调径文氏管气液耦合数值模拟优化

张 旭 王华军 吴少非 刘 霄

（北京中冶设备研究设计总院有限公司 北京 100029）

1 引言

调径文氏管是转炉烟气净化与回收系统中兼顾了除尘与煤气回收双重作用的关键部件［1］。它通过喉口的阀芯调节使经过粗除尘后的烟气在其喉口部保持一定的流速与喷入的液滴耦合，通过尘粒的碰撞与拦截将粒径很小的尘粒从烟气中分离出来，达到烟气净化目的［2］。

2 调径文士管结构与原理

转炉烟气净化与煤气回收的调径文氏管为米粒型阀芯的矩形文氏管，可调喉口文氏管结构分为：入口收缩段、可调喉口阀芯、出口扩张段、供水装置。它是通过调节喉口处的阀芯来调节烟气流速。本设计院设计生产的侧喷水可调文氏管喉口如图1所示。

图1 喉口设计与实体结构图

3 调径文士管Pro／E三维建模

对于调径文氏管的三维建模，选取的是美国PTC公司的产品Pro／E。三维软件的建模对于其后仿真分析计算流场具有很重要的影响。Pro／E软件与CFD软件的兼容性好［3］。同时，最大的特点在于模型建立的全参数化，有利于后期对模型参数的修改。三维图如图2所示。

图2 三维总装图

4 液气耦合数值模拟原理分析

当含尘烟气进入收缩管后，气流速度随着截面的减小而聚增，高速气流使从喷水嘴喷出的水雾化，沫化成无数大小水滴［4］（粒径在100μm左右）。烟气密度为ρ＝4410kg／m3、烟尘浓度为C＝109g／m3可知烟尘颗粒体积远远小于烟气体积，故忽略烟尘颗粒对流动的影响。

气液混合的水气比为L＝1～1.3L／m3，喷射液滴体积对气体的体积率为10%左右，故用欧拉—拉格朗日方法建立烟气与液滴的数学模型，把烟气作为连续介质，从雷诺时均Navier-Stokes方程，选用标准的k-ε湍流模型封闭［5］。把雾滴颗粒群作为离散体系，通过积分拉氏坐标系下的颗粒作用力微分方程来求解离散相颗粒的轨道。为了精确的描述喷淋的过程，在模拟计算中采用非稳态的离散相模型跟踪液滴［6］。图3示意了两相之间的动量、质量与热量间的交换［7］。

图3 离散相与连续相之间的质量、热量与动量交换示意图

颗粒的作用力动量交换平衡方程在笛卡尔坐标系下的形式（x方向）为：

式中FD（u-up）—颗粒的单位质量曳力

u—流体相对速度（m／s）；

up—颗粒速度（m／s）；

μ—流体动力粘度（Pa·s）；

ρ—流体密度（kg／m3）；

ρp—颗粒密度（kg／m3）；

dp—颗粒直径（μm）；

Re—相对雷诺数（颗粒雷诺数）其定义为Re＝，曳力系数，对于球形颗粒，在一定的雷诺数范围内，上式中的a1、a2、a3为常数。

5 液气耦合仿真数值模拟

创建喷射源进行耦合模拟，设定6个轴向顺喷的喷嘴，安装位置为（x，y，z）分别为（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），喷水温度为313K，喷水压力为0.3MPa，喷嘴喷水角度为120°，文氏管温度恒定与外界温度同为300K，烟气与液滴之间的热交换可以忽略不计，并假设文氏管内外无传热。

5.1 轴向喷水气液耦合数值模拟分析

模拟烟气量为Q＝135000m3／h，喷水量为37.5kg／s，挡板开度为80°时文氏管内部全压云图。为清晰说明雾化液滴对气流的影响，垂直气流方向沿Z轴方向依次截取9个断面，断面坐标依次为Z＝1.24m（入口平面），Z＝0.9m（喷嘴安装平面），Z＝0.16m（左侧喉口平面），Z＝0m，Z＝-0.16m（右侧喉口平面），Z＝-1m，Z＝-2m，Z＝-3m，Z＝-4m（出口平面），进行压力损失分析。如图4所示。

