水力噴射空氣旋流器中射—旋流耦合流場(chǎng)的模擬分析

邱發(fā)成，全學(xué)軍，徐 飛

（重慶理工大學(xué)，重慶 400054）

1 前言

水力噴射空氣旋流器（WSA）是一種新型高效的氣—液相間傳質(zhì)靜態(tài)超重力設(shè)備。目前，WSA在實(shí)際應(yīng)用上取得了較好的效果，如廢水脫氨、煙氣脫硫、含 Cr（VI）廢水的處理等方面［1～4］。前期研究完成了對(duì)WSA的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、射流流型的劃分與轉(zhuǎn)化、氣相壓降模擬與測(cè)定關(guān)聯(lián)、傳質(zhì)機(jī)理、以及射流—旋流流場(chǎng)模擬與射流霧化條件及機(jī)理等的研究［5～8］。事實(shí)上，射流在WSA內(nèi)的氣體旋流場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)霧化以及霧滴的分離，其作用方式明顯區(qū)別于橫向氣流中的霧化［9］。然而，由于射—旋流耦合流場(chǎng)的復(fù)雜性以及實(shí)驗(yàn)測(cè)定條件的限制，使得對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)分布的系統(tǒng)性研究出現(xiàn)困難［10］。為了深入認(rèn)識(shí)WSA中射流氣動(dòng)霧化與液滴分離過程的影響因素及其機(jī)理，本文采用ANSYS Fluent 15.0軟件對(duì)水力噴射空氣旋流器中射—旋流耦合流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，考察耦合場(chǎng)內(nèi)切向、徑向和軸向速度分布情況，同時(shí)探究耦合場(chǎng)區(qū)域的湍動(dòng)能變化規(guī)律。該研究結(jié)果可為WSA中射—旋流耦合場(chǎng)中射流霧化與液滴分離過程研究提供思路。

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)學(xué)模型

水力噴射空氣旋流器內(nèi)部存在復(fù)雜旋轉(zhuǎn)流、局部回流等特征，其兩相流動(dòng)界面表現(xiàn)出明顯的擬序結(jié)構(gòu)。因此，為了能夠精確地描述其內(nèi)部的湍流結(jié)構(gòu)和氣液兩相自由流動(dòng)界面的變化情況，分別采用雷諾應(yīng)力模型（RSM）和Volume Of Fluid（VOF）模型對(duì)WSA內(nèi)流場(chǎng)等進(jìn)行數(shù)值模擬研究［11～15］。

2.2 數(shù)值模擬條件

水力噴射空氣旋流器的幾何模型與網(wǎng)格如圖1所示，具體幾何參數(shù)見表1。流體的計(jì)算流域，包含了601452個(gè)網(wǎng)格，全部流域的計(jì)算網(wǎng)格類型為六面體結(jié)構(gòu)，且在把排氣管管壁附近的網(wǎng)格進(jìn)行了加密。在處理圓柱射流小孔時(shí)，為了節(jié)約計(jì)算資源，將圓形小孔等效為正方形小孔，這樣利于生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，使得迭代計(jì)算不易發(fā)散，其具體邊界條件設(shè)置見文獻(xiàn)［7］。

圖1 WSA的幾何模型與網(wǎng)格

表1 模擬和試驗(yàn)用WSA的幾何尺寸參數(shù) mm

2.3 網(wǎng)格無關(guān)性性驗(yàn)證

采用 GAMBIT 2.4.6對(duì) WSA 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，使用切塊分區(qū)的方法把WSA分成幾個(gè)不同的區(qū)域，不同區(qū)域皆采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。為考慮不同的網(wǎng)格數(shù)對(duì)模擬結(jié)果的影響，將WSA的網(wǎng)格個(gè)數(shù)分別劃分為 601452，1345214，3251722，當(dāng)射流速度為1.38 m/s時(shí)，3種網(wǎng)格數(shù)下的壓降模擬結(jié)果見文獻(xiàn)［8］，其值隨進(jìn)口氣速變化的壓降曲線基本一致。因此，本文采用的模擬網(wǎng)格數(shù)為601452。

