高精度混合器內(nèi)氣體湍流擴(kuò)散過(guò)程的CFD數(shù)值模擬*

郭　波　胡德棟　單文硯　許思思

(1.山東省計(jì)量科學(xué)研究院，濟(jì)南 250014；2.青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，青島 266061)

0　引言

本文對(duì)于用于氣體報(bào)警器檢定的自動(dòng)配氣系統(tǒng)的混合精度進(jìn)行了理論模擬。氣體由于具有較小的密度和粘度，其混合過(guò)程比液體和固體的混合簡(jiǎn)單很多。氣-氣混合過(guò)程看似簡(jiǎn)單，實(shí)際機(jī)理和過(guò)程卻非常復(fù)雜。氣-氣混合的應(yīng)用非常廣泛，例如反應(yīng)器中物料進(jìn)料時(shí)的混合，工業(yè)中氣體燃料的混合，氣態(tài)烴類(lèi)氯化過(guò)程中氣態(tài)烴與氯氣的混合，環(huán)氧乙烷工藝中乙烯與空氣的混合[1-4]等過(guò)程都是氣-氣混合的重要工業(yè)應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者也對(duì)此做了很多研究，希望能通過(guò)設(shè)計(jì)更加高效合理的混合設(shè)備獲得更優(yōu)的混合速率和混合均勻度[5,6]，以此提高傳質(zhì)系數(shù)或者傳熱系數(shù)，從而促進(jìn)物理過(guò)程或者化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。雖然如前所說(shuō)氣體具有低密度、低粘度、易混合的特點(diǎn)，但是要在極小的空間里、較短的時(shí)間內(nèi)，讓兩股或多股氣體達(dá)到十分均勻的混合，目前在技術(shù)上仍然存在很大困難[6,7]，對(duì)混合器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝操作條件要求十分高。

對(duì)于射流混合器的研究，國(guó)內(nèi)外也有過(guò)相關(guān)報(bào)道。Forney等[8]研究了管流中主流與橫流射流的混合，通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，較大的橫流與主流的動(dòng)量比可以減少混合均勻所需的時(shí)間，同時(shí)可以獲得更加均勻的混合。Aklilu T.G.Giorges等[9]研究了管道中湍流主流與橫流射流的混合過(guò)程，采用不可壓縮Navier-Stokes方程和標(biāo)準(zhǔn)k-ε。湍流模型對(duì)混合過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分別探討了單孔橫流射流和多孔橫流射流的混合效果。俞豐等[10]介紹了一種新的氣體射流快速混合技術(shù)，利用兩股氣體射流的激烈碰撞和射流卷吸作用產(chǎn)生的流動(dòng)特性促進(jìn)兩股氣體的快速混合，分別研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)，例如進(jìn)料動(dòng)量比、混合器開(kāi)孔直徑、混合器開(kāi)孔面積及混合器長(zhǎng)徑比等對(duì)混合均勻程度的影響。吳民權(quán)等[11]利用流體高速射流與多孔板發(fā)生碰撞，形成了強(qiáng)烈的湍流流場(chǎng)，湍流和撞擊極大地促進(jìn)了氣體之間的混合。

本研究采用CFD商業(yè)軟件FLUENT來(lái)模擬混合器的內(nèi)部流場(chǎng)和組分濃度場(chǎng)，探討了混合器結(jié)構(gòu)對(duì)模擬結(jié)果的影響。

1　物理模型及網(wǎng)格劃分

混合器模型如圖1所示，錯(cuò)流射流混合器能使通過(guò)小孔后的流體被最大程度地分散和破碎，很大程度地提高混合效果，因此在空氣入口處設(shè)噴射管，在CO入口處設(shè)置CO分布器，并使噴射管?chē)姵龅目諝馀cCO分布器流出的CO呈錯(cuò)流混合。其中混合區(qū)長(zhǎng)為140mm，混合器直徑20mm，空氣噴射管直徑為1mm，CO分布器孔徑為2mm。

圖1　錯(cuò)流射流混合器模型

采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，共25556個(gè)四邊形網(wǎng)格。

2　控制方程及邊界條件

2.1　控制方程

物料混合需要依靠主體擴(kuò)散、湍流擴(kuò)散和分子擴(kuò)散。主體擴(kuò)散能形成大規(guī)模的主體流動(dòng)，湍流擴(kuò)散能將流體破碎成很小的微團(tuán)，能極大促進(jìn)分子擴(kuò)散的進(jìn)行，從而提高混合速率，改善混合均勻度。因此，微觀上的均勻混合需要強(qiáng)烈的湍流流場(chǎng)。CFD數(shù)值模擬計(jì)算的控制方程為質(zhì)量守恒(連續(xù)性方程、組分濃度方程)、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程。本系統(tǒng)中氣-氣混合過(guò)程不涉及傳熱，不需要計(jì)算能量守恒方程，只需建立上述三個(gè)守恒方程，控制方程如下所示：

其中，動(dòng)量守恒方程即著名的二維不可壓縮流體的Navier-Stokes方程：

式中：ux為x方向的速度分量，uy為y方向的速度分量，fx為x方向的單位質(zhì)量力分量，ρ為流體密度，p為流體壓強(qiáng)，μ為流體運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)。

由于氣體射流為湍流射流，附加湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，k表示湍流動(dòng)能，ε表示湍流動(dòng)能耗散率。k守恒方程和ε守恒方程分別為：

其中，C1，C2，σk和σε都是模型經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型應(yīng)用十分廣泛，無(wú)需針對(duì)具體情況逐一調(diào)整模型參數(shù)。

