大流量亞微米顆粒物氣溶膠精準分離器設計*

符龍熙,易禮斌,歐 強

(重慶交通大學 機電與車輛工程,重慶 400074)

0 引 言

窯洞在中國民間建筑歷史中占據著極為重要的地位,它是一種歷經四千多年的發展完善,依據自然地勢、地質等條件形成的適宜中國西北地區氣候、環境的穴居式民居建筑形態[1]。中國黃河流域的窯洞是一種特有的居住建筑樣式,主要分布于甘肅、山西、陜西和河南等地區。時至今日,窯洞居住者仍然數量眾多。根據古窯洞課題組調查,1949～2000年,中國的窯居總人數達一億一千萬人,截至2018年,窯洞居住者仍有近二千萬人[2]。

大部分窯洞結構為拱券結構[3],該結構會導致內部通風不暢,窯筒內空氣中常含有大量天然放射性氣溶膠即0.5μm及以下的亞微米顆粒物,若居民吸入一定濃度的粒物,將會在體內積累強烈的輻射性,使體內各個器官發生不同程度的損傷,進而引發功能紊亂、嚴重時可能導致基因突變及生育能力器官衰竭甚至死亡。更嚴重甚至可能誘發白血病和癌癥。因此需要一種大流量亞微米顆粒物氣溶膠精準分離器對環境中的亞微米顆粒物進行精準分離,進而精準測量其濃度,確保居住環境的安全以及居住者的健康問題。

亞微米顆粒物氣溶膠分離器是虛擬沖擊器的應用之一[4],它基于慣性式原理實現微粒物的分離與富集,能顯著提高氣體中待測微粒物的濃度,是實現高精度核輻射顆粒物檢測的重要前提,研制此新型分離器對當前的窯洞居住者和鄉村振興具有重要意義。

虛擬沖擊器在氣溶膠的采集方面得到了廣泛的應用,并一直在改進。而提高虛擬沖擊器的性能可從三個方向入手:①在相同的流量下降低壓降;②減少虛擬沖擊器內部的氣溶膠粒子損失;③減小切割粒徑[5]。隨著時間推移,虛擬沖擊器的性能不斷優化,切割粒徑范圍也不斷擴大,但目前絕大多數虛擬沖擊器仍只能適用于小流量的顆粒物富集,無法應用于大流量工況下的顆粒物富集。

在20世紀80年代,國外學者已經開始對虛擬沖擊器進行系統化和應用化的研究。在此之后,越來越多的國外研究團隊對虛擬沖擊器進行了深入探討,并逐步將虛擬沖擊器應用于相關設備中[6-9]。而國內對虛擬沖擊器的研究和應用相對較少,而且其大多應用于低濃度氣溶膠的快速采樣[10],不能實現大流量工況下粒子富集。因此,工作流量與壁面損失、收集效率和切割粒徑之間的矛盾無法平衡。當前市場上的虛擬沖擊器的切割粒徑主要為微米級別,針對亞微米級別粒子的虛擬沖擊器的研究相對較少[10]。而常見的天然放射性氣溶膠粒子一般粒徑小于0.5 μm[11],可直接經由呼吸道進入人體而產生危害;另外,粒徑越小,粒子的分子運動越明顯,軌跡方程越復雜[12],越難以進行檢測。因此,開展大流量亞微米顆粒物氣溶膠精準分離器設計具有重要的理論價值和應用價值。

為實現對大流量亞微米顆粒物濃度檢測的高精度,筆者從實際應用需求出發,設計出一種由空氣旋流器、亞微米虛擬沖擊器組成的大流量亞微米顆粒物氣溶膠精準分離器。首先對空氣旋流器、亞微米虛擬沖擊器進行設計和數值模擬,并根據模擬結果提出結構優化方案。結構優化后,大流量亞微米顆粒物氣溶膠精準分離器平衡了工作流量、壁面損失、收集效率和切割粒徑四者間的矛盾,同時實現了大流量亞微米顆粒物濃度的精準檢測。

1 結構設計

文中設計的大流量亞微米顆粒物氣溶膠精準分離器設計如圖1所示。其由空氣旋流加速器[13]與亞微米虛擬沖擊器構成。空氣旋流加速器提供大流量,實現高濃度微粒的快速富集;亞微米虛擬沖擊器實現微粒的精準分離。

圖1 精準分離器模型圖2 空氣旋流加速器模型

1.1 空氣旋流加速器設計

空氣旋流加速器的設計基于人造龍卷風抽吸原理,它主要由旋風入口、渦殼和拉法爾管三個部分構成[14],整體設計如圖2所示。

根據常見的顆粒物分離器尺寸,將蝸殼出口簡化為一個φ10的圓截面,同時蝸殼壁面遵循漸開線方程,空氣沿著漸開線收縮,增強旋風的旋轉能力,方程如下:

x=(5t1+5)cos(2πt1)

(1)

y=(5t2+5)sin (2πt2)

(2)

