空化射流型單傾角疊片式清洗器流場(chǎng)模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

李可為，王雨晴，徐琴琴，任泓睿，銀建中

大連理工大學(xué)化工機(jī)械與安全學(xué)院，遼寧大連116024

流程工業(yè)中存在大量輸送管道，其運(yùn)行過程中的結(jié)垢、淤堵和腐蝕問題非常普遍[1]，這些管道多埋于地下，清洗和安全不容忽視[2?3]。已有的清洗方法都存在一些不足，比如化學(xué)清洗藥品會(huì)腐蝕管道，物理清洗操作復(fù)雜、條件苛刻。因此發(fā)展一種高效便捷的清洗技術(shù)非常必要。

空化清洗方法[4]利用空化氣泡產(chǎn)生、潰滅過程所產(chǎn)生的高溫、高壓射流作用于污垢表面使其開裂、分解、破碎，從而實(shí)現(xiàn)管道清洗。研究發(fā)現(xiàn)，空化撞擊力還能強(qiáng)化材料表面性能，延緩進(jìn)一步結(jié)垢的時(shí)間[5]。

射流空化法用于管道清洗已有文獻(xiàn)報(bào)道[6?7]，就是將疊片式清洗器置入管道中，利用高壓水流（約0.5~2.0MPa）推動(dòng)其在管道中運(yùn)動(dòng)。當(dāng)水流穿過疊片型清洗器葉片與管道間的縫隙時(shí)，水流速度增大，壓力降低，當(dāng)壓力低于水的飽和蒸汽壓時(shí)，會(huì)產(chǎn)生空化現(xiàn)象。空化氣泡破裂會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的機(jī)械作用力，這種力以高沖量的機(jī)械能作用于污垢表面并使其破裂并將其擊碎，進(jìn)而沖刷后排出管道實(shí)現(xiàn)清洗。

空化射流清洗方法有如下優(yōu)勢(shì)：1）操作簡單無污染；2）安全可靠；3）清洗距離長；4）除垢效果明顯。本文基于CFD模擬，著重研究射流空化清洗器的流場(chǎng)分布、空化強(qiáng)度與清洗器結(jié)構(gòu)間的關(guān)系，進(jìn)而探討不同管徑時(shí)清洗器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題。

1 模型建立

文獻(xiàn)中已有對(duì)清洗器基本結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)[8?9]，而本文主要探究如何根據(jù)管徑改變調(diào)整疊片型清洗器的結(jié)構(gòu)尺寸。根據(jù)參考文獻(xiàn)[10?11]中已有的疊片型清洗器結(jié)構(gòu)，建立清洗器的整體結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，截取清洗器的入口截面如圖1（b），該截面中葉片結(jié)構(gòu)的局部放大如圖1（c）。適用于70mm管徑管道的清洗器的清洗葉片寬14mm，厚1mm。由于清洗器內(nèi)外層的24個(gè)葉片相錯(cuò)排列，可根據(jù)對(duì)稱性選取清洗器的1/12結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。

圖1 入口截面示意

本文主要研究葉片與管壁之間的空化情況?？紤]到完整模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜、計(jì)算工作量大，為了提高計(jì)算效率，將清洗器中間部分去除掉，同時(shí)將2組葉片簡化為1組，再以其中一種縮放形式的完整模型驗(yàn)證簡化模型的準(zhǔn)確性。本文利用Gambit軟件進(jìn)行模型建立及網(wǎng)格劃分，如圖2所示。該模型中，清洗器葉片傾角為79°，軸向長度35mm，葉片前端距管道入口12mm。

圖2 三維模型

計(jì)算模型的選擇上，本文使用了計(jì)算相變情況下有更高準(zhǔn)確度的mixture多相流模型，湍流模型使用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。選用SIMPLE耦合算法，方程的離散格式除壓力項(xiàng)選用PRESTO!格式外，其余皆為一階迎風(fēng)格式。在邊界條件的設(shè)定上，設(shè)定管出入口為壓力邊界，入口壓力為0.5MPa，出口壓力為大氣壓。

