折流板除霧器結構尺寸優(yōu)化數(shù)值模擬*

夏芃力 孔慶森 劉麗艷

(1.天津市化工設計院；2.天津大學化工學院)

化工生產(chǎn)排放的氣體中經(jīng)常含有產(chǎn)品液滴或固體小顆粒，若直接排放，則可能腐蝕下游設備，誘發(fā)振動造成力學失效，或出現(xiàn)浪費原料及污染大氣等現(xiàn)象。近年來，國外一種新型除污節(jié)能設備——折流板式除霧器被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)中，該設備可有效地從氣流中分離出夾帶的微小液滴和固體顆粒，進而改善生產(chǎn)條件、減少環(huán)境污染。由于該類分離器的材料和結構尺寸多種多樣，且具有高效節(jié)能、工作穩(wěn)定性好、結構堅固耐用及可常規(guī)設計等特點，同時還能適于高氣速、高液載和各種粘性液體，因而被廣泛應用于冶金、化工及煉油等工業(yè)領域。

1939年國外學者首次對折流板除霧器進行研究，隨后研究者們分別采用實驗和數(shù)值模擬的方法對折流板除霧器流場進行研究，實驗結果驗證了數(shù)值模擬流場的可靠性[1～3]。隨著折流板除霧器應用的工業(yè)化和大型化，出現(xiàn)了設備坍塌、斷裂等力學問題，嚴重影響生產(chǎn)效益和安全[4，5]。目前，工業(yè)生產(chǎn)中折流板的力學性能受到設備運行狀況及約束等因素的影響，很難實現(xiàn)直接測量和分析，針對這一問題尚未開發(fā)出有效的解決方法。隨著計算機技術的飛速發(fā)展，數(shù)值模擬方法得到廣泛關注。流固耦合數(shù)值模擬技術可直接提取設備內(nèi)部流場和載荷分布，加載到力學計算過程中，實現(xiàn)力學計算準確加載，實時捕捉工作狀態(tài)。Tang D M等針對流固耦合技術進行研究，對比了線性理論和實驗數(shù)據(jù)，并將其應用于超音速壓氣機的分析中，在更接近真實的工作狀態(tài)下得到較理想的研究結果[6～8]。折流板除霧器的坍塌失效機理比較復雜，研究流場穩(wěn)態(tài)情況下折流板的受力和應力分布情況，可為進一步研究除霧器失效機理奠定基礎。筆者采用流固耦合數(shù)值模擬方法，計算除霧器內(nèi)流體壓力場，加載到固體計算域，分析固體折流板受力情況，研究結構參數(shù)對折板力學性能的影響，并得到最優(yōu)結構參數(shù)，為其工業(yè)應用提供指導。

1 數(shù)值模擬

1.1模型及網(wǎng)格

采用ANSYS軟件對折流板除霧器進行流固耦合數(shù)值模擬，實際工作過程中單片折流板的受力情況基本相同，為減少計算時間和計算量，只取其中一片折流板為研究對象，模擬該折流板兩側流場，將流場載荷加載到折流板上進行受力分析，圖1a給出單片折流板的計算模型。采用ICEM軟件對流體和固體的計算域生成六面體結構化網(wǎng)格，彎折處和約束處對流體和固體進行網(wǎng)格加密處理(圖1b、c)，對網(wǎng)格進行了敏感性分析和網(wǎng)格無關性檢驗。圖2給出了進口氣速為5m/s時，折流板上、下兩側流體通道中心位置橫截面流場壓力分布。由圖2可見，折流板上、下兩側通道內(nèi)的流場分布基本相同，靠近進口處壓力均較大，在每一個彎折處折流板兩側的壓差較大，隨著流體的流動，折流板兩側通道內(nèi)的壓力均逐漸減小，兩側的壓差也隨之減小。但總體上兩側通道壓力場分布基本一致。

