流化床噴嘴霧化可靠性仿真分析

李 錚，劉海軍，張 雷

(1.中國(guó)核電工程有限公司，北京100840；2.北京航空航天大學(xué)可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院，北京100191)

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流化床噴嘴霧化可靠性仿真分析

李 錚1，劉海軍1，張 雷2

(1.中國(guó)核電工程有限公司，北京100840；2.北京航空航天大學(xué)可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院，北京100191)

為了確定流化床噴嘴霧化效果的可靠性水平及其影響參數(shù)，利用FLUENT軟件對(duì)空氣輔助霧化噴嘴的霧化效果進(jìn)行了數(shù)值模擬。以硝酸鈾酰溶液的霧化顆粒索特平均粒徑(SMD)為約束條件對(duì)噴嘴進(jìn)行了可靠性定量仿真，并結(jié)合靈敏度分析軟件確定影響噴嘴霧化的關(guān)鍵參數(shù)，為提高流化床霧化噴嘴的質(zhì)量提供有效地改進(jìn)建議。

可靠性分析 FLUENT仿真 索特平均粒徑(SMD) 靈敏度分析

流化床是制備三氧化鈾的關(guān)鍵設(shè)備，其主要功能是將硝酸鈾酰溶液加熱脫硝，生成三氧化鈾。在此過程中，為了得到更好的脫硝效果，必須將其通過一個(gè)雙流體氣動(dòng)霧化噴嘴霧化，使液料形成尺寸均勻，顆粒直徑小的液霧，以增加硝酸鈾酰溶液與流化氣和流化底料之間的接觸面積，提高反應(yīng)速度[1]。本研究中脫硝流化床所用雙流體氣動(dòng)霧化噴嘴屬于空氣霧化噴嘴，是流化床中的關(guān)鍵設(shè)備之一。噴嘴質(zhì)量的好壞，不僅影響產(chǎn)品粒度的大小和分布，在一定程度還影響著床層的流化質(zhì)量，進(jìn)而影響三氧化鈾的產(chǎn)量。文獻(xiàn)[2]采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬仿真結(jié)合的方法，研究了噴嘴中液相介質(zhì)霧化參數(shù)的變化情況，并總結(jié)出相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式。文獻(xiàn)[3]研究了大口徑旋流噴嘴的性能，并用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。對(duì)于噴嘴霧化效果的影響因素，文獻(xiàn)[4]等通過數(shù)值模擬及相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究了噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)霧化效果的影響。文獻(xiàn)[5]對(duì)霧化溶液的霧化性能進(jìn)行了分析，得到索特平均直徑在溶液濃度較低時(shí)主要取決于溶液濃度，在溶液濃度較高時(shí)取決于溶液中聚合物的分子量的結(jié)論。本文從性能和功能可靠性的角度對(duì)脫硝流化床霧化噴嘴進(jìn)行可靠性定量分析，以噴嘴霧化效果的高可靠作為約束條件，確定對(duì)噴嘴霧化可靠性敏感的設(shè)計(jì)參數(shù)，為改善脫硝流化床噴嘴霧化效果提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 理論基礎(chǔ)

空氣霧化噴嘴的噴霧狀態(tài)屬于典型的氣液兩相流流動(dòng)，計(jì)算時(shí)需要考慮空氣與液滴之間的相互作用[6]。因此在Fluent對(duì)噴霧過程采用歐拉-拉格朗日模型進(jìn)行模擬時(shí)，將液滴處理為離散項(xiàng)，空氣處理為連續(xù)項(xiàng)[7]。

1.1 氣液兩相介質(zhì)流動(dòng)理論

依據(jù)氣體在噴管內(nèi)流動(dòng)的基本理論，假設(shè)噴管內(nèi)流動(dòng)的為定比熱容理想空氣，則其連續(xù)方程為[8]

(1)

動(dòng)量方程為：

(2)

k方程為：

(3)

ε方程為：

(4)

式中：Gk是由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；Gb是由于浮力引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；Ym代表可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)；C1ε、C2ε和C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；σk和σε分別是與湍動(dòng)能k和耗散率ε對(duì)應(yīng)的Prandtle數(shù)；Sk和Sε是用戶定義的源項(xiàng)。

