撞擊式泡沫洗滌器流場數(shù)值模擬

李秋萍 韓 婕 劉德禮

（上?；ぱ芯吭河邢薰荆?/p>

撞擊式泡沫洗滌器是一種采用獨(dú)特的泡沫洗滌技術(shù)的新型濕式洗滌器，它具有高效、不易堵塞、操作彈性大及穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，是氣體凈化領(lǐng)域的一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)［1］。目前，該洗滌器已在廢液（氣）焚燒爐煙氣凈化、硫酸工業(yè)制酸尾氣凈化、復(fù)合肥工業(yè)尾氣除塵凈化、流化造粒（干燥）尾氣凈化、精對苯二甲酸（PTA）生產(chǎn)中的氣流輸送尾氣凈化、生活垃圾熱解氣凈化及多晶硅工業(yè)的渣漿水解尾氣凈化等領(lǐng)域獲得了工業(yè)應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益［2］。

為了進(jìn)一步對該技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，了解結(jié)構(gòu)參數(shù)、 物性參數(shù)和操作參數(shù)對洗滌器性能的影響，需要對撞擊式泡沫洗滌器展開系統(tǒng)的研究。 曾華星等借助CFD軟件Fluent對動力波洗滌器的壓力損失進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，但未分析洗滌器內(nèi)部速度分布［3，4］；李萌等采用RNG k-ε湍流模型和歐拉雙流體多相流模型模擬了氣液逆流接觸洗滌器內(nèi)的兩相流場，并用湍流強(qiáng)度來表征泡沫區(qū)的大?。?］；李光曉等采用溶氧法、電導(dǎo)探針法等考察了操作參數(shù)對氣液逆流撞擊的洗滌器內(nèi)兩相流型、傳質(zhì)性能和局部氣含率的影響，定量分析了不同流型的傳質(zhì)效果［6］；滿長卓等通過冷模實(shí)驗(yàn)對氣液逆流式洗滌器流動傳質(zhì)特性進(jìn)行了考察，提出“兩段式”流動-傳質(zhì)模型，該模型將洗滌器內(nèi)氣液作用區(qū)分為旋轉(zhuǎn)射流段和高效傳質(zhì)段兩個區(qū)段［7］。

筆者采用k-ω湍流模型和拉格朗日兩相流模型對撞擊式泡沫洗滌器進(jìn)行數(shù)值模擬研究，希望了解洗滌器內(nèi)部的流場分布和氣液兩相的相互作用機(jī)制，探索用液體濃度分布來定量表征泡沫區(qū)（有效傳質(zhì)區(qū)）的范圍，同時考察不同工況下的洗滌器壓降模擬結(jié)果， 并與試驗(yàn)結(jié)果相對比，驗(yàn)證模擬的可靠性，為撞擊式泡沫洗滌器的研究和應(yīng)用提供依據(jù)。

1 工作原理

撞擊式泡沫洗滌器是基于撞擊流（impinging streams）理 論［8，9］的 一 種 濕 式 洗 滌器，其工作原理如圖1所示，待處理氣體自上而下高速進(jìn)入洗滌管，洗滌液由特殊結(jié)構(gòu)的噴嘴自下而上噴入氣流中，具有一定流速的氣液兩相在洗滌管中逆向?qū)ψ?，?dāng)氣液兩相的動量達(dá)到平衡時，形成一個高度湍動的氣泡和液滴共存的泡沫區(qū)［10］。 在泡沫區(qū)，氣液兩相呈高速湍流接觸，接觸表面積增大，同時接觸表面由于氣泡的不斷生成和破裂而迅速更新，達(dá)到高效傳熱、傳質(zhì)的效果。

圖1 撞擊式泡沫洗滌器工作原理示意圖

2 數(shù)值模擬方法

2.1 計(jì)算模型

由于該撞擊式泡沫洗滌器的操作氣速大于3m/s，氣相雷諾數(shù)遠(yuǎn)大于4 000，屬于湍流流動，故氣相采用湍流模型，而液相在整個系統(tǒng)中的濃度較低， 所以采用離散相模型 （Discrete Phase Model，DPM）。