在研究對(duì)應(yīng)不同管徑下清洗器結(jié)構(gòu)的合理性時(shí)，以清洗器工作時(shí)產(chǎn)生空化現(xiàn)象的氣相分布云圖為評(píng)判依據(jù)。從云圖中能直觀判斷空化泡的數(shù)量，為定量表示空化區(qū)域長度，本文將全流場(chǎng)氣體含量百分?jǐn)?shù)沿管長方向做圖，提取氣相產(chǎn)生的左右端點(diǎn)，其間隔作為空化區(qū)域的長度?；緟⒖寄Ｐ停垂軓綖?0mm的模型）氣相云圖如圖3所示，氣體出現(xiàn)的部位在疊片型清洗器入口葉片與管壁之間，提取其氣相長度為16mm。模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[5]中的實(shí)驗(yàn)一致。以此為評(píng)價(jià)依據(jù)對(duì)不同管徑下清洗器尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖3 氣相分布云圖

2 不同管徑的推廣

當(dāng)推廣到不同管徑時(shí)，采取2種設(shè)計(jì)方法。其一，按照等比例縮放原則，將疊片型清洗器所有尺寸根據(jù)實(shí)際管徑與基本模型管徑（D=70mm）間的比值進(jìn)行等比例放大或縮小，得到空化區(qū)域長度與基本模型（D=70mm）清洗器空化區(qū)長度間的關(guān)系。其二，保持入口處葉片與管道內(nèi)壁間的縫隙不變，如圖4所示。

圖4 葉片與管壁縫隙示意

保持內(nèi)外葉片與管壁間縫隙不變，同時(shí)兼顧相鄰葉片間距適當(dāng)，按比例縮放葉片后并進(jìn)行圓整獲得清洗器結(jié)構(gòu)尺寸。對(duì)上述2種情況分別進(jìn)行模擬，選取管徑分別為50、60、70（基本模型）、80和90mm的5個(gè)規(guī)格。同時(shí)為了保證標(biāo)準(zhǔn)的可靠性，在建立不同規(guī)格的模型時(shí)，設(shè)置的邊界條件仍與基礎(chǔ)模型（D=70mm）相同。

2.1 等比例縮放模型

根據(jù)D=70mm的基礎(chǔ)模型等比例縮放，適用于管徑為50、60、80、90mm的清洗器產(chǎn)生空化現(xiàn)象的氣相分布云圖如圖5所示。

圖5 等比例縮放對(duì)應(yīng)管徑的氣相分布云圖

由圖5可以看出，等比例縮放后，氣相分布情況與管徑70mm的情況基本一致。分別提取其氣相百分比沿管長方向的分布，得到空化區(qū)域氣相分布長度分別為12、14、16、18和20mm。

圖6 等比例縮放空化區(qū)域長度與管徑的變化關(guān)系

如圖6所示，若采用等比例縮放法改變清洗器尺寸使其適用不同管徑的管道，其產(chǎn)生的空化區(qū)域長度將與管徑呈線性關(guān)系。這是因?yàn)楫?dāng)清洗器尺寸隨管徑等比例縮放時(shí)，葉片外緣到管壁的間隙也隨之等比例改變，當(dāng)其他條件不變時(shí)，可認(rèn)為是在誤差范圍內(nèi)清洗器工作產(chǎn)生的空化區(qū)域長度正比于間隙尺寸。

進(jìn)一步分析，取管壁的一條直線，如圖7所示；每種情況下的氣相分布情況，如圖8所示。

圖7 提取直線位置

圖8 等比例縮放氣相分率沿直線的分布情況

圖8展示了不同規(guī)格的清洗器沿同一條路徑的氣含率分布規(guī)律的相似性。氣相產(chǎn)生的部位只是在長度和數(shù)值上有所不同：當(dāng)清洗器尺寸適應(yīng)管徑等比例增大時(shí)，而氣相區(qū)域長度增加，最大氣含率值降低。

