周日峰，郎需慶，張健中，劉全楨

(中國石化安全工程研究院，山東青島 266071)

多級孔板擾流泡沫發(fā)生器流場模擬分析

周日峰，郎需慶，張健中，劉全楨

(中國石化安全工程研究院，山東青島266071)

通過數(shù)值模擬方法，對內(nèi)錐和多級孔板組合擾流結(jié)構(gòu)下的泡沫發(fā)生器流場進行了模擬和分析。通過CFD流場模擬軟件Fluent，以泡沫發(fā)生器的真實操作工況為邊界條件進行建模，得到了氣液兩相摻混流場的結(jié)構(gòu)和重要動力學(xué)參數(shù)，并進行了分析。發(fā)現(xiàn)擾流件的下游區(qū)域存在一個較穩(wěn)定回流區(qū)，同時在多級孔板區(qū)域流場的湍動能及湍動能耗散率較高，對泡沫發(fā)生器中氣液兩相摻混有利。擾流件下游液相分布較為均勻，進一步驗證了發(fā)泡器內(nèi)部氣液摻混效果較佳。通過流場模擬，驗證了圓錐和四級孔板組合擾流結(jié)構(gòu)對強化泡沫發(fā)生器內(nèi)氣液摻混的有效性。

泡沫發(fā)生器 孔板 氣液兩相流 數(shù)值模擬

1 泡沫發(fā)生器簡介

火災(zāi)是我國石化行業(yè)的重大安全事故。大流量高效滅火裝置在石化[1,2]、礦山[3]等領(lǐng)域有重要應(yīng)用，是消防領(lǐng)域技術(shù)研發(fā)的重點，其中非預(yù)混壓縮空氣泡沫發(fā)生裝置是近年來研究的熱點[4,5]。泡沫發(fā)生器是非預(yù)混兩相泡沫滅火裝置的核心部件。發(fā)泡前的氣液兩相分開存儲，分別經(jīng)泡沫發(fā)生器的氣相入口和液相入口進入摻混腔，在摻混腔內(nèi)完成混合發(fā)泡過程。通常在摻混腔內(nèi)布置擾流結(jié)構(gòu)，以增強氣液兩相的摻混效率，摻混后生成的泡沫液經(jīng)發(fā)泡器的出口流出。該類泡沫發(fā)生器產(chǎn)生的泡沫穩(wěn)定，在撲滅B類火災(zāi)時有較好的應(yīng)用[6,7]。通過對泡沫裝置的結(jié)構(gòu)改進和優(yōu)化，有助于提高泡沫發(fā)生器中的泡沫性能，如泡沫均勻度、細膩度等，對滅火裝備的整體性能有重要作用[8,9]?；谂菽l(fā)生器結(jié)構(gòu)的內(nèi)部兩相摻混流場，與發(fā)泡效果息息相關(guān)，通過研究氣液兩相摻混流場，能夠?qū)ε菽l(fā)生器的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行驗證和輔助優(yōu)化[9]。CFD數(shù)值模擬是研究流場結(jié)構(gòu)的行之有效的方法，能夠得到實驗中難以觀察和測量的流場動力學(xué)參數(shù)，提高裝備研發(fā)設(shè)計的精度和效率，如李松巖等[10]數(shù)值模擬研究了同心管式泡沫發(fā)生器，王群星等[3]研究了液相經(jīng)文丘里管喉部噴入摻混室的泡沫發(fā)生器，對發(fā)生器中的壓力、速度、相分布等進行了分析。

本文研究的泡沫發(fā)生裝置中布置圓錐和多層孔板擾流結(jié)構(gòu)，氣液兩相進入發(fā)泡器遇到圓錐形成環(huán)流后，在下游遇到多層孔板，增強了氣液混合和發(fā)泡效果，生成的泡沫從泡沫發(fā)生器的出口流出。通過Fluent軟件，對圓錐和孔板擾流泡沫發(fā)生器流場結(jié)構(gòu)進行建模，計算得到了氣液兩相摻混的流場，并對流場中的重要動力學(xué)參數(shù)進行了分析，驗證了圓錐和多層孔板組合擾流結(jié)構(gòu)的泡沫發(fā)生器的摻混性能，并為后期泡沫發(fā)生器結(jié)構(gòu)的改進和優(yōu)化提供依據(jù)。