3 結(jié)果與討論

本工作主要是為了深入研究WSA中射—旋流耦合場(chǎng)的流場(chǎng)特性，探究其旋流場(chǎng)與射流流場(chǎng)的耦合作用行為。因此，在模擬過程中，選定耦合場(chǎng)區(qū)域內(nèi)的上（Z=40 mm）、中（Z=86.8 mm）、下（Z=118 mm）3個(gè)層面的情況進(jìn)行模擬研究分析。當(dāng)射流速度μ1=1.01 m/s時(shí)，選取了WSA不同壓降區(qū)域的代表性進(jìn)口氣速 1.78，6.22，10.67，17.78 m/s進(jìn)行模擬研究［7］。

3.1 軸向速度分布

圖2所示為不同條件下WSA內(nèi)部耦合空間不同截面上的軸向速度分布。從圖中可以看出，在耦合場(chǎng)中的軸向速度分布及其對(duì)稱性與進(jìn)口氣速的大小有關(guān)。在進(jìn)口氣速較低時(shí)（即WSA的低壓降區(qū)），軸向速度在耦合場(chǎng)區(qū)域內(nèi)的流場(chǎng)分布與傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器的分布規(guī)律基本一致（零軸線包絡(luò)面）。當(dāng)進(jìn)口氣速處于WSA的壓降突跳區(qū)、壓降過渡區(qū)和高壓降區(qū)域時(shí)，零軸線包絡(luò)面逐漸消失，流域內(nèi)流體表現(xiàn)出向下的主體流動(dòng)，同時(shí)軸向速度出分布現(xiàn)了較為明顯的不對(duì)稱性。當(dāng)進(jìn)口氣速處于高壓降區(qū)，如圖 2（c）所示，μg=17.78 m/s時(shí)，氣體旋流場(chǎng)起主導(dǎo)作用，射流處于剪切霧化的狀態(tài)，其軸向速度分布呈倒V型或M型，與傳統(tǒng)旋風(fēng)器分布規(guī)律相同［16］。

圖2 不同氣速條件下WSA內(nèi)耦合空間各截面軸向速度分布

圖3表示W(wǎng)SA內(nèi)Y=0截面的軸向速度分布。從圖中可以看出，軸向速度分布的對(duì)稱性，隨著進(jìn)口氣速的不斷增大而不斷減弱，同時(shí)在流域內(nèi)的部分位置還出現(xiàn)了較大的速度分布。在低壓降區(qū)，旋流作用較弱，射流的流態(tài)保持較好，其軸向速度呈對(duì)稱性分布。隨著進(jìn)口氣速的不斷增加，從排氣管內(nèi)流出的液相量不斷增加，軸向速度開始出現(xiàn)不對(duì)稱，且其對(duì)稱性不斷減小，如圖3（b）和3（c）所示。

圖3 不同氣速條件下WSA內(nèi)Y=0截面的軸向速度分布

3.2 徑向速度分布

圖4，5所示為WSA中耦合空間內(nèi)部以及各截面的徑向速度分布。從圖4可知，進(jìn)口氣速對(duì)耦合場(chǎng)內(nèi)的徑向速度大小、沿徑向分布的對(duì)稱性都有較大的影響?？傮w而言，隨著進(jìn)口氣速的增大，徑向速度及其分布的不對(duì)稱也逐漸增大。在低壓降區(qū)（如圖4（a）所示），徑向速度沿徑向分布具有較好的對(duì)稱性，在耦合場(chǎng)上下空間中，其值相差不大。這是由于旋流場(chǎng)強(qiáng)度較弱，射流的強(qiáng)烈作用造成的（如圖5（a）所示）。

圖4 不同氣速條件下WSA內(nèi)耦合空間各截面沿徑向徑向速度分布

圖5 不同氣速條件下WSA內(nèi)Y=0截面的徑向速度分布

在壓降突跳區(qū)域內(nèi)（如圖4（b）所示），徑向速度方向仍然受到射流的作用指向排氣管中心（如圖5（b）所示），其值在各個(gè)截面上半徑方向的中部達(dá)到最大值。在壓降過渡區(qū)和高壓降區(qū)，徑向速度在耦合場(chǎng)的上部和中部較大，在下部較低。明顯的是，徑向速度在沿半徑方向分布出現(xiàn)了其值為零的現(xiàn)象。由WSA器壁至零點(diǎn)，徑向速度方向指向排氣管中心。而在零點(diǎn)到排氣管表面，徑向速度方向指向WSA器壁（如5（c）所示）。

