降膜隨氣體同時(shí)穿越液池過(guò)程數(shù)值模擬研究

李 鐵，呂昌堯，宋濟(jì)洋，楊志瑞

(東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

降膜隨氣體同時(shí)穿越液池過(guò)程數(shù)值模擬研究

李 鐵，呂昌堯，宋濟(jì)洋，楊志瑞

(東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

對(duì)洗滌冷卻室內(nèi)降膜隨氣體同時(shí)穿越液池過(guò)程進(jìn)行冷態(tài)數(shù)值模擬研究，考慮降膜流速和降膜厚度對(duì)降膜隨氣體同時(shí)穿越過(guò)程氣液相分布規(guī)律的影響。研究結(jié)果表明，液面以上空間氣含率隨降膜流速和降膜厚度的增大而降低，而在液面以下區(qū)域氣含率隨降膜流速和降膜厚度的增大呈無(wú)規(guī)律波動(dòng)，但波動(dòng)幅度減??；隨著降膜流速和降膜厚度的增大，氣泡平均曲率增大，氣液接觸面積增大。

洗滌冷卻室；降膜流動(dòng)；氣液兩相；數(shù)值模擬

含塵氣體穿越液池完成氣固分離的洗滌凈化過(guò)程在工業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域都存在很好的應(yīng)用前景[1]。氣化爐中的洗滌冷卻室由激冷環(huán)、豎直下降管、液池和內(nèi)部構(gòu)件構(gòu)成。其主要作用是降膜(激冷水經(jīng)激冷環(huán)分配流出并沿下降管內(nèi)表面呈膜狀下流，形成降膜)隨含渣氣體在穿越液池過(guò)程中完成氣體洗滌和固態(tài)渣分離沉降，實(shí)現(xiàn)合成氣的粗洗滌[2]。該過(guò)程氣體凈化的好壞將直接影響到后續(xù)設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

近些年來(lái)，越來(lái)越多國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)氣體穿越液池過(guò)程中氣液兩相流動(dòng)分布進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。王亦飛等[3]人通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法對(duì)洗滌冷卻室下降管出口處界面波動(dòng)及射流深度進(jìn)行研究，得出射流深度隨弗魯?shù)聰?shù)變化擬合式。郭強(qiáng)強(qiáng)等[4]人研究氣體速度、降膜冷卻水流量等因素對(duì)冷態(tài)實(shí)驗(yàn)中氣相液滴夾帶分率影響，并擬合出冷卻室內(nèi)液滴夾帶分率與條件參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。吳晅等[5]人對(duì)氣化爐內(nèi)氣體穿越液池過(guò)程中氣泡特性的數(shù)值模擬，對(duì)含塵氣體通過(guò)下降管穿越液池過(guò)程中池內(nèi)氣泡生成、破碎和液滴飛濺等一系列行為過(guò)程。李鐵等[6]人對(duì)下降管內(nèi)氣液傳熱傳質(zhì)過(guò)程研究，利用所建立的二維模型預(yù)測(cè)了水蒸氣濃度分布和有無(wú)相變時(shí)降膜流動(dòng)流型。Bowden[7]等人對(duì)分散氣體在液體中分布情況進(jìn)行討論，分析不同因素對(duì)氣體攜帶液體分布的影響。

在氣化爐中氣體穿越液池實(shí)驗(yàn)中，準(zhǔn)確測(cè)試出氣液兩相流動(dòng)存在一定困難，而數(shù)值模擬卻能有效地發(fā)揮探討其內(nèi)在機(jī)理的作用[8]。本文采用VOF模型對(duì)氣液兩相間的運(yùn)動(dòng)界面進(jìn)行追蹤，模擬出降膜隨氣體同時(shí)穿越液池的氣液兩相瞬態(tài)流動(dòng)過(guò)程。

1 建立數(shù)值模擬平臺(tái)