2 發(fā)泡器的流場結(jié)構(gòu)

發(fā)泡器結(jié)構(gòu)為豎直管道形狀，最下部為液相入口，氣相入口在液相入口上方管道的側(cè)面，沿管道圓周均勻分布。液相入口附近設(shè)置一圓錐擾流器。圓錐下游布置4個孔板，沿上下游分別稱為一、二、三、四級，孔板上設(shè)多個小孔。最上方孔板的下游管道長度為3D(D為管道直徑)。發(fā)泡器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 泡沫發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意

3 計算域及邊界條件

為了減少計算量，計算模型取管道的1/5，計算域恰好含有一個氣相入口，如圖2所示。

圖2 泡沫發(fā)生器計算域及邊界條件設(shè)置

氣相入口和液相入口都設(shè)置速度邊界條件，發(fā)泡器出口設(shè)置壓力邊界條件，表壓為0Pa。計算域的周向兩端為對稱邊界條件。其他計算域的封閉邊界設(shè)置為壁面邊界條件。湍流計算采用SAS湍流模型，以盡可能精確計算流場的湍流結(jié)構(gòu)，得到最切近真實的流場。模型求解采用非穩(wěn)態(tài)求解模型，計算時間步長設(shè)置為1e-5s，初始流場的液相體積分數(shù)設(shè)為零，氣液兩相速度設(shè)為零。

4 流場動力學(xué)分析

從液相開始進入泡沫發(fā)生器起，計算得到了0.395 s后的氣液兩相流場，并對流場中的重要動力學(xué)參數(shù)進行了分析，包括壓力、相分布、兩相速度、湍動能、湍動能耗散率等。為了便于觀察和分析，本文抽取了發(fā)泡器三維流場中的軸向截面圖(圖3～圖8)。

4.1 壓力場

從圖3中可以看出，第一級孔板對發(fā)泡器氣液混合流場的壓降貢獻最大，上下游壓降約為60 000 Pa，第二級壓降約為20 000 Pa，第三級壓降約為10 000 Pa，第四級壓降約為15 000 Pa。第四級孔板下游存在一個較強的負壓區(qū)，接近孔板位置壓力最低，約為20 000 Pa，第四級孔板下游約1D位置，流場壓力回復(fù)到接近發(fā)泡器出口水平。多級孔板區(qū)域的流場壓力沿徑向的分布變化不大。

圖3 泡沫發(fā)生器兩相流場中壓力分布軸向截面

4.2 速度場

從圖4中可以看出，第4級孔板下游有一個較長的回流區(qū)，其徑向尺寸受第四級孔板中心阻擋區(qū)域尺寸約束，并且沿流場軸向先增大，在約0.6D位置達到最大，然后縮小，約在1.3D位置達到最小，然后又增大。回流區(qū)在第四級孔板下游1D范圍內(nèi)最強，越靠近下游，強度越弱。在該回流區(qū)附近，流場的軸向剪切速率較大，由于氣液兩相的密度不同，兩相間的速度滑移也較大，故回流區(qū)對氣液摻混有強化效果。

圖4 泡沫發(fā)生器兩相流場中速度分布軸向截面(Z方向為軸向方向)

在圓錐與第一級孔板之間，也存在一個較小的回流區(qū)。在4級孔板構(gòu)成的流場中，也分散有數(shù)量較多的回流區(qū)。在4級孔板區(qū)域，無論軸向還是徑向，流場的剪切速率都較大，有利于氣液摻混。故四級孔板對發(fā)泡器的擾流效果較佳。