圖9展示了不同規(guī)格的清洗器沿同一條路徑的壓力分布規(guī)律。對(duì)比壓力分布和氣相分布可以看出，氣相產(chǎn)生區(qū)域與低壓區(qū)一一對(duì)應(yīng)。

圖9 等比例縮放壓力沿直線的分布情況

2.2 等間隙縮放模型

不同于等比例縮放模型，等間隙縮放即在改變清洗器尺寸以適應(yīng)不同管徑管道時(shí)，保持清洗器葉片外緣與管壁的間隙不變。保證d1和d2不變，可計(jì)算得管徑50、60、80和90mm對(duì)應(yīng)的清洗葉片數(shù)分別為9、10、15、16，對(duì)應(yīng)葉片軸向長度分別為25、30、40和45mm。對(duì)等間隙縮放模型下各規(guī)格清洗器的工作狀況進(jìn)行模擬，得到如圖10所示的空化氣相分布云圖。

圖10 等間隙縮放不同管徑的氣相分布云圖

分別提取其氣相百分比沿管長方向的分布，得到管徑50、60、70、80和90mm對(duì)應(yīng)清洗器產(chǎn)生的空化區(qū)域長度分別為14、14、16、19和15mm。空化區(qū)域長度與管徑的關(guān)系如圖11所示。

由圖11可以看出，保持縫隙不變，空化區(qū)域長度與管徑的關(guān)系較為復(fù)雜，各個(gè)管徑下的氣相長度與管徑70mm時(shí)長度接近，在小范圍內(nèi)波動(dòng)。分析波動(dòng)的原因，雖然控制縫隙一致，但由于管徑弧度的問題，不可能做到所有的縫隙完全一樣，因此空化區(qū)域長度接近，而不完全一樣。

圖11 等間隙縮放空化區(qū)域長度與管徑的變化關(guān)系

在同樣的位置提取直線進(jìn)行分析，對(duì)比直線上的氣相分布情況如圖12所示。

圖12 等間隙縮放氣相分率沿直線的分布情況

由圖12可知，當(dāng)縫隙不變時(shí)，不同管徑氣相云圖的最大值有區(qū)別，分布不均勻，氣相分布情況與基礎(chǔ)模型情況成波動(dòng)關(guān)系，分析可能的影響因素在于一周的葉片數(shù)不同。

其壓力分布情況如圖13所示，與等比例相似，低壓區(qū)與氣相區(qū)域相對(duì)應(yīng)。

圖13 等間隙縮放壓力沿直線的分布情況

3 完整模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證簡化模型的準(zhǔn)確性同時(shí)也驗(yàn)證其他尺寸和操作條件下得出的結(jié)論是否適用，以一種結(jié)構(gòu)的完整模型做驗(yàn)證，其模型網(wǎng)格圖如圖14所示。

圖14 完整模型網(wǎng)格圖

參考模型對(duì)應(yīng)的管徑為56mm，改變管徑并將清洗器進(jìn)行等比例縮放，得到管徑為40、48、64、72mm時(shí)的清洗器模型。設(shè)定入口邊界條件為速度入口，速度5m/s，出口為壓力出口，壓力仍為大氣壓。模型算法設(shè)置與簡化模型一致，作出各個(gè)管徑下的水蒸氣相云圖，如圖15所示。

圖15 不同管徑下穩(wěn)態(tài)的水蒸氣相云圖

仍以清洗器工作時(shí)產(chǎn)生的空化區(qū)域長度為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，得到如圖16所示的不同管徑下對(duì)應(yīng)清洗器空化區(qū)域長度的關(guān)系曲線?？梢钥闯?，與圖6所示規(guī)律相同，不同清洗器尺寸下空化區(qū)域長度隨對(duì)應(yīng)管徑正比增加，因此在以空化區(qū)域長度作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的情況下，根據(jù)管徑等比縮放清洗器尺寸的方法同樣適用于完整模型。