2.1.1 湍流模型

標(biāo)準(zhǔn)k-ω湍流模型是基于湍動能和耗散（k-ε模型）的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，ω為耗散率，可以看成耗散ε對湍動能k的比值。 k-ω模型對流動中低雷諾數(shù)效應(yīng)、 可壓縮性和剪切流擴(kuò)散做了針對性改進(jìn)，能對剪切流（渦產(chǎn)生機(jī)理）進(jìn)行更為準(zhǔn)確的模擬。 為此， 采用標(biāo)準(zhǔn)k-ω湍流模型模擬洗滌管中氣體的湍流流動。

標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型的方程為［11］：

式中 Gk——基于平均速度梯度的湍動能產(chǎn)生項(xiàng)；

Gω——ω的產(chǎn)生項(xiàng)；

k——湍動能；

Sk、Sω——由用戶的特殊要求產(chǎn)生的耗散項(xiàng)；

t——時間；

ui——?dú)庀鄆方向速度；

Yk、Yω——因湍流造成的k、ω的耗散；

ρ——流體密度；

ω——耗散率；

Γk、Γω——k、ω的擴(kuò)散率。

2.1.2 離散相模型

采用歐拉-拉格朗日兩相流模型 （簡稱拉格朗日兩相流模型或離散相模型）對離散相進(jìn)行模擬，此模型可以模擬多相分離流及相間的相互作用，還可以對各相進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算，每相都有單獨(dú)的守恒方程，具有很大的適應(yīng)性。

在離散相模型中， 基礎(chǔ)相當(dāng)成連續(xù)介質(zhì)，求解N-S控制方程，而大量的顆粒、氣泡或液滴當(dāng)成離散相使用拉格朗日方程進(jìn)行軌跡跟蹤求解，連續(xù)相和離散相之間可以通過各種模型進(jìn)行動量傳遞、質(zhì)量傳遞和能量傳遞。

在本模擬分析中，用球形顆粒（代表液滴或氣泡）構(gòu)成的第2相分布在連續(xù)相中，并與連續(xù)相發(fā)生碰撞等相互作用。 顆粒的作用力平衡方程為：

式中 CD——曳力系數(shù)；

dp——顆粒直徑；

Fx——附加的加速度；

gx——重力加速度；

Re——相對雷諾數(shù)；

u——流體相速度；

up——顆粒速度；

ρ——流體密度；

ρp——顆粒密度（骨架密度）；

μ——流體動力粘度。

2.2 模型網(wǎng)格劃分

采用洗滌管直徑為200mm的撞擊式泡沫洗滌器，據(jù)此建立三維模型并在ICEMCFD中劃分網(wǎng)格，然后將三維模型導(dǎo)入ANSYS Fluent 18.0的計(jì)算模塊中。 考慮邊界效應(yīng)，根據(jù)速度梯度構(gòu)建高密度邊界層網(wǎng)格。

2.3 求解方法及控制方程離散格式

計(jì)算中，氣體流動速度遠(yuǎn)低于可壓縮氣體流動的界限（0.3倍音速），亦不考慮溫度變化，系統(tǒng)整體壓降在千帕的數(shù)量級，所以氣相可當(dāng)作不可壓縮流體處理。 筆者采用SIMPLE算法對壓力-速度耦合方程、湍流方程進(jìn)行變量分離求解，壓力采用二階格式離散，動量、湍動能及耗散等變量采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散［11，12］。

2.4 邊界條件

撞擊式泡沫洗滌器內(nèi)氣液兩相分別為空氣和水，在工況1時的邊界條件如下：

空氣入口流量 1 215Nm3/h

空氣入口壓力 0Pa

水流量 7m3/h

噴射速度 11m/s

顆粒大小 0.5～1.5mm （平均1.2mm， 按照rosin-rammler規(guī)律分布）

3 試驗(yàn)部分

試驗(yàn)流程如圖2所示，在引風(fēng)機(jī)的作用下，待處理氣體由氣體進(jìn)口進(jìn)入洗滌管，洗滌液通過循環(huán)泵由噴頭噴入氣流中， 氣液兩相充分接觸混合，洗滌后的氣體與洗滌液一同下行，然后進(jìn)行氣液分離，洗滌液進(jìn)入儲液槽，凈化氣體經(jīng)除沫器除去夾帶的液沫后由引風(fēng)機(jī)放空。