2.2　邊界條件

空氣和CO入口均為速度入口，空氣流量為172.8m3/h，CO流量為0.1m3/h。

出口為自然出流；湍流強(qiáng)度水力直徑按相應(yīng)公式計(jì)算。

3　求解方法

本模擬采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，模擬混合過(guò)程求解時(shí)所采用的速度壓力藕合方式是SIMPLE算法，選用二階迎風(fēng)格式以提高模擬計(jì)算精度。計(jì)算進(jìn)行30000步以上，殘差收斂至10-6,認(rèn)為計(jì)算結(jié)束。

4　模擬結(jié)果及分析

4.1　錯(cuò)流射流混合器模擬結(jié)果及分析

由圖2可以看出，錯(cuò)流引起的強(qiáng)烈湍流流場(chǎng)，加上兩股氣體的激烈碰撞，大大提高了混合效率和混合均勻度。

圖2　速度矢量圖

由圖3可以看出，由于形成了強(qiáng)烈的湍流，在接近出口方向CO濃度分布趨于穩(wěn)定但在出口處還沒(méi)有達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，出口處CO濃度極差較大。

圖3　出口處CO濃度分布

對(duì)混合效果可能會(huì)有影響的參數(shù)包括混合器結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝操作條件。其中，混合器結(jié)構(gòu)參數(shù)有以下幾個(gè):混合器的開(kāi)孔分布(孔徑、孔間距、開(kāi)孔數(shù)、開(kāi)孔面積等)、混合器長(zhǎng)徑比和混合器形狀;工藝操作參數(shù)包括以下幾個(gè):兩股氣體的流速、動(dòng)量比和雷諾數(shù)等。因此可以通過(guò)進(jìn)一步改變?nèi)肟跉怏w分布、混合器長(zhǎng)徑比以及工藝操作條件，以達(dá)到預(yù)期的混合效果。

4.2　改進(jìn)結(jié)構(gòu)后的混合器模擬

4.2.1模型建立

加長(zhǎng)混合器混合部分長(zhǎng)度至300mm，為了改善空氣流量過(guò)大而引起的CO濃度分布集中于混合器壁面附近的問(wèn)題，在混合器中間部分設(shè)置CO入口管，空氣入口分布于兩側(cè)，側(cè)面仍然保留CO入口管，以保留錯(cuò)流效果。在混合器中增設(shè)擋板，擋板的作用能夠使混合過(guò)程中的氣體更好的形成湍流作用，以達(dá)到更好的混合效果。改進(jìn)后的混合器模型如圖4所示。

圖4　改進(jìn)結(jié)構(gòu)后的混合器模型

4.2.2模擬結(jié)果

改進(jìn)后的速度矢量圖如圖5所示，出口處CO濃度分布如圖6所示。不同截面上CO濃度分布如圖7所示。

圖5　改進(jìn)后的速度矢量圖

圖6　改進(jìn)后的出口處CO濃度分布

圖7　不同截面上CO濃度分布

由圖6和圖7可以看出，CO入口濃度為5.77×10-4mol/mol時(shí)，出口截面上濃度極差為0.03×10-4mol/mol，誤差為0.52％，此時(shí)混合均勻性誤差小于1％，能達(dá)到非常好的混合效果。

5　結(jié)論

本文中的錯(cuò)流射流混合器能滿足氣-氣混合均勻性誤差低于1％的混合要求，通過(guò)對(duì)混合器結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)的調(diào)整和優(yōu)化，獲得了滿意的混合均勻度。混合器的長(zhǎng)徑比、射流分布器的分布、折流擋板的布置以及氣體流量等因素對(duì)混合過(guò)程都有較大影響。

[1]Pallares D,Johnsson F.Modeling of fuel mixing in fluidized bed combustors.ChemicalEngineering Science，2008，63(23)：5663-5671

[2]Urseanu M L，Ellenberger J，Krishna R.A structured catalytic bubble column reactor：hydrodynamics and mixing studies.Catalysis Today，2001，69(1-4)：105-113

[3]Goryachev V V，Treger Y A，R M F，Krishtal N F，F(xiàn)edorova V M.Kinetics of gaseous-phase catalytic chlorination of ethane.Petroleum Chemistry USSR，1976,16(4)：228-234

[4]Zahedi G，Lohi A，Mahdi K A.Hybrid modeling of ethylene to ethylene oxide heterogeneous reactor.Fuel Processing Technology，2011，92(9)：1725-1732

[5]Tamir A，Luzzatto K.Solid-solid and gas-gas mixing properties of a new two impinging-streams mixer.AIChE Journal，1985，31(5)：781-787

[6]Zhong W，Xiao R，Zhang M.Experimental study of gas mixing in a spout-fluid bed.AIChE Journal，2006，52(3)：924-930

[7]Gilliland E R，Mason E A.Gas and Solid Mixing in Fluidized Beds.Industrial & Engineering Chemistry，1949，41(6)：1191-1196

[8]Forney L J，Nafia N，Vo H X.Optimum jet mixing in a tubular reactor.AIChE Journal，1996，42(11)：3113-3122

[9]Giorges A T G，F(xiàn)orney L J，Wang X D.Numerical Study of Multi-Jet Mixing.Chemical Engineering Research and Design，2001，79(5)：515-522

[10]俞豐,李瑞江,倪燕慧,等.氣-氣快速混合的研究.化學(xué)反應(yīng)工程與工藝，2003,19(1):45-50

[11]吳民權(quán),黃發(fā)瑞.氣-氣快速混合研究.石油學(xué)報(bào):石油加工,1993，9(2)：112-118