图4 不同Z平面压力云图

依次对比各平面压力云图可知喷入液滴对烟气压力损失的影响是显著的，在喉管部分压力损失最大，主要是有气体与液滴动量相互耦合，气体对雾化的液滴加速导致。

5.2 离散相雾化液滴速度跟踪分析

跟踪 “离散相雾化液滴速度跟踪图”如图5所示。

图5 离散相雾化液滴速度

可以看出液滴从喷射平面射入以后速度逐渐增加，在喉口位置液滴被加速到110m／s左右，在喉口处气、液、固相互之间高速耦合，尘粒表面附着的气膜被冲破，使尘粒被湿润［8］。在尘粒与液滴或尘粒之间发生着激流的碰撞、凝聚。在扩散管中，气体和液滴的速度减小、压力回升，使这种以尘粒为凝聚核的凝聚作用发生得更快。

6 轴向与侧面径向喷水气液耦合对比分析

液滴喷入方法分轴向和径向两种。根据两种不同的喷射形式进行了数值模拟，对离散相雾化液滴进行速度跟踪，同时选取单束喷射液滴随时间加速的曲线进行研究。

6.1 轴向喷入液滴速度跟踪分析

图6与图7为轴向喷水液滴速度云图与单束粒子时间速度追踪。

轴向喷水液滴与气体速度同向，液滴逐渐被加速，轴向液滴被加速的时间为0.18s，液滴从30m／s加速在100m／s左右，在喉口处液滴被加速到最大大约为100m／s左右，然后进入扩张段后速度从最大速度逐渐下降到20m／s左右。

6.2 侧面径向喷入液滴速度跟踪分析

图6 水滴速度跟踪云图

图7 单束粒子速度追踪图

图8与图9为径向喷水液滴速度云图与单束粒子时间速度追踪图。

从喉管侧面径向垂直气体速度喷入的雾化液滴在喉口处以很小的速度与速度最大时的气体相互耦合，喷入液滴的加速时间为0.12s，喷入的液滴被分成速度不均匀的几部分，一部分液滴被加速到140m／s后与气体相互作用随后进入扩张段，一部分液滴与阀芯碰撞发溅进入收缩段，一部分液滴直接进入了扩张段。

6.3 两种模式对比分析研究

比较两种不同的喷水方式可知，轴向液滴被加速的速度比较均匀，径向喷入加速情况杂乱无章，液滴没有被充分加速利用，这将严重影响烟气的除尘效率与气体的压力损失。如果要达到很好的除尘效果必须增加喷水量或者增大气体的速度，这样既增加了气体的压力损失又增加了水的消耗。

图8 水滴速度跟踪云图

图9 单束粒子速度追踪图

7 不同喷水量下压力损失与烟气流量分析

将调径文士管阀芯的角度固定在73°不变，让通过的烟气量在12.5～40m3／s之间变化，喷入不同水量分别为Q＝70kg／s、Q＝35kg／s、Q＝25kg／s，数值模不同工况下的气液耦合情况，绘制压力损失随烟气量变化曲线如图10所示。

由图10可知，调径文氏管角度固定，气体用于液滴的进一步雾化和加速的动量损失也就越多，故压力损失随水气比的增大而增大。

图10 不同喷水量下压力损失随烟气变化曲线

8 结语

如何通过改进文丘里管内的喷水形式来达到更好的除尘效果与降低系统能耗是国内外研究的课题。本章从现场实际问题出发，使用CFD软件中的离散模型数值模拟连续相烟气与离散相水滴在调径文氏管内相互耦合情况。通过对文士管轴向不同Z平面压力云图与液滴粒子速度追踪云图分析，可知在喉管部液滴被烟气加速到最大，气、液、固相互之间高速耦合。对比轴向与径向两种喷水模式下液滴被加速的情况，得出轴向喷水时液滴加速较径向喷水效果好，液滴全部被均匀加速到满足除尘效率要求的速度，故内部轴向喷水能达到高效节水除尘效果。

［1］刘晓悦.转炉煤气回收控制系统［J］.计算机工程与设计，2006，Vol.27（17）：3306-3308.

［2］单杰山.转炉烟气净化及煤气回收系统方案比较［J］.钢铁技术，2005（2）：39-54.

［3］文熙.Pro／ENGINEER野火版3.0宝典［M］.北京：电子工业出版社，2007：25-66.

［4］马广大.除尘器性能计算［M］.北京：中国环境科学出版社，1990：335-379.

［5］王瑞金.FLUENT技术基础与应用实例［M］.北京：清华大学出版社，2007：1-198.

［6］韩占忠，王敬，兰小平.FLUENT：流体工程仿真计算机实例与应用［M］.北京：北京理工大学出版社，2004：5-44.

［7］陶文铨.数值传热学［M］（第二版）.西安：西安交通大学出版社，2001：306-318.

［8］李广超.大气污染控制技术［M］.北京：中国环境科学出版社，2007：128-237.