1.1 建立物理模型

本文以吳晅等[9]人對(duì)激冷式氣化爐液池內(nèi)射流特性實(shí)驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，對(duì)洗滌室內(nèi)的氣液兩相流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬。本文主要研究對(duì)象是洗滌冷卻室內(nèi)降膜隨氣體從下降管出來(lái)后穿越液池的氣液兩相流動(dòng)過(guò)程。對(duì)洗滌冷卻室內(nèi)作合理簡(jiǎn)化，將三維的物理模型簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱(chēng)物理模型，主要考慮洗滌室內(nèi)氣液兩相沿軸向高度和半徑方向的流動(dòng)變化，忽略速度沿圓周方向的變化，簡(jiǎn)化后的物理模型如圖1所示，洗滌室高H=1.0 m，液池直徑D=0.48 m，下降管直徑d=0.08 m，下降管長(zhǎng)度L=0.7 m，降膜厚度d′=0.005 m，圖中箭頭所指為氣體流動(dòng)方向。

圖1 簡(jiǎn)化后物理模型

2 建立數(shù)學(xué)模型

2.1 控制方程

在洗滌冷卻室內(nèi)氣液兩相流動(dòng)數(shù)值模擬中，其內(nèi)部多相流動(dòng)過(guò)程復(fù)雜，影響氣液兩相流動(dòng)因素很多。為了方便模擬計(jì)算和分析，作了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化和假設(shè)：(1)忽略合成氣內(nèi)凝渣的影響；(2)流體為不可壓縮牛頓流體；(3)假設(shè)降膜隨氣體穿越液池行為在常溫常壓下運(yùn)行，氣液相間無(wú)熱質(zhì)傳遞。

針對(duì)氣液兩相可列出圓柱坐標(biāo)系下二維的控制方程。其中，

連續(xù)性方程：

動(dòng)量方程的通用形式：

式中：任意向量φ分別表示軸線x方向和半徑r方向上的速度分量u、v；Γφ為相應(yīng)φ的有效擴(kuò)散系數(shù)；Sφ為不同速度分量動(dòng)量方程的源項(xiàng)[10]。

采用基于重整化群理論的RNG k-ε湍流模型進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬，精確求解高速湍流脈動(dòng)的兩相流流場(chǎng)。RNG k-ε模型與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型相比，RNG k-ε模型對(duì)高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動(dòng)能準(zhǔn)確有效處理。

在RNG k-ε模型中，湍動(dòng)能k輸運(yùn)方程：

湍動(dòng)能耗散ε輸運(yùn)方程：

在洗滌冷卻室內(nèi)，氣液相間是互不相容并且界面形態(tài)和位置都是未知，因此采用基于歐拉法的VOF模型追蹤氣液兩相間自由界面。其流體輸運(yùn)方程

式中：x，y為坐標(biāo)，t為時(shí)間。

采用連續(xù)表面模型(CSF)描述自由界面表面張力，表面張力是動(dòng)量方程的源項(xiàng)。

表面張力方程

式中：σ為界面張力系數(shù)；k為氣液界面處的表面曲率。

2.2 網(wǎng)格劃分

考慮到冷卻室整體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，為提高計(jì)算效率，選取洗滌冷卻室二維軸對(duì)稱(chēng)區(qū)域進(jìn)行氣液兩相計(jì)算，計(jì)算區(qū)域如圖2(a)所示。對(duì)整個(gè)區(qū)域采取四邊形網(wǎng)格，圖2(b)展示二維軸對(duì)稱(chēng)求解物理模型中計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格布置。為了清晰描述洗滌冷卻室內(nèi)氣液兩相的流動(dòng)形態(tài)，并保證計(jì)算時(shí)間和計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性，對(duì)下降管左側(cè)0.005 m到右側(cè)0.01 m范圍內(nèi)進(jìn)行加密，最終將計(jì)算區(qū)域劃分為150×800個(gè)單元網(wǎng)格，未加密處單元網(wǎng)格大小為0.002 5 m×0.001 25 m，加密處單元網(wǎng)格大小為0.000 25 m×0.001 25 m。

