基于CFD 的礦用催化甲烷傳感器氣室設(shè)計(jì)優(yōu)化

顧仁勇，蔣 澤

（天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 常州213001）

隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，煤礦瓦斯檢測(cè)系統(tǒng)日益成為煤礦安生生產(chǎn)的強(qiáng)力后盾[1]。當(dāng)前所使用的甲烷傳感器主要是催化傳感器, 動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度是催化傳感器的一個(gè)重要性能指標(biāo)。根據(jù)AQ 6203—2006《煤礦用低濃度載體催化式甲烷傳感器》中的要求：甲烷傳感器的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)不大于20 s。氣室作為探頭與外界環(huán)境進(jìn)行氣體交互的媒介，是甲烷傳感器的關(guān)鍵工作部位。不同的氣室尺寸與構(gòu)造直接影響著氣體傳感器的響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定性、重復(fù)性等特性。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)滿足檢測(cè)需要的氣室是十分關(guān)鍵的，這也是保證甲烷傳感器穩(wěn)定可靠的有效途徑[2-6]。

催化類甲烷傳感器的氣室有別于光譜吸收式傳感器，其受氣體流速的影響較大[7-8]。在實(shí)際使用過程中，催化原理的傳感器在測(cè)量甲烷濃度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生燃燒廢氣。如果燃燒廢氣排出不暢，甲烷氣體補(bǔ)充緩慢，會(huì)影響傳感器的響應(yīng)時(shí)間和測(cè)量準(zhǔn)確度。

借助數(shù)值模擬的方法進(jìn)行流體計(jì)算，進(jìn)而優(yōu)化氣體類傳感器性能的方式目前已經(jīng)受到了廣泛的應(yīng)用[9-13]，而針對(duì)礦用催化甲烷傳感器的氣室仿真優(yōu)化的研究較少。因此，利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）對(duì)礦用催化甲烷傳感器的氣室內(nèi)部流場(chǎng)和甲烷擴(kuò)散特性進(jìn)行分析，優(yōu)化傳感器響應(yīng)速度，為礦用氣體類傳感器的氣室設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)和指導(dǎo)。

1 傳感器氣室仿真模型

1.1 物理模型

以某型礦用低濃度甲烷傳感器作為研究對(duì)象，該傳感器采用催化燃燒式原理工作，氣室的三維模型示意如圖1。催化甲烷黑白元件被隔爆罩包裹，用于保護(hù)催化元件。隔爆罩外有探頭組件殼體，殼體上開有過氣孔。氣室底部安裝有粉末冶金片，氣室結(jié)構(gòu)件通過螺紋連接，氣室底部開設(shè)有出氣孔。原始設(shè)計(jì)中，氣室螺紋連接處設(shè)計(jì)有密封圈。

圖1 氣室的三維模型示意Fig.1 Three dimensional model of gas chamber

1.2 網(wǎng)格劃分和計(jì)算條件

對(duì)礦用催化甲烷傳感器的氣室?guī)缀文Ｐ瓦M(jìn)行簡化，去除不影響流場(chǎng)的微小特征。利用布爾運(yùn)算操作，提取出傳感器氣室內(nèi)的流體域。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置網(wǎng)格類型為四面體網(wǎng)格。經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，網(wǎng)格數(shù)量控制在600 萬。

由于甲烷通氣檢測(cè)為動(dòng)態(tài)擴(kuò)散的過程，故計(jì)算為非穩(wěn)態(tài)求解。假定流體運(yùn)動(dòng)為不可壓縮流動(dòng)，湍流模型選用RNG k-ε 模型，開啟組分輸運(yùn)方程和重力模型，混合物包含CH4、O2和N2。為了簡化計(jì)算，模擬不考慮甲烷與催化黑白元件的燃燒化學(xué)反應(yīng)。

甲烷傳感器的響應(yīng)時(shí)間通氣檢驗(yàn)時(shí)，一般采用2%濃度的甲烷-空氣混合氣體進(jìn)行測(cè)試。標(biāo)準(zhǔn)混合氣體在氣室入口的流量由浮子流量計(jì)調(diào)節(jié)為200 mL/min。因此，進(jìn)氣口設(shè)置為速度入口，計(jì)算得出流速為0.016 58 m/s；設(shè)置出氣口為壓力出口邊界條件，相對(duì)壓力設(shè)置為0 Pa。參照相關(guān)文獻(xiàn)，將粉末冶金片和隔爆罩設(shè)置為多孔介質(zhì)模型[14]。

主要分析對(duì)比帶密封圈的原始設(shè)計(jì)和移除密封圈的改進(jìn)設(shè)計(jì)。原始設(shè)計(jì)中，氣體僅可從出氣孔排出，將螺紋連接處設(shè)置為壁面；改進(jìn)設(shè)計(jì)中，移除密封圈，螺紋的配合間隙可以出氣，將螺紋間隙簡化為壓力出口。氣室網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置如圖2。

