基于惰性烟气脱氧法的压载水处理引射器的模拟与优化*

（江苏科技大学能源与动力学院 镇江 212003）

1 引言

引射器具有结构简单、易于维护、混合和传质效果较好、加工容易、节能环保等一系列优点，在各个行业中应用广泛［1～3］。在国内，许多学者研究了引射器的性能［4］，张琦［5］建立了引射器二维模型，详细模拟了不同工作条件和结构尺寸下的引射器。祝银海［6］等对引射器三维模型进行了模拟，在模拟中应用了四种湍流模型并分析了它们对模拟结果的影响。气液引射器工质分为工作流体和引射流体，它通过液体射流对气体进行抽吸和压缩，使受限流动在通过缩小的过流断面时，流体出现流速增大的现象，当整个涌流在同一时间内经历管道的最窄处时，压力在同一时间减小，进而产生压力差，这个压力差用于给流体提供一个外在吸力［7～8］。影响气液引射器吸气量的因素很多，其中引射器的结构对吸气量的影响尤其重要，因此本文对引射器的结构尺寸对吸气量的影响进行了模拟和优化。

2 气-液两相流的数值模拟

2.1 引射器的结构参数

引射器的结构尽管简单无运动部件，但由于其内部流场流动非常复杂，导致气液射流器的设计方法比较复杂［9］。影响引射器的吸气量的主要结构参数有混合室直径Dh，混合室长度H3，气体出口直径Dp，扩散室长度H4等，本文采用的引射器结构如图1所示，引射器参数如表1所示。

图1 引射器结构

2.2 气-液两相流模型

欧拉模型（Eulerian）［10］可以模拟多相流动及相间的相互作用，对于每一相都采用Eulerian处理。Eulerian中各相共享单一的压力场，对于每一相都求解动量和连续性方程，通过相界面的相互作用将两组方程耦合在一起［4］。湍流模型采用标准κ-ε模型，基于两相均使用欧拉方法描述的欧拉模型，由此得出气液两相流的基本方程组。基于以上假设的Eulerian方程组如下。

连续性方程：q相的连续方程为

式中：t为时间，αq是相位体积分数，ρq是q相的物理密度，，是q相的速度，表示了从第p相到q相的质量传递，

动量方程：

湍流模型的标准κ-ε模型的输运方程

2.3 边界条件设置

模拟过程假设流体运动是连续均匀、各向同性和无相变的稳态过程；控制方程选用连续性方程和动量方程，由于引射过程时间短、热效应很小，因此能量方程没有求解［11］；采用ANSYS/Fluent模拟，求解器采用基于压力藕合方程组的隐式求解器，湍流模型采用标准κ-ε湍流模型，壁面处理时采用标准壁面函数，插值求解方式均设置为二阶迎风格式；网格使用四面体结构网格，并局部加密，液体入口和引射流体入口采用压力进口边界条件，初始压力为0.15 MPa；混合流体出口采用压力出口边界条件，出口压力设为0.132MPa；收敛条件为出口流量与进口总流量的相对偏差不超过0.01%。

2.4 三维模型及网格划分

根据引射器的结构尺寸，利用ICEM对引射器内流域进行三维建模和网格划分，其几何模型和网格图分别如图3和图4所示。

3 数值模拟结果

3.1 液体入口压力对吸气量的影响

为了验证模拟的可信性，对不同液体入口压力下的吸气量进行了模拟。改变液体入口压力，固定引射器结构尺寸：Ds=14mm，Dh=5mm，Dp=6mm，Dq=12mm；H1=28 mm，H2=7 mm，H3=6 mm，H4=34 mm，H5=28 mm，H6=27 mm，不同液体入口压力下的X轴向位置的速度如图4所示，液体入口压力对吸气量的影响如图5所示，图5表明，液体入口压力从0.2MPa增大到0.4MPa时，吸气量从4.5 m3·h-1增大到 7.1 m3·h-1。

图4 不同液体入口压力下的速度云图

图5 液体入口压力对吸气量的影响

3.2 混合室直径Dh对吸气量的影响

改变混合室直径Dh的值，固定其他参数：Ds=14mm，Dp=6mm，Dq=12mm；H1=28 mm，H2=7 mm，H3=6 mm，H4=34 mm，H5=28 mm，H6=27 mm。如图7所示，吸气量随混合室直径Dh的增大，吸气量先增大后减小，吸气量在混合室直径为6 mm时，吸气量达到了 8.6 m3·h-1。

图6 混合室直径对吸气量的影响

随着混合室直径增大，经历了先增大后减小的过程，当混合室直径约为6 mm时，此时吸气量处于一个较大值，约为8.6 m3·h-1，随着混合室直径的进一步增大，吸气量开始降低，此时引射器的处理量降低，混合室直径应设置为6mm左右。

3.3 混合室长度H3对吸气量的影响

改变混合室长度H3的值，固定其他参数：Ds=14mm，Dh=5mm，Dp=6mm，Dq=12mm；H1=28mm，H2=7mm，H4=34mm，H5=28mm，H6=27mm。如图8所示，吸气量随混合室长度H3的增大，吸气量先增大后减小，吸气量在混合室长度为8mm时，吸气量达到了 7.9m3·h-1。

图7 混合室长度对吸气量的影响

当混合管长度小于4mm，此时由于引射器的混合管长度较短，工作流体经过混合管时不足以产生足够的低压，吸气量相对较低，使得引射器不能达到较高的吸气量；当混合管长度为8mm时，相同条件下的流动阻力增大，此时吸气量随着混合管长度的增加而减小。综合比较，考虑到混合管长度对流动阻力和吸气量的双重影响，混合管长度选择范围在7mm～9mm之间为佳。

3.4 气体出口直径Dp对吸气量的影响

改变气体出口直径Dp的值，固定其他参数：Ds=14mm，Dh=5mm，Dq=12mm；H1=28 mm，H2=7mm，H3=6 mm，H4=34 mm，H5=28 mm，H6=27mm。如图9所示，吸气量随气体出口直径Dp的增大，吸气量先增大后减小，吸气量在气体出口直径为7mm时，吸气量达到了 7.8m3·h-1。

图8 气体出口直径对吸气量的影响

由模拟结果可知，随着气体出口直径的增大，引射器吸气量越来越大，随着气体出口直径继续增大，气体出口锥角增大，引射流体的流动阻力增大，吸气量开始减小，引射性能降低。

3.5 扩散室长度H4对吸气量的影响

改变扩散室长度H4的值，固定其他参数：Ds=14mm，Dh=5mm，Dp=6mm，Dq=12mm；H1=28 mm，H2=7 mm，H3=6 mm，H5=28 mm，H6=27 mm。如图10所示，吸气量随扩散室长度H4的增大，吸气量增大，吸气量在扩散室长度为50mm时，吸气量达到了8.1m3·h-1。

图9 扩散室长度对吸气量的影响

4 结语

对引射器性能进行了模拟研究，分析了液体入口压力、混合室直径、混合室长度、气体出口直径和扩散室长度对吸气量的影响，得出结论。

1）由图4和图5结果可知，随着液体入口压力的升高，混合室的速度和吸气量也随之增加。吸气量随着工作流体流量、喷嘴长度和扩散室长度的增大而缓慢上升，随着混合室长度的增加而缓慢下降。

2）由图6、7、8可知，随着混合室直径、混合室长度、气体出口直径的增大，吸气量先增大后减小，分别在混合室直径为6mm，混合室长度为8mm、气体出口直径为7mm时，吸气量达到了最大。由图9可知，随着扩散室长度的增长，吸气量逐渐增大。