圖2 試驗(yàn)流程示意圖

噴嘴上方的垂直洗滌管材料為有機(jī)玻璃，內(nèi)徑200mm，高1 000mm；儲液槽材料為不銹鋼，內(nèi)徑700mm，高2 500mm。試驗(yàn)所用氣體介質(zhì)為常溫空氣，液體介質(zhì)為常溫水。 通過風(fēng)機(jī)變頻器調(diào)節(jié)操作風(fēng)量， 風(fēng)量的大小采用渦街流量計(jì)測量；洗滌水流量用轉(zhuǎn)子流量計(jì)測量，洗滌器壓降由差壓變送器在洗滌器的進(jìn)出口測得。

在5種工況下， 試驗(yàn)測得的撞擊式泡沫洗滌器的壓降值列于表1。

表1 不同工況下洗滌器壓降的試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)果與討論

將噴嘴出口截面處設(shè)為0mm（Z0截面），向上為正方向，依次劃分為50（Z1截面）、100（Z2截面）、150（Z3截面）、200（Z4截面）、300（Z5截面）、400（Z6截面）、500（Z7截面）、600（Z8截面）、700（Z9截面）、800（Z10截面）、900（Z11截面）、1 000mm（Z12截面）。

4.1 截面速度矢量

圖3為氣液兩相相互作用時中心截面速度矢量圖。 從圖3可以看到， 根據(jù)混合流體的流動情況，可以把噴嘴上方分為3個明顯不同的區(qū)域。

圖3 中心截面速度矢量圖

區(qū)域1中心部分液滴剛從噴嘴噴出， 具有最大的動能，中心氣體被液滴帶著向上流動，出現(xiàn)回流，這個區(qū)域定義為回流區(qū)域。 此時，液滴還沒有到達(dá)洗滌管管壁附近， 因此氣體沒有受到阻擋，流動方向向下。 由于中心區(qū)域部分被液滴占據(jù)，氣流通過的截面積變小，因此管壁四周附近的氣體流速較高。 在中心區(qū)域氣體速度向上，在管壁附近氣體速度向下，因此在中心區(qū)域和管壁之間形成漩渦（圖4）。

圖4 區(qū)域1處的局部速度矢量圖

區(qū)域2中，液滴繼續(xù)向上運(yùn)動，但已失去部分動能，液滴速度也越來越小，氣相速度也較小，氣液相相互糾纏，湍流增強(qiáng)，這個區(qū)域定義為泡沫區(qū)。

區(qū)域3中，形成了一條環(huán)形的氣相主導(dǎo)區(qū)域，這個區(qū)域定義為壁面環(huán)流區(qū)域。 在該區(qū)域中，液滴被氣相裹挾向下流動。

3個區(qū)域中， 區(qū)域1和區(qū)域2是最有效的傳質(zhì)區(qū)，因此擴(kuò)大區(qū)域1和區(qū)域2，減小區(qū)域3的范圍，可有效提高傳質(zhì)效果。 試驗(yàn)表明，通過提高噴射速度和液氣比，可有效提高洗滌效率［13］。 這是因?yàn)椋涸谄渌麠l件不變的情況下，噴射速度提高，液相的動能提高， 可以攜帶更多的氣體向上流動，回流區(qū)擴(kuò)大；液氣比提高，使得區(qū)域2擴(kuò)大、區(qū)域3減小。

4.2 截面氣相速度分布

圖5為氣液兩相相互作用時3個截面上的氣相速度分布。 由圖5可以看出，3個截面徑向速度分布不均勻，且處于噴頭上方Z2=100mm處的速度變化梯度最大，洗滌管壁面附近速度最大，往管中心速度逐漸減小，在洗滌管半徑R為40mm處速度最小，隨后又逐漸增加，在洗滌管中心附近則高于Z5、Z9截面的中心速度， 這符合圖4所示的規(guī)律，即氣流在中心處出現(xiàn)回流。 隨著高度的增加，壁面附近的速度有所減小，Z5、Z9截面處的氣相速度在洗滌管中心處最小。 這是因?yàn)橐合嘧試娮靽姵龊螅?氣相被擠壓到沿管壁附近的環(huán)形通道中，所以管壁附近速度最大，同時由于液滴具有較大的向上沖擊動能和攜帶作用，氣相被液相攜帶在管中心附近出現(xiàn)回流，使此處的速度增加。 但是，隨著高度增加，液滴動能逐漸減小，液滴對氣相的影響也逐步減弱，回流消失，洗滌管中心處的速度減小。

