閃蒸海水淡化中關(guān)鍵部件引射器的模擬研究

高蓬輝,閆姝潔,鄒紀(jì)偉,沈 浩,厲國梁

(1.中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116;2.中國礦業(yè)大學(xué)國際學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

引言

近年來,我國的淡水資源短缺問題不斷加劇,據(jù)預(yù)測30年后我國將出現(xiàn)用水高峰,城市化水平將達(dá)40%,屆時(shí)用水總量將達(dá)到7000-8000億立方米。我國的海岸線長達(dá)18000多公里,其管轄的海域約為300萬平方公里,海水資源十分豐富,因此海水淡化技術(shù)對于中國乃至世界都具有十分重要的意義。

海水淡化是指將海水經(jīng)過脫鹽處理轉(zhuǎn)化成淡水的工藝過程[1],分為蒸餾法和薄膜法兩大類。傳統(tǒng)方法均需消耗大量石油、天然氣和煤轉(zhuǎn)化成的熱能或電能。據(jù)估計(jì),每天生產(chǎn)1.3×108m3的淡化水,則每年需要消耗原油1.3×108m3。而伴隨燃料燃燒,將產(chǎn)生大量污染物質(zhì),進(jìn)而導(dǎo)致地球的溫室效應(yīng)及空氣污染等問題[2]。

因此,用較清潔的能源及方式來海水淡化越來越受青睞。閃蒸方法是現(xiàn)階段全球范圍內(nèi)使用較廣的一種海水淡化方法,其利用抽真空技術(shù),使得閃蒸室的壓力低于海水溫度對應(yīng)的飽和蒸汽壓力,從而使進(jìn)入閃蒸室的海水由于過熱迅速氣化為蒸汽。國內(nèi)外對于閃蒸現(xiàn)象已有了一定的研究基礎(chǔ)和理論模型,并設(shè)計(jì)了一系列可用于理論研究的實(shí)驗(yàn)裝置。楊麗潔等人對閃蒸各階段的傳熱流動(dòng)機(jī)理做出了明確的闡釋,為引射器的研究和應(yīng)用提供了參考和依據(jù)[3]。裴穎楠對閃蒸的實(shí)驗(yàn)與仿真研究為設(shè)置閃蒸室的初始條件提供了一定的理論依據(jù)[4]。邵福喜對噴淋式閃蒸海水淡化中的不平衡溫差現(xiàn)象進(jìn)行了相關(guān)研究,其推導(dǎo)出的一系列不平衡溫差經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式為引射器的設(shè)計(jì)提供了參考[5]。引射器是抽真空技術(shù)中的關(guān)鍵部件之一[6],它對閃蒸室內(nèi)真空條件的實(shí)現(xiàn)起著決定性作用。它是一種利用高壓流體射流作用抽吸低壓流體進(jìn)行質(zhì)量和能量傳遞的裝置。它可直接提高流體的壓力,而不消耗機(jī)械能,相比采用機(jī)械的真空設(shè)備簡單可靠。王靜進(jìn)行了引射器的設(shè)計(jì)研究,多相流、多功能引射器的實(shí)驗(yàn)研究和引射器的數(shù)學(xué)建模及數(shù)值模擬[7]。王厚慶等人在雙流體模型的基礎(chǔ)上,結(jié)合有限體積法及標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程湍流模型,全面考慮工作噴嘴、混合室、擴(kuò)壓管等對引射器性能的影響,以及進(jìn)行了對引射器全流場仿真及實(shí)驗(yàn)研究[8]。

筆者通過Fluent軟件對液汽引射器工作條件和其工作性能的影響進(jìn)行了探究,得出了引射器在工作流體溫度為30攝氏度至50攝氏度區(qū)間內(nèi)時(shí),入口處工作流體溫度越低,其工作性能越好的結(jié)論。

1 液汽引射器簡介

1.1 液汽引射器組成及原理

液汽引射器主要由噴嘴、吸入室、喉管、擴(kuò)散管等部分組成。流體從主入口吸入后經(jīng)噴嘴噴出,射流將蒸汽從吸入室?guī)牒砉?液體射流離開噴嘴一段距離后,產(chǎn)生脈動(dòng)和表面波。隨著射流表面波振幅的增大,高速運(yùn)動(dòng)的液體將分散于蒸汽中,其能量通過碰撞傳給蒸汽。蒸汽被壓縮后粉碎為微小的氣泡,然后與液體一同經(jīng)過擴(kuò)散管排出如圖1所示。

圖1 液汽引射器原理示意圖

1.2 相關(guān)參數(shù)

1.2.1噴射系數(shù)