圖16 完整模型空化區(qū)域長度與管徑的變化關(guān)系

上述研究表明，當(dāng)評(píng)價(jià)清洗器工作狀況的標(biāo)準(zhǔn)為空化區(qū)域長度時(shí)，等比例縮放法在完整模型與1/N簡化模型下得到的結(jié)論一致。

4 結(jié)果分析

綜合分析第2章結(jié)果，不管是等比例縮放還是等間隙縮放，都可以看出氣相范圍主要集中在入口處，即空化場(chǎng)主要位于葉片入口處。同時(shí)由壓力和氣相對(duì)應(yīng)分布圖可以看出，低壓區(qū)和氣相一一對(duì)應(yīng)，但是同樣的壓力對(duì)應(yīng)的氣相百分比不同，分析原因可能因?yàn)榈蛪菏钱a(chǎn)生氣相的基礎(chǔ)，而氣相的多少要結(jié)合周圍流場(chǎng)邊界等各個(gè)條件綜合考慮。將2種縮放方法得到的不同管徑下對(duì)應(yīng)尺寸的清洗器工作產(chǎn)生的空化區(qū)域長度進(jìn)行對(duì)比，如圖17所示。

圖17 等比例縮放與等間隙縮放改變管徑后結(jié)果對(duì)比

可以看出，使用等比例縮放改變清洗器尺寸時(shí)，清洗器工作產(chǎn)生的空化區(qū)域長度隨管徑呈線性變化關(guān)系，而等間隙模型隨著管徑小范圍波動(dòng)（由于結(jié)構(gòu)的要求，沒有辦法保證完全縫隙一致）。由2種設(shè)計(jì)方法的規(guī)律以及工業(yè)管道的管徑范圍可得：當(dāng)管徑縮小時(shí)，采用等間隙法可得到更長的空化區(qū)域；而當(dāng)管徑變大時(shí)，采用等比例法可得到更長的空化區(qū)域。由圖可以觀察出，當(dāng)縫隙不變時(shí)空化的長度變化不大；而當(dāng)?shù)缺壤s放時(shí)，由于縫隙的大小也等比例縮放，因此空化區(qū)域長度也隨著等比例縮小或擴(kuò)大。由此可得出，空化區(qū)域長度主要和縫隙有關(guān)，在保證縫隙足夠產(chǎn)生空化的情況下，縫隙變大，有利于空化長度的增加。

5 結(jié)論

由上文分析可得到以下結(jié)論：

1）當(dāng)高壓水流流過葉片時(shí)，會(huì)產(chǎn)生壓力降，低壓區(qū)與氣相產(chǎn)生的區(qū)域相對(duì)應(yīng)。管徑改變時(shí)，壓力與氣相區(qū)域?qū)?yīng)結(jié)果相似，只是數(shù)值上存在差異。

2）在對(duì)其他不同管徑下的除垢器進(jìn)行設(shè)計(jì)研究發(fā)現(xiàn)：管徑更小時(shí)，保持等間隙縮放設(shè)計(jì)的清洗器產(chǎn)生的空化效果更好；管徑更大時(shí)，采用等比例縮放設(shè)計(jì)的清洗器有更好的空化效果。

3）空化的區(qū)域長度范圍主要和縫隙有關(guān)。當(dāng)縫隙足夠產(chǎn)生空化時(shí)，增大縫隙可以擴(kuò)大空化范圍，這一結(jié)論對(duì)之后疊片型清洗器的設(shè)計(jì)有指導(dǎo)作用。

本文對(duì)管徑改變時(shí)清洗器的設(shè)計(jì)提供了2種可行性方案，具體實(shí)際操作過程需要進(jìn)一步研究。