2 仿真結(jié)果

2.1 原始設(shè)計(jì)氣室

通過數(shù)值模擬計(jì)算，得到的原始設(shè)計(jì)氣室的速度分布和矢量圖、壓力云圖以及三維流線圖如圖3～圖5，原始設(shè)計(jì)氣室不同時(shí)刻的甲烷質(zhì)量濃度云圖如圖6。

圖2 氣室網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置Fig.2 Grid generation and boundary condition of gas chamber

圖3 原始設(shè)計(jì)氣室速度分布和矢量圖Fig.3 Velocity distribution and vector diagram of original design

圖4 原始設(shè)計(jì)氣室壓力云圖Fig.4 Pressure distribution of original design

圖5 原始設(shè)計(jì)氣室三維流線圖Fig. 5 Three dimensional streamline of original design

圖6 原始設(shè)計(jì)氣室不同時(shí)間的甲烷質(zhì)量濃度云圖Fig. 6 Methane mass concentration at different times in the original design

從圖3 可以看出，傳感器氣室的上部氣體流動(dòng)緩慢，絕大部分氣體從進(jìn)氣口流出后撞擊到探頭表面，偏轉(zhuǎn)方向后從氣室底部的出氣口排出。從圖4 可以看出，氣室內(nèi)部壓力分布不均勻，出口的氣流壓降在6 000 Pa 左右。其主要原因在于：粉末冶金片是壓力階躍介質(zhì)，氣流從進(jìn)氣口到出氣口的路徑上需要經(jīng)過2 次濾片，增加了額外的流動(dòng)阻力，不利于氣體的快速流動(dòng)與擴(kuò)散。從圖5 可以看出，甲烷混合氣在進(jìn)入氣室后，大部分進(jìn)氣直接從出氣口排出，少部分氣體沿著探頭側(cè)壁向上運(yùn)動(dòng)到探頭組件的過氣孔，之后流回出氣口。因此，原始設(shè)計(jì)的氣室，氣體流線沒有流過整個(gè)腔體，氣室上部存在著流動(dòng)死區(qū)。氣室與外界環(huán)境的氣體交換不暢，催化元件與甲烷反應(yīng)產(chǎn)生的廢氣較難排出，進(jìn)而會(huì)影響傳感器的響應(yīng)速度和測(cè)量精度。

從圖6 可以看出，隨時(shí)間的變化，氣室內(nèi)甲烷濃度緩慢上升，20 s 時(shí)氣室內(nèi)甲烷濃度才基本與來流一致，且氣室上部部分區(qū)域仍存在濃度梯度。探頭部位的氣體流動(dòng)緩慢，通氣過程中的甲烷主要依靠自由擴(kuò)散在氣室中進(jìn)行傳播。因?yàn)榇呋瘋鞲衅鞯捻憫?yīng)速度主要取決于瓦斯向元件氣室擴(kuò)散的速度[2]，所以該出氣口設(shè)計(jì)方案存在催化元件響應(yīng)時(shí)間超差的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 改進(jìn)設(shè)計(jì)氣室

從之前的分析可以看出，出氣口位置的設(shè)計(jì)直接影響著氣室內(nèi)部的流動(dòng)軌跡，決定著氣室內(nèi)甲烷的擴(kuò)散速率。因此，改進(jìn)設(shè)計(jì)中將螺紋連接處的密封圈移除，通過合理設(shè)計(jì)螺紋連接處的配合間隙，來保證氣室的螺紋不完全密封，使氣體可以從螺紋間隙和出氣孔同時(shí)排出。

改進(jìn)設(shè)計(jì)氣室的速度分布和矢量云圖、壓力云圖和三維流線圖如圖7～圖9, 改進(jìn)設(shè)計(jì)氣室的不同時(shí)刻甲烷濃度云圖如圖10。

圖7 改進(jìn)設(shè)計(jì)氣室速度分布和矢量云圖Fig. 7 Velocity distribution and vector diagram of improved design

圖8 改進(jìn)設(shè)計(jì)氣室壓力云圖Fig.8 Pressure distribution of improved design

圖9 改進(jìn)設(shè)計(jì)氣室三維流線圖Fig. 9 Three dimensional streamline of improved design

圖10 改進(jìn)設(shè)計(jì)氣室不同時(shí)間的甲烷濃度云圖Fig. 10 Methane mass concentration at different times in the improved design