式中:t1=0,t2=2,2.5,3。

拉法爾管由一段漸縮管和一段漸擴管構成,漸縮管起到增大流速作用,漸擴管起到穩流作用,為亞微米虛擬沖擊器提供穩定流場。

1.2 亞微米虛擬沖擊器設計

虛擬沖擊器一般基于Marple理論進行設計,主要設計雷諾數和Stokes數兩個參數[6]。

流場的雷諾數為一個無量綱數,是流體所受慣性力與粘性力的比值,其表達式為:

(3)

式中:ρ為空氣的密度;u為流體的平均速度;μ為空氣動力粘度;Q0為流量大小。一般來說,當雷諾數Re>4 000時,流體的流動形式為湍流,雷諾數Re越大,湍流現象越明顯,壁面損失越大。

對于亞微米粒子的運動分析時,粒子的實際運動速度比由斯托克斯定律計算出的快。因此,對亞微米粒子按式(4)進行坎寧安滑移修正:

(4)

式中:λ為氣體分子自由程;Dp為氣溶膠粒徑。

故經過修正后的Stokes數St的表達式為:

(5)

經過上述理論計算可知,亞微米虛擬沖擊器設計雷諾數為500～1 600范圍內,噴嘴直徑D0=0.7 mm。圖3中已標示出虛擬沖擊器的主要結構參數,包括入口噴嘴的孔徑D0,收集孔的孔徑D1以及二者之間的距離S。根據相關設計經驗,一般收集孔的孔徑D1取為噴嘴直徑D0的1.3～1.4倍,兩孔之間的距離S取為噴嘴直徑D0的1.2～1.8倍,此外,還要保證兩個孔的同軸度誤差小于0.05 mm。

圖3 虛擬沖擊器的主要結構參數

2 分離器流體動力學建模

依據三維模型,抽取等效計算流體區域,主要尺寸如圖4所示。

圖4 等效計算流體區域主要尺寸

數值分析采用計算流體動力學程序ANSYSFLUENT進行。ANSYS FLUENT基于有限體積法,用來模擬高度從不可壓縮到可壓縮范圍內的復雜流體流動[17]。為簡化計算,將分離器分成空氣加速旋流器和亞微米虛擬沖擊器兩部分研究,簡化后的模型如圖5所示。

圖5 簡化后流體域模型

2.1 空氣旋流器數值模擬

對于空氣旋流加速器主要研究其對氣溶膠的加速功能,故采用單相流模型即可。用單相流模型求問題的一般步驟為:先求解連續相流場,然后研究其流動情況。

將流體的進入部分設置為速度進口,出口部分設置為自由出口。所有壁面均設置無滑移邊界條件。采用不可壓縮流體模型和k-ε湍流模型進行連續相流場計算,具體采用壓力-速度耦合的COUPLED算法。空氣的溫度設置為300 K。模型共劃分了20萬個網格,其中速度入口和流量出口進行網格加密處理。

在求解前,設置模型的邊界條件為:入口邊界設置為速度入口(入口速度ve=1 m/s);流量出口為流量出口,類型為逃逸;壁面邊界設置為陷入。

求解完成后,可在后處理操作中得到單相連續流體的加速情況,其蝸殼部分水平方向界面與整體豎直截面如圖6、7所示。

圖6 蝸殼部分水平方向截面速度云圖

2.2 亞微米虛擬沖擊器數值模擬

對于亞微米虛擬沖擊器主要研究其對氣溶膠的分離情況,故采用DPM模型即可。用DPM模型求解離散相問題的一般步驟為:先求解連續相流場,然后創建離散相噴射源,最后求解單向或雙向耦合流動。

氣溶膠入口設置為速度入口,大流量出口與小流量出口均設置為自由出口。所有壁面均設置無滑移邊界條件。采用不可壓縮流體模型和k-ε湍流模型對連續相流場進行計算,并采用壓力-速度耦合的COUPLED算法。空氣的溫度設置為300 K。模型共劃分了57萬個網格,其中速度入口、小流量出口和大流量出口都進行了網格加密處理。

在求解前,設置離散相模型的邊界條件為:入口邊界設置為速度入口(入口速度ve=2.5 m/s);大流量出口為流量出口,類型為逃逸;小流量出口邊界設置為流量出口,類型為逃逸;壁面邊界設置為陷入。

求解完成后,通過后處理操作可以得到粒子的運動軌跡和分布結果。如圖8、9分別為0.1 μm、3 μm的粒子在經過亞微米虛擬沖擊器作用的運動軌跡。其中,主要結構參數為:D0=0.7 mm、D1=0.9 mm、S=0.9 mm、Q0=0.78 g/s。

圖8 0.1 μm粒子的運動軌跡圖9 3 μm粒子的運動軌跡

3 分離器分離性能影響因素分析與結構優化

由于大流量亞微米顆粒物氣溶膠精準分離器由空氣旋流加速器和亞微米虛擬沖擊器這兩個獨立的功能部分組成,所以在對分離器進行性能分析時,也可將分離器分成兩個部分進行性能分析。