3.3 切向速度分布

圖6，7所示為射—旋流耦合場(chǎng)內(nèi)各個(gè)截面上的切向速度分布。

圖6 不同氣速條件下WSA內(nèi)耦合空間各截面沿徑向切向速度分布

圖7 不同氣速條件下WSA內(nèi)Y=0截面的切向速度分布

從圖中可以看出，總體上，切向速度值隨進(jìn)口氣速的增大而增大，同時(shí)其分布表現(xiàn)出較大的波動(dòng)。同時(shí)，還可以看出，在WSA器壁附近和中心排氣管附近，存在明顯的2個(gè)極值區(qū)域。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因，可能是由于旋流場(chǎng)強(qiáng)度增大與射流相互作用的結(jié)果，也是射流霧化破碎引起流域內(nèi)壓降變化導(dǎo)致的。在耦合空間內(nèi)，速度（能量）沿軸向向下逐漸衰減，還表現(xiàn)出明顯的不對(duì)稱流場(chǎng)分布，即靠近進(jìn)氣一側(cè)的切向速度值明顯大于另一側(cè)。

3.4 湍動(dòng)能分布

圖8所示為不同條件下耦合場(chǎng)空間各截面上的湍動(dòng)能分布云圖，其具體湍動(dòng)能值如表2所示?？傮w而言，湍動(dòng)能隨氣速增加而增加，但是其分布不對(duì)稱性逐漸減小。在低壓降區(qū)域時(shí)，環(huán)隙區(qū)湍動(dòng)能分布較為均勻，其值較?。?.03～0.04 J/kg）。在壓降突跳區(qū)，貼近環(huán)隙內(nèi)壁附近的區(qū)域出現(xiàn)極小值（如圖8（b）所示），其旋流作用不強(qiáng)，液相沿軸向向下流動(dòng)。在壓降過渡區(qū)和高壓降區(qū)時(shí)，出現(xiàn)明顯的極大值區(qū)域，其所在截面的湍動(dòng)能值出現(xiàn)劇增的現(xiàn)象，具體如表2所示。此外，隨著氣速的增加，湍動(dòng)能的平均值沿豎直方向上變化越大。具體地，在低速區(qū)域，湍動(dòng)能沿軸向向下其值變化不大，衰減速率較小。隨著氣速的增加，如μg=10.67 m/s時(shí)，其值沿軸向向下衰減速率增加，從表2還可以看出，其值的增加速率最大。在高氣速時(shí)，其值的衰減速率有所降低。因此，在耦合空間區(qū)域，沿軸向向下，湍動(dòng)能值的衰減速率逐漸降低。

圖8 不同氣速條件下WSA內(nèi)各截面的湍動(dòng)能分布

表2 不同氣速下耦合空間各截面湍動(dòng)能值

4 結(jié)論

（1）當(dāng)進(jìn)口氣速較低時(shí)，軸向速度在耦合場(chǎng)區(qū)域內(nèi)沿徑向出現(xiàn)零軸線包絡(luò)面。當(dāng)進(jìn)口氣速處于WSA的壓降突跳區(qū)、壓降過渡區(qū)和高壓降區(qū)域時(shí)，零軸線包絡(luò)面逐漸消失，軸向速度表現(xiàn)出整體向下流動(dòng)。

（2）進(jìn)口氣速對(duì)耦合場(chǎng)內(nèi)的徑向速度大小、沿徑向分布和對(duì)稱性，都有較大的影響。徑向速度在耦合場(chǎng)中部達(dá)到最大值，在下部達(dá)到最小值，且徑向速度分布沿半徑方向出現(xiàn)了區(qū)域性特征。

（3）總體上，切向速度隨著進(jìn)口氣速的增大而增大，切向速度沿耦合空間軸向向下逐漸減小，表現(xiàn)出切向速度的能量衰減規(guī)律。

（4）在相同氣速條件下，耦合空間的湍動(dòng)能沿豎直向下逐漸減小。隨著氣速的增加，湍動(dòng)能的平均值沿豎直方向上衰減速率越大。

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