Fluent中通過積分拉氏坐標(biāo)系下的顆粒作用力微分方程來求解離散相顆粒的軌道。顆粒的作用力平衡方程在笛卡爾坐標(biāo)系下的形式(X方向)為:

(5)

式中：FD(μ-μp)為顆粒的單位質(zhì)量曳力；μ為流體相速度；μp為顆粒速度；ρ為流體密度；ρp為顆粒密度；Fx為X方向上的其他作用力。

基于連續(xù)相和離散項(xiàng)的計(jì)算結(jié)果，利用Fluent計(jì)算噴嘴霧化顆粒的軌跡，由此得到熱量、質(zhì)量、動(dòng)量等物理量，可應(yīng)用于隨后的連續(xù)相的作用。于是在連續(xù)相影響離散項(xiàng)的同時(shí)也可以考慮離散項(xiàng)對(duì)連續(xù)相的影響，交替求解連續(xù)相與離散項(xiàng)的控制方程直到二者收斂。

1.2 索特平均直徑

液滴直徑大小受到多種因素的影響，一般減小噴嘴出口直徑、增大工作壓力(使初始速度增加)、溶液粘度和表面張力的減小等，都會(huì)使液滴直徑減小。常用的評(píng)價(jià)噴霧粒徑的指標(biāo)有平均粒徑、索特平均值經(jīng)和粒徑分布。平均粒徑即所有液滴直徑的算術(shù)平均值，索特平均直徑(SMD)則是所有液滴總體積與總表面積之比。設(shè)直徑為di的液滴數(shù)為ni，則有[9]：

(6)

SMD是多種因素綜合作用的結(jié)果，學(xué)者總結(jié)的SMD經(jīng)驗(yàn)公式也較多，其中文獻(xiàn)[10]提出的SMD公式如式(7)所示：

(7)

式中：v為運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s；σ為表面張力，N/m；ρL、ρA分別為液體和周圍空氣密度，kg/m3；ΔP為噴嘴開啟壓力差(噴射壓力-環(huán)境壓力)，Pa。由于ρA和ΔP在同一工況下是不變的，則上式可簡(jiǎn)化為：

SMD=αv0.335(σρL)0.737

(8)

式中：α為索特平均直徑系數(shù)。

2 可靠性優(yōu)化分析

2.1 噴嘴霧化效果的定量仿真及關(guān)鍵參數(shù)的提取

由上述液相及氣相介質(zhì)的性質(zhì)參數(shù)及其取值，采用FLUENT進(jìn)行流體分析，用k-ε 湍流模型進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于介質(zhì)壓力和速度的耦合處理采用SIMPLE算法，不考慮液相與氣相之間的能量交換。噴嘴的霧化過程是雙流體的仿真過程，分別為液相介質(zhì)(硝酸鈾酰水溶液)的流體仿真和氣相介質(zhì)(空氣)的流體仿真。

圖1 上下砧不同壓下速度下鍛件所需載荷的大小

對(duì)于噴嘴液相介質(zhì)硝酸鈾酰水溶液，在噴管入口處的流量為0.031 kg/s，工作壓力為0.4 MPa，噴嘴出口處液體的流速如圖1所示。

由圖1可知在液相介質(zhì)越接近噴嘴出口處其流速越大，硝酸鈾酰水溶液在規(guī)定的邊界條件下，出口速度在0.75 m/s～0.945 m/s之間，其平均速度為0.847 08 m/s。

圖2 噴嘴內(nèi)氣相介質(zhì)的速度分布圖

對(duì)于噴嘴內(nèi)的氣相介質(zhì)，其氣壓力為0.4 MPa，霧化氣壓溫度200℃，氣液比為300，仿真結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知噴嘴處氣體流速最大，其出口速度范圍在645 m/s～967 m/s之間，空氣的平均速度在800 m/s左右。