圖1 數(shù)值模型建立以及網(wǎng)格劃分

a. 折流板上側

b. 折流板下側圖2 進口氣速5m/s時折流板兩側壓力分布

1.2數(shù)值模擬條件

1.2.1流體邊界條件

流體介質選取25°C時空氣-水體系，空氣為連續(xù)相，水滴為分散相。連續(xù)相進口條件為速度進口；出口條件為壓力出口；壁面條件為無滑移，絕熱。離散相進口條件為速度進口，速度與連續(xù)相相同，在進口均勻分布；出口條件為壓力出口；壁面條件為與壁面相互作用模型選用Stick-to-wall模型。

1.2.2固體邊界條件

折流板的載荷由流體計算結果給出，折流板約束為4個螺栓孔，在螺栓孔處采用ANSYS Workbench中Cylindrical Support約束折流板上4個螺栓孔，半徑和軸向固定，切向自由。

1.3流體控制方程

結合實際情況和合理的計算時間，對流體做出如下假設：

a. 進入折流板氣速不大于7m/s，可視為不可壓縮氣體；

b. 液滴粒徑可做球體處理，忽略液滴聚合、蒸發(fā)和摩擦的影響；

c. 液體顆粒撞擊到壁面上即認為被捕集，不考慮壁面水膜的影響；

d. 液滴到達除霧器出口處即認為未捕集。

在三維坐標系中，采用歐拉-拉格朗日方法分別處理連續(xù)相和離散相。氣相的控制方程為連續(xù)性方程、Navier-Stokes方程和RNGk-ε方程。

1.4固體控制方程

對體積V內(nèi)介質，由虛功原理可得：

(1)

式中fk——當前位置上的體力密度，kg/m3；

k——湍動能，m2/s2；

sk——作用在單元外表面φ1上的表面力，N，本計算中sk=0；

tkm——Cauchy應力，Pa；

δxk——虛位移，mm；

ρs——密度，kg/m3。

式(1)右端依次為慣性力、內(nèi)應力、體力和表面力做的虛功，左端為總的虛功。積分在控制單元內(nèi)進行，運用Gauss定理可得：

(2)

(3)

1.5求解方法

因主要研究折流板力學性能采用單向流固耦合，首先利用CFX求解流體控制方程，再用Mechanical求解固體控制方程，通過流固交界面把流體計算結果壓力場加載到折流板上。

流體求解：應用CFX求解器，采用有限體積法對三維數(shù)值模型進行離散，壓力-速度耦合方程采用SIMPLE算法，動量方程、湍動能和湍流耗散率方程均采用二階迎風格式，壁面邊界條件考慮為無滑移固壁邊界，液滴基于拉格朗日法進行計算。

固體求解：應用Mechanical求解器，采用有限元法進行離散，Solid186固體結構單元，運用共軛梯度求解器對固體方程進行求解。

2 結果與討論

2.1力學性能指標確定

筆者所用數(shù)值模擬方法已得到相應力學性能實驗驗證。實驗和數(shù)值模擬結果均表明折流板從一個彎折處沿著流體方向(即軸向)應力變化梯度較大，第一主應力由拉應力迅速變?yōu)閴簯?，或者由壓應力迅速變?yōu)槔瓚?，靠近彎折處有較大的應力集中，遠離彎折處應力相對較小，總體實驗結果和模擬結果吻合良好(關于具體實驗方案和測試結果已另文發(fā)表)。

針對圖1a所示的折流板進行了大量的數(shù)值模擬研究，結果表明折流板最大撓度位于折流板迎風側中間位置。折流板彎折部分應力分布和折流板約束處的應力分布差別較大，折流板內(nèi)部應力最大的位于第一彎折中間位置。圖3、4給出一定參數(shù)下(級數(shù)2、間距20mm、折角90°、進口氣速7m/s、約束孔徑20mm、折板高度60mm、約束邊寬40mm)折流板除霧器第四強度理論撓度和應力分布。通過對折流板的應力分布分析，選擇約束處最大應力σmax，折流板進口第一塊折板最大應力σmax1和最大撓度wtotal3個參數(shù)為折流板應力分布研究指標，研究約束孔徑、約束邊寬和折板高度對折流板力學性能的影響趨勢，從而得到最優(yōu)的參數(shù)，加強折流板的強度和剛度，避免除霧器坍塌失效。