從圖7 可以看出，改進(jìn)設(shè)計(jì)的氣室內(nèi)流動(dòng)與原始設(shè)計(jì)完全不同，氣流流過粉末冶金片后，沿氣室側(cè)壁流動(dòng)到過氣孔，之后全部從螺紋縫隙處排出。從圖8 可以看出，氣室內(nèi)壓降只有700 Pa，流體的流動(dòng)壓降小。氣體從螺紋配合間隙處排出時(shí)只經(jīng)過1 次粉末冶金片，由于氣體流動(dòng)遵循最小阻力原則，因此絕大部分氣體從氣室上部排出。從圖9 可以看出，有別于原始設(shè)計(jì)中甲烷依靠自然擴(kuò)散填充氣室，改進(jìn)設(shè)計(jì)氣室的氣流在向上運(yùn)動(dòng)的過程中，可以將氣室內(nèi)殘余空氣和催化燃燒廢氣進(jìn)行快速置換，從而加快了甲烷氣體的擴(kuò)散。

從圖10 可以看出，隨時(shí)間的變化，氣室內(nèi)甲烷濃度上升速度明顯快于原始設(shè)計(jì)，12 s 時(shí)氣室內(nèi)甲烷濃度與來流一致。改進(jìn)設(shè)計(jì)的氣室內(nèi)部不存在不參與氣體交互的死體積，氣體擴(kuò)散速度快，氣體濃度分布均勻，提高了傳感器的測(cè)量準(zhǔn)確度和響應(yīng)速度。因此，通過優(yōu)化氣室結(jié)構(gòu)，利用螺紋配合間隙進(jìn)行排氣的方案成功提高了催化甲烷傳感器的響應(yīng)速度，滿足了煤礦對(duì)催化甲烷傳感器的性能要求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證以上數(shù)值模擬的正確性，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)對(duì)數(shù)值模擬得到的結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)方案示意圖如圖11，其中方案1 為原始設(shè)計(jì)，方案2 為去除密封圈的改進(jìn)設(shè)計(jì)，方案3 為在方案2 的基礎(chǔ)上通過銑削部分螺紋來增大出氣面積，觀察出口大小對(duì)響應(yīng)速度的影響。

通氣試驗(yàn)采用同一瓶氣樣，濃度為2%甲烷，通氣流量利用浮子流量計(jì)控制為200 mL/min。催化甲烷探頭在試驗(yàn)前已提前進(jìn)行調(diào)零和線性校準(zhǔn)。甲烷傳感器的響應(yīng)時(shí)間T90是指甲烷濃度發(fā)生階躍變化時(shí)，輸出值達(dá)到穩(wěn)定值90%時(shí)所需要的時(shí)間[3]。因此試驗(yàn)記錄傳感器的示數(shù)達(dá)到1.8%甲烷所需要的時(shí)間?？紤]到工藝一致性的差異，每種方案分別制作4個(gè)樣件進(jìn)行測(cè)量。通氣響應(yīng)時(shí)間對(duì)比圖如圖12。

圖11 試驗(yàn)方案示意圖Fig. 11 Schematic diagram of test schemes

圖12 通氣響應(yīng)時(shí)間對(duì)比圖Fig. 12 Comparison chart of response time

由圖12 可以看出，方案1 的響應(yīng)時(shí)間在19 s左右，甲烷通過自然擴(kuò)散傳播；方案1 的響應(yīng)時(shí)間雖然已滿足了AQ 6203—2006 標(biāo)準(zhǔn)中的要求，但響應(yīng)速度還不夠理想。方案2 響應(yīng)時(shí)間在14 s 左右，相比方案1 響應(yīng)時(shí)間降低30%以上；氣室的出氣方式改變后，內(nèi)部甲烷流動(dòng)由自然擴(kuò)散變?yōu)榱鲃?dòng)擴(kuò)散，響應(yīng)速度增加明顯。方案3 在方案2 的基礎(chǔ)上銑削部分螺紋，增加了出氣面積，響應(yīng)時(shí)間可進(jìn)一步降低到8 s左右。對(duì)比3 個(gè)方案可知：該試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)論一致；氣室設(shè)計(jì)中，通過合理設(shè)計(jì)出氣口的位置和大小，可以達(dá)到控制氣體類傳感器產(chǎn)品響應(yīng)時(shí)間的效果。

4 結(jié) 語

利用數(shù)值模擬的方法獲得了催化甲烷傳感器氣室內(nèi)部的流動(dòng)軌跡和甲烷擴(kuò)散規(guī)律。發(fā)現(xiàn)出氣口的設(shè)計(jì)直接決定了氣室內(nèi)部的流動(dòng)軌跡，且影響甲烷傳感器的響應(yīng)速度和測(cè)量準(zhǔn)確度；通過合理設(shè)計(jì)氣室的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化出氣口的位置和大小，可以達(dá)到控制催化傳感器響應(yīng)時(shí)間的效果。