圖2 軸對(duì)稱(chēng)計(jì)算區(qū)域和網(wǎng)格布置

2.3 邊界條件和計(jì)算參數(shù)

本文以fluent軟件作為平臺(tái)進(jìn)行數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，根據(jù)流動(dòng)形態(tài)判斷氣液流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。計(jì)算中，邊界條件為：氣體入口選用速度入口，其方向與重力方向相同；出口邊界條件選擇壓力出口；壁面采用無(wú)滑移邊界，壁面粘附角為60°。

采用求解方法為非耦合隱式求解，時(shí)間依賴(lài)解采用非穩(wěn)態(tài)模型，計(jì)算模型選用VOF模型，湍流模型選用RNG模型；壓力與速度之間的耦合計(jì)算采用隱式算子分割算法(PISO)，壓力離散應(yīng)用Body Force weighted方法。具體計(jì)算參數(shù)，如表1所示。

表1 計(jì)算參數(shù)

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值表面張力F/N0.72液體密度ρ/kg·m-3998.2氣體密度ρ/kg·m-31.225氣體粘度μg/kg·(m·s-1)1.7894×10-5入口氣速vg/m·s-11.5靜態(tài)液位h/m0.37突破比D/d6.0降膜流速vw/m·s-10.5-1.0降膜厚度d'/m0.004-0.006

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

吳晅等[9]人通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法對(duì)氣體射流沖擊液池過(guò)程進(jìn)行研究分析，用高速攝像機(jī)獲取射流沖擊凹坑的演變過(guò)程的實(shí)驗(yàn)圖片，如圖3所示。通過(guò)數(shù)值模擬氣體射流沖擊液池演變過(guò)程獲得結(jié)果，如圖4所示。從圖4中可以清晰看出，氣體以一定動(dòng)量從下降管底部出口流出后沖擊并擠壓液池中的液體，呈現(xiàn)出凹坑的形成，凹坑膨脹和凹坑上浮的過(guò)程。由圖3和圖4對(duì)比可以看出，由于數(shù)值模擬中網(wǎng)格尺寸問(wèn)題，模擬結(jié)果雖不能模擬出與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全一致的現(xiàn)象，但從流動(dòng)形態(tài)方面對(duì)比出數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)所揭示的物理過(guò)程是一致的，表明所建立數(shù)學(xué)模型的合理性。

圖3 氣體射流沖擊液池沖擊凹坑演變過(guò)程實(shí)驗(yàn)圖片[9]

圖4 氣體射流沖擊液池沖擊凹坑演變過(guò)程

3.2 降膜流動(dòng)對(duì)氣體穿越液池過(guò)程影響分析

3.2.1 考慮降膜前后氣液兩相流動(dòng)特性對(duì)比分析

下降管是洗滌冷卻室的重要組成部分，其內(nèi)部降膜流動(dòng)可以降低氣體進(jìn)入液池溫度，同時(shí)降膜流動(dòng)對(duì)氣體穿越液池過(guò)程中氣液兩相流動(dòng)特性影響顯著。圖5給出下降管內(nèi)壁考慮降膜流動(dòng)前后氣液兩相流動(dòng)分布的比較，圖5(a)是以氣流速度vg=1.5 m/s，靜液位高度為hl=0.37 m，突破比為D/d=6，不考慮降膜流動(dòng)為初始條件下獲得模擬計(jì)算結(jié)果；圖5(b)是以氣流速度vg=1.5 m/s，靜液位高度為hl=0.37 m，突破比為D/d=6，考慮降膜流動(dòng)時(shí)，降膜厚度d′=0.005 m，降膜流速vw=0.8 m/s為初始條件下獲得模擬計(jì)算結(jié)果。從圖中可以看出，考慮降膜流動(dòng)后，降膜以一定動(dòng)量隨氣體穿越液池過(guò)程使得波動(dòng)液面升高，增大液池內(nèi)部壓強(qiáng)，增強(qiáng)氣液間湍流擾動(dòng)，促使氣泡破碎和聚并及氣液兩相間的摻混。液池內(nèi)部小氣泡數(shù)量明顯增多且氣泡主要聚集在下降管外壁和冷卻室壁面附近，均勻分布在整個(gè)空間內(nèi)，增大氣液相間接觸面積，有利于加強(qiáng)氣液兩相之間的熱質(zhì)傳遞效果。