3.1 空氣旋流加速器性能影響因素分析及結構優化

(1) 內壁漸開線圈數對空氣旋流加速器的性能影響分析

對于空氣旋流加速器的最大速度放大倍數α可用式(6)來計算:

(6)

式中:vM為氣溶膠被加速后的最大速度;vin為入口氣溶膠速度。

考慮到不同的入口流量對空氣旋流加速器性能的影響,選取不同的入口速度,使用FLUENT程序、應用同上文中相同的方法進行數值仿真,得到氣溶膠加速后的最大速度,并計算得到最大速度放大率α,結果如表1所列。

表1 模擬參數表

從表1可知,入口速度對于空氣旋流加速器的最大速度放大倍數影響較小,內壁漸開線圈數對空氣旋流加速器的最大速度放大倍數影響較大,且空氣旋流加速器的最大速度放大倍數隨著內壁漸開線圈數的增大而增大,因此在選用空氣旋流加速器時,應該盡可能選取內壁漸開線圈數較多的空氣旋流加速器,故所研究的空氣旋流加速器內壁漸開線圈數選擇3。

(2) 拉法爾管對于空氣旋流加速器的性能影響分析

拉法爾管由一段漸縮管與一段漸擴管兩部分組成,漸縮管用于增大氣溶膠流體流速,漸擴管用于提供穩定流場。

但是,在多次不同邊界數值數值模擬的過程中發現,空氣旋流加速器的拉法爾管的漸擴管并不能較好地起到預期的穩流效果。以內壁漸開線圈數為3、入口氣溶膠速度vin=3 m/s為例說明,其數值計算如圖10所示。由圖10可見,拉法爾管的漸擴管出口處流速極不均勻,出口中心軸線處產生了較大的損失,故不能為亞微米虛擬沖撞機提供穩定的流場。在漸縮管的直徑最小處,流速分布較均勻,故將拉法爾管優化成只有一段漸縮管的結構。優化后的空氣旋流加速器由內壁漸開線圈數為3的蝸殼、漸縮管和旋風入口三部分構成。

經過優化后的空氣旋流加速器數值計算結果如圖11所示。邊界條件設置與上文相同。由圖11可見,經過優化后的空氣旋流加速器出口流場損失較小,能為亞微米顆粒物旋流加速器提供較穩定的流場。

3.2 亞微米虛擬沖擊器性能影響因素分析及結構優化

入口結構對空氣旋流加速器的性能影響較大,故需對其進行分析計算。

在入口流量Q0=4.5 L/min時,對于0.1 μm的亞微米顆粒物分離效果良好。隨著流量增大,雷諾數Re也會增大。

若入口流量Q0提升至700 L/min或者更高,由式(3)可知,則Re?4 000,因而會產生分離失效的問題,粒徑為0.1 μm的亞微米顆粒物會全部從小流量出口流出。因此需對入口結構做出改進,改進后的結構如圖12、13所示。

圖12 入口結構優化三維模型

在入口處增加一個圓環形排氣口并增加兩個小流量出口,同時將小流量出口直徑φ從原來的3 mm提升至5 mm,這樣的優化能夠使小流量出口在大流量工況下起到良好的泄壓作用,提升出流效果,增加的圓柱形圓環高h=4 mm,圓環外徑r1=21 mm,圓環內徑r2=9 mm。此時的入口總流量為Q0;入口速度為v0;橫截面積半徑為r0,進入亞微米虛擬沖撞機的待測氣體流量為進氣流量Q1,速度為v1,排氣口速度為v2,進氣口半徑為r3。入口流量Q0、進氣口流量Q1、排氣口流量Q2三者存在如下式關系:

Q1=Q0-Q2

(7)

流量Q與流速v之間的關系為:

Q=vA

(8)

式中:A為流量Q通過的橫截面積。

故式(7)可展開為:

(9)

入口流量設置為700 L/min,結構優化后,能夠顯著提升亞微米虛擬沖擊器在大流量工況下的粒子分離效果,亞微米虛擬沖擊器流場縱截面流速云圖和粒徑為0.1 μm的亞微米顆粒物的分離效果如圖14、15所示。

圖14 亞微米虛擬沖擊器流場縱截面速度云圖

4 結 語

亞微米顆粒物氣溶膠分離器是實現高精度檢測核輻射顆粒物濃度的前提。文章設計了一種大流量亞微米顆粒物氣溶膠精準分離器。基于理論基礎和流體動力學方法,設計并仿真分析了兩大組成構件,探究了空氣旋流加速器的速度放大系數與亞微米虛擬沖擊器的分離效果。給出了空氣旋流加速器的具體優化參數,同時對亞微米虛擬沖擊器的結構進行了優化,優化后其在700 L/min及以上的大流量工況下實現了對粒徑為0.1 μm的亞微米顆粒物有效分離。文章的研究證明了在設計大流量亞微米顆粒物氣溶膠精準分離器時,采用流體動力學分析方法的可行性,這為后續優化設計以及推進輻射顆粒物分離技術的發展奠定了基礎。