噴射系數(shù)η最基本的定義由Patterson(1938)確立,它實(shí)質(zhì)上是入口與出口之間動(dòng)能差異的比率。在不可壓縮流中,η為:

式中,v——合速度(三維)

u——合速度軸向分量

p——斷面處射流壓力

ρ——流體的密度

A——斷面面積

1.2.2面積比

面積比a是引射器噴嘴出口截面面積A0與混合管(喉管)截面積A之比,即

1.2.3速度比

速度比λ1是引射器次入口噴嘴截面處引射流流速us與射流流速u0之比,即

1.2.4壓力系數(shù)

引射器內(nèi)液體的流動(dòng)屬于有限空間射流,其存在軸向壓力梯度,并有可能產(chǎn)生回流。其內(nèi)壓力的增加可以用壓力系數(shù)φ表示,壓力系數(shù)φ的定義是

2 模型建立和邊界條件設(shè)置

2.1 CFD模型建立

2.1.1Part的建立

在ICEM CFD建模過程中,幾何模型點(diǎn)線面構(gòu)建完成后的第一步便是Part的建立,其建模示意圖一如圖2所示。Part是把幾何模型上具有特殊意義的部分,加以區(qū)分和歸類,把相同類型的點(diǎn)線面設(shè)為一個(gè)Part。在此實(shí)驗(yàn)案例中,所需創(chuàng)建劃分的Part有IN(主入口)、IN-SEC(次入口)、OUT(出口)、WALL(墻)和SUR(面)。

圖2 CFD建模示意圖一

IN、IN-SEC和OUT分別代表引射器主入口、次入口和出口。分別由此模型前端、上端和后端一段線段組成。其設(shè)置的主要目的是在后期將模型導(dǎo)入Fluent軟件后,可以對引射器進(jìn)行邊界條件設(shè)定。

WALL代表引射器除了IN、IN-SEC和OUT以外所有的線段。 后期導(dǎo)入Fluent后,設(shè)定為一般邊界,不做特殊條件設(shè)置。

SUR代表引射器內(nèi)所有的面。后續(xù)步驟劃分模型網(wǎng)格和導(dǎo)入Fluent后設(shè)置引射器內(nèi)部環(huán)境都需用到SUR。

圖3 CFD建模示意圖二

2.1.2創(chuàng)建塊

通過ICEM CFD前處理軟件建模的第三個(gè)步驟是創(chuàng)建塊,其創(chuàng)建示意圖二如圖3所示。劃分塊的主要目的是在創(chuàng)建網(wǎng)格前,將引射器模型劃分為結(jié)構(gòu)合理的多個(gè)塊,使得相鄰塊之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系符合引射器內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律;使得網(wǎng)格的劃分建立顯得規(guī)整合理,符合邏輯性。

本模型在建立過程中創(chuàng)建塊的步驟為:

1) 定義全局塊初始化形式為2D Planar。

2)按照引射器結(jié)構(gòu),對整個(gè)塊進(jìn)行逐個(gè)劃分,并將不處于引射器結(jié)構(gòu)內(nèi)部的塊刪去,最后留下7個(gè)對應(yīng)塊。

3)將留下的塊與引射器結(jié)構(gòu)進(jìn)行映射。即把幾何模型與塊上相對應(yīng)的點(diǎn)和線一一映射,從而最終得到圖3所示結(jié)果。

2.1.3創(chuàng)建網(wǎng)格

網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建劃分示意圖如圖4所示。

圖4 CFD網(wǎng)格劃分

其創(chuàng)建過程如下:

1)劃分線段,使得每個(gè)小單元的長度近似等于1,并且勾選平行線劃分情況相同的按鈕。

2)按照已劃分好的線段,生成網(wǎng)格。

3)檢查網(wǎng)格質(zhì)量,若有過低質(zhì)量的網(wǎng)格,檢查網(wǎng)格劃分是否合理或者塊的劃分是否正確。

2.2 Fluent邊界條件設(shè)定

以圖5所示,設(shè)置邊界條件。

圖5 Fluent求解器設(shè)置

其具體內(nèi)容如下:

1)計(jì)算器設(shè)置:壓力基礎(chǔ),絕對速度,穩(wěn)態(tài),2D平面。

2)模型設(shè)置:多相流(混合),開啟能量公式,湍流模型標(biāo)注k-ε。

3)材料:添加流體材料水(蒸汽)和水(流體)。

4)流相:主流流體設(shè)置為水(流體),次流流體設(shè)置為水(蒸汽)。

5)邊界條件。

IN —— 壓力入口,湍流計(jì)算(k-ε方程),流相二體積分?jǐn)?shù)設(shè)置為0。

IN-SEC ——壓力入口,湍流計(jì)算(水力直徑和湍流強(qiáng)度),流相一體積分?jǐn)?shù)置為0,流相二體積分?jǐn)?shù)設(shè)置為1。