圖5 考慮降膜流動(dòng)前后氣液兩相分布對(duì)比

3.2.2 降膜流速對(duì)氣液兩相流動(dòng)影響分析

圖6給出降膜流速對(duì)氣液兩相分布影響，計(jì)算時(shí)間同為t=7.5 s。在初始條件不變時(shí)，改變降膜流速為0.5 m/s、0.6 m/s、0.8 m/s、1.0 m/s條件下獲得模擬計(jì)算結(jié)果。在模擬計(jì)算達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)且降膜厚度相同時(shí)，隨著降膜流速增大使得波動(dòng)液面升高且液面波動(dòng)加劇，同時(shí)有效增強(qiáng)氣液間的湍流擾動(dòng)，使得氣泡數(shù)量明顯增多且池內(nèi)氣泡主要聚集在下降管外壁和冷卻室壁面。

圖6 降膜流速對(duì)氣液兩相分布影響

軸向截面平均氣含率分布隨降膜流速變化趨勢(shì)，如圖7所示。軸向截面平均氣含率曲線呈先增大后減小趨勢(shì)，但在液池內(nèi)部呈無(wú)規(guī)律波動(dòng)，波動(dòng)幅度逐漸減小。分析氣含率變化原因，一方面降膜流速增大使下降管出口處氣液相速度差減小，液相湍能耗散率增大，使得氣泡破碎幾率增大，液池內(nèi)整體氣泡數(shù)量增加；另一方面降膜流速增大使得液面氣泡破碎濺射的液滴較多，液面以上區(qū)域液滴增多，對(duì)應(yīng)氣含率降低。

氣泡平均曲率隨降膜流速變化的趨勢(shì)，如圖8所示。隨著降膜流速增大，氣泡平均曲率增大，但增大幅度減小。在模擬計(jì)算達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，降膜流速增大，增強(qiáng)氣液相間湍流流動(dòng)，加強(qiáng)氣泡的破碎，使小氣泡數(shù)量增多。液池內(nèi)小氣泡數(shù)量增多和液面以上區(qū)域氣體攜帶液滴數(shù)量增多共同導(dǎo)致冷卻室內(nèi)氣泡平均曲率增大。

圖7 軸向截面平均氣含率隨降膜流速變化趨勢(shì)

圖8 氣泡平均曲率隨降膜流速變化趨勢(shì)

3.2.3 降膜厚度對(duì)氣液兩相流動(dòng)影響分析

圖9給出降膜厚度對(duì)氣液兩相分布影響，計(jì)算時(shí)間同為t=7.5 s。在初始條件不變時(shí)，改變降膜厚度為0.004 m、0.005 m、0.0055 m、0.006 m條件下獲得模擬計(jì)算結(jié)果。由圖9中可以看出，在模擬計(jì)算達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)且降膜流速相同時(shí)，隨著降膜厚度增加波動(dòng)液面升高，液池內(nèi)部壓強(qiáng)增大，使液池內(nèi)部及液面以上區(qū)域氣泡數(shù)量增多，主要集中在下降管外壁和冷卻室壁面。

圖9 降膜厚度對(duì)氣液兩相分布影響

圖10 軸向截面平均氣含率隨降膜厚度變化趨

圖11 氣泡平均曲率隨降膜厚度變化趨勢(shì)