圖3 撓度分布云圖

圖4 應力分布云圖

2.2結構分析

折流板約束孔徑、折板高度和約束邊寬3個設備參數(shù)對折流板的效率、壓降的影響較小，但對折流板力學性能有影響。對這幾個參數(shù)進行單因素分析，研究折流板約束孔徑、折板高度和約束邊寬對指標的影響規(guī)律，為折流板除霧器設計提供指導。

2.2.1約束孔徑D的影響

約束孔徑D對折流板除霧器主要起固定支撐作用，是保證除霧器安全、穩(wěn)定運行的關鍵尺寸。根據(jù)螺栓標準可知螺栓直徑有M8、M18、M27、 M38、 M48系列，所以約束孔徑取較大值，因此折流板約束孔徑分別采用10、20、30、40、50mm系列，從力學的角度分析不同約束孔徑對設備力學性能的影響。工業(yè)中常用的折板尺寸參數(shù)見表1(圖1a)，液滴直徑為20μm，不同風速下，約束孔直徑對σmax、σmax1和wtotol的影響如圖5所示。

從圖5可以看出：圓孔約束處的最大應力σmax隨著孔徑的增大先減小后增大，當約束孔徑為20mm時σmax最?。坏谝粡澱厶幍淖畲髴Ζ襪ax1和最大撓度wtotal也是隨著約束孔徑的增大先減小后增大，當約束孔徑為40mm時，σmax1和wtotal最小。約束孔徑增大固定螺栓直徑增大，承受折板上的部分約束力，折板約束處的最大應力減小；但隨著約束孔徑的增加，約束邊寬有效承載材料減少，從而使約束應力增大?？梢娂s束孔徑受到約束邊寬的限制，約束邊寬較大時，適當增大約束孔徑可以降低約束處的最大應力。約束孔徑適當增大，會提高約束處的剛度，從而減小最大撓度。約束孔徑增大也會使折流板內(nèi)部應力趨于均勻，降低第一彎折處的最大應力。隨著約束孔徑的進一步增大，約束處的材料同樣減少，造成約束處剛度減小，傳遞到折流板內(nèi)部應力分布不均勻，所以，σmax1和wtotal會在約束孔徑為40mm時開始增大，由此，建議約束孔徑采用20mm。

2.2.2折板約束邊寬B影響

約束邊寬B同約束孔徑一樣，對折流板除霧器均起到固定支撐的作用，是保證除霧器安全、穩(wěn)定運行的關鍵尺寸。其具體尺寸主要受到約束孔徑和折流板除霧器制造材料制約。根據(jù)約束孔徑的尺寸確定約束邊寬的大小，約束邊寬采用40、50、60、70、80mm系列，從力學的角度，分析得到科學合理的約束邊寬的尺寸。其他折板的具體尺寸參數(shù)見表2(圖1a)，液滴直徑為20μm。折流板約束段不在除霧器分離過程中發(fā)揮作用，主要起安裝固定作用。不同風速下，折板約束邊寬對σmax、σmax1和wtotal的影響如圖6所示。

表1 折板尺寸參數(shù)

a. σmax

b. wtotal

c. σmax1圖5 不同風速下參數(shù)隨著約束孔徑的變化趨勢

表2 折板尺寸參數(shù)

a. σmax

b. wtotal

c. σmax1圖6 不同風速下參數(shù)隨約束邊寬變化趨勢

由圖6可見，不同風速時隨著邊寬的增大，σmax、σmax1和wtotal均減小，當約束邊寬為60mm時，σmax減小趨勢趨于平緩，增大約束邊寬會導致折流板慣性力和剛度增大，而表面力變化不大，當折板約束邊寬與折板高度相同(60mm)時，約束處的最大應力σmax開始趨于平穩(wěn)，建議約束邊寬采用60mm。

2.2.3折板高度C影響

折板高度C對除霧器的工藝性能影響較小，其計算式為：

(4)