在上述硝酸鈾酰水溶液的仿真過程中，根據(jù)溶液的屬性、載荷和邊界條件，提取與霧化效果相關(guān)的幾種關(guān)鍵參數(shù)：硝酸鈾酰水溶液的粘度系數(shù)，硝酸鈾酰水溶液額定工作壓力，硝酸鈾酰水溶液入口處流量，噴嘴出口處直徑。同理，氣相介質(zhì)(空氣)提取的參數(shù)：噴嘴入口處氣體速度，氣體額定工作壓力，氣液比。根據(jù)化工設(shè)備產(chǎn)品手冊(cè)和專家的工程經(jīng)驗(yàn)、設(shè)計(jì)方案及公差標(biāo)準(zhǔn)，將噴嘴中各個(gè)參數(shù)定義成隨機(jī)變量，如表1所示。

表1 提取的參數(shù)及其隨機(jī)化

噴嘴在霧化過程中，液、氣兩相流體在額定的壓力值下，經(jīng)過流體通道中在噴嘴處高速噴出來，其速度分別為vl、vg。硝酸鈾酰溶液在空氣的作用下，形成霧化的溶液。霧化效果的好壞常用霧化粒徑的統(tǒng)計(jì)平均值描述，所謂平均直徑就是用一個(gè)假想的尺寸均一的球形液滴來代替原來形狀不一、尺寸不等的實(shí)際液滴，替代的原則是保證原液滴的某個(gè)特征量不變。按照尺寸平均方法的不同，有不同的平均直徑。體積-表面積平均直徑即索特平均直徑SMD屬于統(tǒng)計(jì)平均直徑的一種。通過文獻(xiàn)調(diào)研，霧化后硝酸鈾酰溶液粒徑范圍為0.2 mm～0.5 mm情況下，霧化顆粒的索特平均直徑(SMD)范圍dm在25 μm～50 μm之間比較合適。

由公式(6)可知霧化顆粒直徑和液相介質(zhì)及氣相介質(zhì)出口速度的關(guān)系[11]，對(duì)液體速度vl進(jìn)行參數(shù)的響應(yīng)面擬合。由前面硝酸鈾酰水溶液的定量分析提取的關(guān)鍵參數(shù)，選擇溶液入口流量、溶液工作的壓力、溶液黏著系數(shù)三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行擬合，得液相速度表達(dá)式為：

vl=-5 196.253 71+35 294.86a-0.033 586b-571.108 94c-1.526 5-4ab-20.363 85ac+2.168-6bc-471.578a2+9.985 52-12b2+2.160 89c2

(9)

其中a為液相介質(zhì)入口流量，kg/s；b為液相介質(zhì)的額定工作壓力，Pa；c為液相介質(zhì)的粘度系數(shù)。

同理對(duì)噴嘴的氣相介質(zhì)進(jìn)行抽樣計(jì)算和二次響應(yīng)面擬合，選擇流體的入口流量、工作的壓力兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行擬合，得到結(jié)果如式(10)所示：

vg=-66 370.468 63-3.230 185d-0.533 17e-0.603 62de+5.878 537d2+8.237 20-8e2

(10)

其中d為氣相介質(zhì)的入口流量，kg/s；e為氣相介質(zhì)的額定工作壓力，Pa。

綜合上述內(nèi)容可得到流化床噴嘴霧化效果最終的的顯式功能函數(shù)表達(dá)式為：

G=SMD-dm

vl=-5 196.253 71+35 294.86a-0.033 586b-571.108 94c-1.526 5-4ab-20.363 85ac+2.168-6bc-471.578a2+9.985 52-12b2+2.160 89c2

vg=-66 370.468 63-3.230 185d-0.533 17e-0.603 62de+5.878 537d2+8.237 20-8e2

(11)

式中：m為噴嘴中霧化的氣液比；dl為噴嘴出口的直徑；dm為要求的輸出的硝酸鈾酰水溶液霧化后的索特平均直徑。

利用蒙特卡羅方法對(duì)可靠性功能函數(shù)進(jìn)行抽樣仿真計(jì)算其可靠度，隨著抽樣樣本的增多可靠度值也逐漸穩(wěn)定，如表2所示。則當(dāng)要求霧化粒徑在0.2 mm～0.5 mm范圍內(nèi)時(shí)，本流化床噴嘴霧化效果可靠度為0.98。