圖5 3個截面上氣相速度分布

4.3 壓降對比

影響撞擊式泡沫洗滌器壓降的主要因素是氣體流速、液體噴射速度和液氣比，按表1中的5種工況模擬計(jì)算了洗滌器的壓降值，并與試驗(yàn)測得的結(jié)果進(jìn)行對比（表2）。

表2 洗滌器壓降試驗(yàn)值與模擬值的對比

由表2可以看出， 撞擊式泡沫洗滌器壓降的模擬值總體小于試驗(yàn)值， 這是因?yàn)樵谀M計(jì)算中，洗滌器管道壁面的壓損未計(jì)算在內(nèi)。 另外，可以看出壓降的試驗(yàn)值與模擬值的相對誤差均小于10%，吻合較好，表明本模擬運(yùn)用的數(shù)學(xué)模型與計(jì)算方法具有一定的可靠性，可為撞擊式泡沫洗滌器的研究與應(yīng)用提供依據(jù)。

4.4 液相分布與濃度

圖6所示的是Z3截面氣相速度云圖和液相粒子分布， 其中液滴顆粒用帶有箭頭的球表示，箭頭表示液滴運(yùn)動的方向，顏色代表速度大小。 從圖6可以看到，隨著距離噴嘴越來越遠(yuǎn)，液相顆粒以一定的角度向管壁處擴(kuò)散， 最后充滿整個截面，液相顆粒的速度逐步減小，液相對氣相的影響也逐步減弱。 液相剛噴出時，氣相被擠壓到管壁附近的環(huán)形通道中，此處氣相速度較高，而管中心處氣相速度較低。

圖6 Z3截面氣相速度云圖和液相粒子分布

為了定量表征泡沫區(qū)即有效傳質(zhì)區(qū)的范圍，首先定義在沒有氣相干涉的情況下，液相的濃度為理論濃度C，其計(jì)算式為：

式中 A——洗滌管面積，m2；

QL——液相流量，m3/h；

vL——液相速度，m/s；

ρL——液相密度，kg/m3。

按工況1 （QL=7m3/h，vL=11m/s，ρL=1000kg/m3，洗滌管直徑D=200mm）計(jì)算，液相的理論濃度C=5.6kg/m3。

圖7為工況1時從模擬計(jì)算中截取的自噴嘴出口至1 200mm處各個截面上的液相濃度分布。由圖7可以看出，從噴嘴出口往上，隨著高度的增加，液相的濃度先增大后減小，濃度最大時約為21kg/m3。 在300～800mm高度范圍內(nèi)，液相濃度達(dá)到了理論濃度的3倍以上。 這是因?yàn)樵谶@個區(qū)間內(nèi)，氣液相發(fā)生強(qiáng)烈的湍動，形成了所謂泡沫區(qū)（或稱有效傳質(zhì)區(qū)域）。 在泡沫區(qū)內(nèi)氣液兩相充分接觸混合，接觸表面積增大，達(dá)到了高效傳質(zhì)效果。 在相同的條件下，通過試驗(yàn)進(jìn)行觀察，同樣在距噴嘴出口300～750mm高度范圍內(nèi)，可看到氣液相發(fā)生強(qiáng)烈的湍動，形成了泡沫區(qū)（圖8）。

圖7 不同截面的液相濃度

圖8 泡沫區(qū)試驗(yàn)照片

5 結(jié)論

5.1 通過分析洗滌器內(nèi)部的速度分布，將氣液兩相相互作用區(qū)分為3個不同的區(qū)域，即回流區(qū)、泡沫區(qū)和壁面環(huán)流區(qū)。

5.2 撞擊式泡沫洗滌器數(shù)值模擬的壓降值總體小于試驗(yàn)得出的壓降值， 原因是在模擬計(jì)算時，洗滌管壁面的壓損未計(jì)算在內(nèi)。 5種工況下壓降的試驗(yàn)值與模擬值的相對誤差均小于10%， 吻合較好，驗(yàn)證了模擬的可靠性，可為撞擊式泡沫洗滌器的研究與應(yīng)用提供依據(jù)。

5.3 探索了用液相濃度分布來定量表征泡沫區(qū)的范圍。 在洗滌管中，從噴嘴出口往上，隨著高度的增加，液相濃度先增大后減小，在300～800mm高度范圍內(nèi)液相濃度達(dá)到了理論濃度的3倍以上，該區(qū)域即為泡沫區(qū)（有效傳質(zhì)區(qū)），這與試驗(yàn)觀察到的情況相似。