式中C——折板高度，mm；

s——折板間距，mm；

α——折流板折角，(°)。

工業(yè)中常用的其他折板具體尺寸參數(shù)見表3(圖1a)，液滴直徑采用20μm，不同風速下，折板高度對σmax、σmax1和wtotal的影響如圖7所示。

表3 折板尺寸參數(shù)

a. σmax

b. wtotal

c. σmax1圖7 不同風速下參數(shù)隨折流板高度變化趨勢

從圖7可以看出，隨著折流板的高度增大，σmax、σmax1和wtotal減小。隨著折板高度的增加，折流板的剛度增加，固體方程中慣性力增大，根據(jù)流場分析得知折流板的高度的增加，折流板兩側的壓力差變化不大，因此載荷變化較小，固體方程中表面力基本不變，故增加折板高度，會降低折流板的σmax、σmax1和wtotal。從工藝的角度分析，折板高度在一定范圍內(nèi)變化對折流板的效率、壓降及處理量等都沒有影響。從力學的角度分析，適當提高折流板的高度可以提高設備強度，由此建議折板高度采用80mm。

2.2.4優(yōu)化結果對比

通過對折流板除霧器結構尺寸優(yōu)化后，得到力學性能最優(yōu)的結構尺寸。圖8分別給出了最優(yōu)結構參數(shù)的折流板除霧器在不同氣速下的σmax、σmax1和wtotal結果與以下組合的對比結果：

a. 組合(1)，約束孔徑為20mm、約束邊寬為70mm、折板高度為60mm(約束孔徑單因素分析中力學性能最優(yōu))；

b. 組合(2)，約束孔徑為20mm、約束邊寬為60mm、折板高度為60mm(約束邊寬單因素分析中力學性能最優(yōu))；

c. 組合(3)，約束孔徑為20mm、約束邊寬為40mm、折板高度為80mm(折板高度單因素分析中力學性能最優(yōu))。

圖8a給出了不同風速下，不同組合的σmax對比結果，從圖8a中可以看出優(yōu)化后組合下除霧器的σmax最小，隨著風速的增大，不同組合的σmax均增大，同時優(yōu)化后的σmax相對于其他組合下的σmax更小，顯示出優(yōu)化后折流板除霧器的優(yōu)良力學性能；圖8b給出了不同風速下，不同組合的wtotal對比結果，從圖中可以看出優(yōu)化后組合下的wtotal遠小于組合(1)、(2)下的wtotal，但對于組合(3)這種優(yōu)化效果不明顯；圖8c給出了不同風速下，不同組合的σmax1對比結果，從圖中可以看出優(yōu)化后的σmax1小于組合(1)、(2)下的σmax1，但對于組合(3)這種優(yōu)化效果并不明顯。綜上所述，折流板結構尺寸優(yōu)化后的σmax、wtotal和σmax1與組合(1)、(2)對比相對較小，顯示出優(yōu)良的力學性能。折流板結構尺寸優(yōu)化后的wtotal和與組合(3)對比優(yōu)化效果不明顯，但優(yōu)化后的σmax與組合(3)對比相對較小，但綜合考慮優(yōu)化后的σmax、wtotal和這3個參數(shù)時(σmax是工業(yè)應用中折流板破壞的主要因素)可以看出優(yōu)化后的折流板結構尺寸(約束孔徑為20mm、約束邊寬為60mm、折板高度為80mm)下除霧器具有優(yōu)良的力學性能。

a. σmax

b. wtotal

c. σmax1圖8 不同風速下各參數(shù)的不同組合對比

3 結論

3.1通過與工程實際對比，折流板斷裂失效位置位于折流板約束處，約束處為折流板最易發(fā)生破壞的位置。

3.2隨著約束孔徑增大σmax、σmax1和wtotal先減小后增大，建議采用20mm；隨著約束邊寬的增大，σmax、σmax1和wtotal均減小，建議采用60mm；隨著折流板的高度增大，σmax、σmax1和wtotal會減小，建議采用80mm。

3.3通過采用優(yōu)化后的結構尺寸，折流板除霧器力學性能得到較大提升，可為工業(yè)設計折流板除霧器提供指導。

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