OUT —— 壓力出口,湍流計(jì)算(水力直徑和湍流強(qiáng)度)。

6)松弛因子:適當(dāng)控制松弛因子,使模型可以計(jì)算。盡量控制在0.5以下。

3 CFD模擬結(jié)果討論

本模擬試驗(yàn)主要討論引射器主流流體在不同狀態(tài)下,對于引射器內(nèi)部性能產(chǎn)生的影響。改變主流流體的溫度、流量以及主入口的壓強(qiáng),將每個(gè)模型放入Fluent中進(jìn)行運(yùn)算,得到模擬結(jié)果。用Tecplot軟件將模擬結(jié)果進(jìn)行處理,并將處理出的數(shù)字結(jié)果輸入Origin8.0軟件,得到可視化圖表。分析Origin圖表,得到所需實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

將Fluent計(jì)算完成后的所有數(shù)據(jù)導(dǎo)入Tecplot。在Tecplot中選取引射器內(nèi)部中點(diǎn)處一條流線,按照一定距離,選取該流線上的點(diǎn),讀取該點(diǎn)上的靜壓。導(dǎo)入Tecplot后,其圖形界面如圖6所示。

圖6 流線示意圖

將同一溫度,不同流速下的各組數(shù)據(jù),編排在同一圖表中。用Origin進(jìn)行繪圖,得到圖7—圖9。

圖7 30℃入口溫度時(shí)引射器內(nèi)靜壓變化曲線

圖8 40℃入口溫度時(shí)引射器內(nèi)靜壓變化曲線

圖9 50℃入口溫度時(shí)引射器內(nèi)靜壓變化曲線

在溫度相同,流量改變的情況下,引射器橫軸0.4 cm至0.8 cm吸入室處壓力突降情況幾乎相同,而后在1.6 cm至2.8 cm喉管處,壓力緩升趨勢有明顯不同,都是30 t/s的樣本上升速度最快,隨著流量變小,上升速度逐漸變慢。

最終可得結(jié)論,無論是主流流體溫度改變,還是主流流體的流量改變,在進(jìn)口段壓降速率幾乎相同且都對引射器在吸入室的壓力情況影響不大,而會(huì)影響引射器喉管的壓力情況,對于引射器實(shí)際工作性能產(chǎn)生一定影響。

將同一流速、不同溫度下的各組數(shù)據(jù),編排在同一圖表中。用Origin8.0軟件進(jìn)行繪圖,得到圖10—圖12。

圖10 10t/s入口流量時(shí)引射器內(nèi)靜壓變化曲線

圖11 20t/s入口流量時(shí)引射器內(nèi)靜壓變化曲線

圖12 30t/s入口流量時(shí)引射器內(nèi)靜壓變化曲線

由圖10—圖12可以看出,即使主流流體溫度發(fā)生改變,在流量不變的情況下,各點(diǎn)壓力分布情況近似相同,都在引射器橫軸方向0.4 cm至0.8 cm吸入室處壓力發(fā)生突降,隨后緩慢上升至出口壓力。

4 小結(jié)

通過設(shè)計(jì)引射器結(jié)構(gòu)尺寸,建立引射器的CFD計(jì)算模型,并對其在不同入口溫度、不同入口流量下等不同工況進(jìn)行數(shù)值模擬,并選取有價(jià)值的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,我們可以得到以下結(jié)論:

1)無論是主流流體溫度改變,還是主流流體的流量改變,在進(jìn)口段壓降速率幾乎相同,都對引射器在吸入室的壓力情況影響不大,但是會(huì)影響引射器喉管的壓力情況,對于引射器實(shí)際工作性能產(chǎn)生一定影響。

2)即使主流流體溫度發(fā)生改變,在流量不變的情況下,各點(diǎn)壓力分布情況近似相同,都在引射器橫軸方向0.4 cm至0.8 cm吸入室處壓力發(fā)生突降,隨后緩慢上升至出口壓力。

所以當(dāng)流量一定時(shí),溫度將對引射器內(nèi)壓力恢復(fù)的速率造成一定的影響。對于本探究中所設(shè)計(jì)的引射器而言,在30℃至50℃的范圍內(nèi),溫度越低,壓力恢復(fù)速率越快,引射效果越好。

上述對引射器工作條件的分析,可在實(shí)際工程運(yùn)用中給予一定的參考和指導(dǎo)。