截面平均氣含率分布隨降膜度變化趨勢(shì)，如圖10所示。從曲線的走勢(shì)看出，軸向截面平均氣含率呈增大后減小的趨勢(shì)，在液池內(nèi)部呈無(wú)規(guī)律波動(dòng)。分析其中原因：在相同降膜流速下，降膜厚度增加，增大波動(dòng)液面高度，使液池內(nèi)壓強(qiáng)增大，改變氣泡原有受力平衡，增大氣泡破碎概率；氣體穿越液池所需有效行程增加，加強(qiáng)液池內(nèi)部湍流流動(dòng)。在上述原因共同作用下，加強(qiáng)氣泡的破碎的概率，使得小氣泡整體數(shù)量增大。同時(shí)液池以上區(qū)域氣體攜帶液滴數(shù)量增多，使得此區(qū)域內(nèi)氣含率降低。

氣泡平均曲率隨降膜厚度變化趨勢(shì)，如圖11所示。在模擬計(jì)算達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，隨著降膜厚度增大，氣泡平均曲率呈增大趨勢(shì)，但整體增大幅度很小。由于液池內(nèi)部壓強(qiáng)增大及氣液兩相擾動(dòng)加強(qiáng)，使得整體氣泡數(shù)量增大且體積變小，氣泡的平均曲率呈增大趨勢(shì)。由于受到下降管外壁面和冷卻室壁面約束作用，氣泡體積減小的幅度很小，使得氣泡平均曲率增長(zhǎng)幅度減小。

4 結(jié) 論

本文采用數(shù)值模擬研究方法，以降膜隨氣體穿越液池過(guò)程中氣液兩相分布為研究對(duì)象，分析降膜流速和降膜厚度對(duì)氣液兩相分布影響，得到具體結(jié)論如下：

(1)氣體射流沖擊液池凹坑模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)物理過(guò)程一致，證明所建數(shù)學(xué)模型的合理性；

(2)考慮降膜流動(dòng)前后氣體穿越液池過(guò)程中氣液兩相分布對(duì)比，表明降膜流動(dòng)對(duì)氣液兩相分布影響顯著；

(3)液面以上空間氣含率隨降膜流速和降膜厚度的增大而降低，而在液面以下區(qū)域氣含率隨降膜流速和降膜厚度的增大呈無(wú)規(guī)律波動(dòng)；隨著降膜流速和降膜厚度的增大，氣泡平均曲率增大，氣液接觸面積增大，有利于加強(qiáng)氣液兩相之間的熱質(zhì)傳遞效果。

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Study on Numerical Simulation of Falling Film with Gas Simultaneously Through the Washing Liquid Pool Process

Li Tie,Lv Changyao，Song Jiyang，Yang Zhirui

(Energy Resource and Power Engineering College，Northeast Electric Poweri University，Jilin Jilin 132012)

A cold mode numerical simulation was established for studying falling film with gas simultaneously through the washing liquid pool process in the quench chamber.The effect of gas-liquid distribution of falling film with gas simultaneously through the washing liquid pool process on falling film flow rate and falling film thickness.The numerical simulation results show that the gas holdup drops with the increase of falling film flow rate and falling film thickness in the region above liquid level，but the irregular fluctuation under the same conditions in the region below liquid level，while the curve fluctuations is smaller.The mean curvature and the gas-liquid interface area increases with falling film flow rate and falling film thickness.

Guench chamber；Falling film；Gas-liquid two phases；Numerical simulation

2016-10-27

李 鐵(1979-)，女，博士，副教授，主要研究方向：多相流及數(shù)值模擬方面的研究.

1005-2992(2017)01-0080-07

TQ545

A

電子郵箱： litie0622@163.com(李鐵)；493566668@qq.com(呂昌堯)；707559438@qq.com(宋濟(jì)洋)；445353083@qq.com(楊志瑞)