4.3 湍流結(jié)構(gòu)

a)湍動能。從圖5中可以看出，在氣相入口附近、圓錐的錐部區(qū)域、第一級孔板區(qū)域、四級孔板區(qū)域靠近管壁側(cè)，湍動能較強。

圖5 泡沫發(fā)生器兩相流場中湍動能分布軸向截面

b)湍動能耗散量。從圖6中可以看出，在氣相入口附近、第一級孔板區(qū)域、四級孔板區(qū)域靠近管壁側(cè)，湍動能較強。

圖6 泡沫發(fā)生器兩相流場中湍動能耗散率分布軸向截面

4.4 相分布

4.4.1多級孔板區(qū)域

在第一級孔板橫截面及其下游區(qū)域(圖7-a)，氣相主要分布在管道中間區(qū)域，液相主要分布在外圍區(qū)域。這是由于氣液兩相繞流經(jīng)過V錐后，氣相比液相的密度和慣性都較小，流動方向變換容易導(dǎo)致(圖8-a)。到第三級孔板所在流場區(qū)域(圖7-c)，氣相在管道橫截面的分布已較為均勻，液相在管道中心區(qū)域的相含率也提高許多。

4.4.2整個流場區(qū)域

從圖8-a中可以看出，液相從發(fā)泡器進入后，經(jīng)過圓錐的分流變向，然后又經(jīng)過四級孔板的分散及氣相的湍動效應(yīng)，在第四級孔板的下游約1D往后區(qū)域，液相在管道中分布已經(jīng)較為均勻，無明顯的液相團塊存在，且液相在管壁附近的分布量也不多，即氣液混合較為均勻。流場中第四級孔板下游2D位置至流場出口之間區(qū)域的氣相比例偏高，是由于計算域出口回流導(dǎo)致。圓錐和四級孔板組合擾流裝置對強化氣液混合的效果較佳。

圖7 多級孔板區(qū)域流場中相分布的徑向截面

圖8 整個計算域流場中相分布

5 結(jié)論

通過對圓錐和多層孔板組合擾流結(jié)構(gòu)的泡沫發(fā)生器內(nèi)部流場的數(shù)值模擬，得到了氣液兩相混合流場的結(jié)構(gòu)及相關(guān)動力學(xué)參數(shù)，并對其中壓力、軸向速度、湍流動力學(xué)參數(shù)、相分布等進行了分析。研究發(fā)現(xiàn)，擾流件下游區(qū)域存在較強的穩(wěn)定回流區(qū)，該區(qū)域剪切速率較大，有助于強化氣液摻混。同時，多級孔板附近區(qū)域流場的湍動能和湍動能耗散率較大，說明多級孔板對流場的擾動作用較強，有利于強化氣液摻混。另外，多級孔板下游流場區(qū)域的液相分布較為均勻，不存在明顯的液塊，進一步驗證了發(fā)泡器內(nèi)部氣液摻混效果較佳。

綜上所述，圓錐和四級孔板組合擾流結(jié)構(gòu)對泡沫發(fā)生器兩相摻混效果較好，今后可進行更深入的研究和優(yōu)化設(shè)計。

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NumericalStudyofGas-liquidFlowinFoamGeneratorwithDisturbingDeviceofMulti-orificeZhou Rifeng, Lang Xuqing,

Zhang Jianzhong, Liu Quanzhen

(SINOPEC Research Institute of Safety Engineering; Shandong, Qingdao 266071)

In order to study the performance of foam generator with disturbing device in form of multi-orifice for gas and liquid mixing which is used in the large flow rate fire extinguishing device, the two phase flow field under the composed disturbing device of V cone and multi-orifice was got and analyzed. The numerical model was build on the real operating conditions of foam generator by CFD software Fluent, and the two phase flow structure with some flow dynamic parameters was studied, such as velocity, pressure, turbulent energy and liquid phase distribution in the flow field, etc. There was a strong counter-flow domain downstream the disturbing device, and the turbulent energy and turbulent dissociation rate around the multi-orifice were higher than other domains, which is beneficial to the two phase flow mixing. Also, the homogeneous liquid phase distribution showed a well gas and liquid mixing effect in the foam generator. All these afore mentioned factors contributed to the mixing efficiency of the two phase flow in the foam generator. Through the flow field simulation, verify the effectiveness of the cone and four hole plate combination structure of gas-liquid mixed flow perturbation in the mixed enhanced foam generator.

foam generator; orifice; gas-liquid flow; numerical study

2016-03-10

周日峰，工程師，2013年畢業(yè)于西安交通大學(xué)，碩士學(xué)位，現(xiàn)在中國石化安全工程研究院從事加油加氣站安全研究工作。