合效果。

如從t=0.1s至t=0.6s時刻安裝阻煙板前后y方向含氣量對比圖，如圖6所示。

圖6 含氣量對比圖（t=0.6s）Fig.6 Gas Content Comparison Chart

在y方向含氣量對比圖中可以看出從t=0到t=0.6s時，安裝阻煙板的結構的氣體含氣量在y方向時，內部含氣量大約從0.5420增加到0.5560，整體上呈現穩定趨勢，但是沒有安裝阻煙板的結構則是從（0.02～0.68）范圍內變化，變化趨勢非常劇烈。

3.2 控制氣體進入水池速度

假定所有的外界影響因素不變，初始時刻靜態水位取做水池的一半為334mm，改變進入水箱內部的氣體流速，取氣體流速為10m/s、13m/s、15m/s（原定初始時刻流速）、17m/s、20m/s，分別模擬出從t=0.1s到t=0.4s時刻各流速下y方向含氣量的分布圖，如圖7所示。

圖7 t=0.4s各進氣流速下時均含氣量變化圖Fig.7 The Change of Gas Content at Each Inlet Flow Rate t=0.4s

由圖7 的曲線走勢可以看出，隨著進口氣速的增加時均含氣量逐漸增加，這是因為隨著時間的推移，進入水箱系統的氣體逐漸增加，氣體流量的增加使得系統內的整體含氣量逐漸增加的緣故；同時氣體流速的增加使得進氣管產生的氣體氣泡直徑增大，可能會導致液相湍能耗散率的增大，氣液之間的接觸面積增大。

設定監測線x=200mm（即在水箱系統的中折線處），監測此監測線上的y方向含氣量對比圖，如圖8（a）所示。t=0.4s整體含氣量隨進口流速變化圖，如圖8（b）所示。

如圖8含氣量在監測線y方向分布圖，在這五個轉速下存在一個交點，含氣量大約在（0.55～0.57）范圍之間，在模擬系統y=250mm處。從圖中可以看出，在氣液平衡位置以下，廢氣處理箱系統內的整體含氣量隨著進口流速的增加而增加；在氣液平衡位置以上，廢氣處理箱系統內的整體含氣量隨著進口流速的增加而降低。即較高氣速下上部空間的氣含量低而帶液量增加。液面穩態位置以上，進氣流速較高的瞬時含氣量要小于進氣流速較低的瞬時含氣量。這說明：在較高的流速下，池內的氣泡尺寸較大，且氣體動量較大，液面氣泡破碎濺射的液滴較多，而且能夠更容易被氣體攜帶至上部空間。

圖8 含氣量變化Fig.8 Variation of Gas Content

3.3 初始液體高度

為了研究初始時刻液位對整體廢氣處理箱系統水汽兩相含氣量的影響，分別取作初始時刻液位為195mm、210mm、225mm、240mm、255mm 來分別模擬對應的初始液位在t=0.4s 時刻監測線y方向上的含氣量分布，通過記錄每個y值處含氣量的值繪制出各初始液位下（t=0.4s）時刻處的其含量變化曲線，如圖9所示。

圖9 不同初始液位下y方向含氣量分布Fig.9 Distribution of Gas Content at Different Initial Level

從圖中得到結論：隨著初始液位高度的增加，在氣液平衡位置以上隨著初始液位的增加，對應y值下的含氣量逐漸下降，對應y值下的含氣量卻逐漸上升。分析原因如下：氣體通過進氣管進入液池內，液位增加肯定會導致進氣管在液池內的浸沒深度增加，從而增加了氣體穿越液池的深度。

3.4 優化結構分析

根據以上分析，對原設計進行優化，新設計結構，如圖10所示。采用廢氣凈化器和水稀釋廢氣處理箱的二級凈化方式，從而達到理想的廢氣凈化結果。

圖10 新型廢氣處理箱裝配圖Fig.10 New Exhaust Gas Treatment Tank Assembly

同時，在廢氣進入水箱箱體之前安裝有防爆柵欄，防爆柵欄利用間隙隔爆原理消滅火星，從而在進入廢氣處理箱箱體之前消滅火花，所以減少了箱體的制造加工難度和精度。在整體布局上，箱內隔板將箱體內部分為兩個腔室，進氣口腔室和排氣口腔室。隔板上均勻密布小孔，水汽通過隔板小孔實現箱體內的循環流動。進氣管壁面開消音孔，出口處設有用于破碎氣泡的網篩結構，進氣管下部設有擋水柱，減少了箱體底部的承壓能力，避免了高溫廢氣直射入箱體底部對箱體的損壞，提高了壽命。所述廢氣處理箱被中間隔板劃分為左腔室和右腔室，右腔室主要包括了進氣系統部分。主要由一級進氣管、底部擋水柱、一級逆流管、套管等組成。一級進氣管做成是消音器，主要用于消滅噪音。底部擋水柱安裝在正對一級進氣管的箱體底部防止高溫煙氣直接沖擊箱體底部。

4 廢氣處理箱試驗測試

防爆柴油機臺架試驗使用防爆柴油機本體及水力測功機搭建起來的一個功率扭矩測試試驗臺。

測功機是用于測試柴油機、汽油機、電動機、汽輪機等各種動力機械有效的設備，同時也是動力機動力特性試驗以及各類傳動機械試驗中的測試設備。試驗臺，如圖11所示。打開進水閥，改變進、排水閥開度，調節測功機工作腔中的水環厚度，注意在測功機工作過程中，要保持進水量不能間斷。當發動機的工況穩定時，使發動機按照100rpm的轉速遞減，直到發動機轉速為1300rpm，記錄每個轉速點的負荷。

圖11 防爆柴油機臺架結構圖Fig.11 Structure of the Explosion-Proof Diesel Engine Bench

通過安裝原設計和新設計方案，獲得發動機的功率和扭矩輸出，如圖12所示。

圖12 兩種方案對比Fig.12 Comparison of the Two Schemes

通過功率和扭矩對比圖可以知道，在試驗所測的轉速范圍內，新方案的功率扭矩＞原設計方案柴油機功率扭矩，與原方案相比，新方案的發動機在最大功率點功率上升了4.0%，在最大扭矩點扭矩上升了1.4%，這說優化設計方案在滿足防爆要求的同時，有利于提升發動機的效率。

5 結論

基于CFD對初步設計的廢氣處理箱進行影響因素分析，在此基礎上對設備進行優化設計，在試驗臺架上對比優化前后對發動機輸出特性影響，結果可知：

（1）廢氣處理箱內增加阻煙板，可以改變氣體流動的路徑，增加旋流，使得發動機排放的廢氣和液體混合的更為充分和劇烈，效果更好；

（2）隨著進氣流速的增加，液體的含氣量降低，箱體上部的液體更多，液體更容易通過進氣口進行反流，因此需要增加擋水板；

（3）當箱體內的初始液位比較高時，廢氣和液體混合的更加充分，液體的含氣量更高，而過高的液面則容易造成外濺，因此需要增加水浮進行控制；

（4）與原方案相比，新方案的發動機在最大功率點功率上升了4.0%，而最大扭矩上升了1.4%，這說優化設計方案在滿足防爆要求的同時，有利于提升發動機的效率。