表2 不同樣本數(shù)下蒙特卡洛仿真可靠度值

2.2 噴嘴霧化效果關(guān)鍵參數(shù)的靈敏度分析

在上述流化床噴嘴可靠性定量分析的基礎(chǔ)上，用機(jī)械可靠性軟件AREAS做可靠性參數(shù)靈敏度分析，得到的結(jié)果如圖3和圖4所示。圖中橫坐標(biāo)各變量依次為：液相介質(zhì)入口流量、液相介質(zhì)的額定工作壓力、液相介質(zhì)的粘度系數(shù)、氣相介質(zhì)的入口流量、氣相介質(zhì)的額定工作壓力、噴嘴中霧化的氣液比、噴嘴出口的直徑。

圖3 噴嘴霧化可靠性變量靈敏度分析

圖4 流化床噴嘴可靠性變量重要度分析

通過總的顯式可靠性功能函數(shù)的可靠性計(jì)算和靈敏度分析，基于噴嘴霧化效果可靠性定量分析確定的關(guān)鍵參數(shù)中，對(duì)于噴嘴霧化效果的可靠性較為靈敏的參數(shù)有噴嘴液相介質(zhì)的工作壓力值b、噴嘴中的氣液比值m、氣相介質(zhì)的工作壓力值e。對(duì)比下圖的重要度分析結(jié)果，液相介質(zhì)的工作壓力重要度為0.783 0，噴嘴的氣液比重要度為0.624 46，氣相介質(zhì)的工作壓力重要度為0.164 66，即這三個(gè)參數(shù)對(duì)于噴嘴霧化效果可靠性也最為重要，因此若要提高噴嘴霧化效果的可靠性，應(yīng)針對(duì)這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

3 結(jié)論

本研究通過對(duì)硝酸鈾酰溶液流化床噴嘴霧化效果的可靠性定量仿真分析，確定了流化床噴嘴霧化效果的可靠性水平及其主要影響因素，得到如下結(jié)論：

1)采用歐拉-拉格朗日離散項(xiàng)模型可以反映實(shí)際情況中噴嘴噴霧流場(chǎng)的狀態(tài)，并且模擬能夠給出噴霧粒徑、出口速度等試驗(yàn)不易得到的信息，通過FLUENT進(jìn)行可靠性定量仿真，得到噴嘴霧化的可靠度。

2)基于可靠性定量分析確定了對(duì)于噴嘴霧化效果可靠性較為關(guān)鍵的參數(shù)，并針對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行了分析，為噴嘴的設(shè)計(jì)提供參考。

3)根據(jù)對(duì)噴嘴霧化顯示功能函數(shù)的靈敏度分析，可得在通過可靠性定量仿真提取的關(guān)鍵參數(shù)中液相及氣相介質(zhì)的工作壓力、噴嘴的氣液比三個(gè)參數(shù)對(duì)噴嘴的霧化效果影響最大也最為重要，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)可改善噴嘴的霧化效果。

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Reliability simulation analysis of atomization effect of fluidized bed nozzle

LI Zheng, LIU Haijun, ZHANG Lei

In order to determine the reliability level of the atomization effect and its influence parameters of the fluidized bed nozzle, the atomization effect of air assisted atomization nozzle is simulated using FLUENT software. Quantitative reliability simulation of the nozzle is carried out, taking Sauter mean diameter (SMD) of aerosol particles of uranyl nitrate solution as the constraint conditions. Then the key parameters affecting the atomization effect of the nozzle are determined combined with sensitivity analysis software, which provides effective suggestions to improve the quality of fluidized bed nozzle.

reliability analysis，F(xiàn)LUENT simulation，sauter mean diameter (SMD)，sensitivity analysis

TP202.1；TP302.7

A

1002-6886(2016)06-0036-05

李錚(1986-)，女，湖南懷化市人，工程師，碩士學(xué)位，主要研究方向化工設(shè)備與機(jī)械。 劉海軍(1987-)，男，內(nèi)蒙古呼和浩特市人，工程師，碩士學(xué)位，主要研究方向化工設(shè)備與機(jī)械。 張雷(1992-)，男，安徽亳州市人，在讀碩士，主要研究方向機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性。

2016-04-14