循環(huán)流化床制冰系統(tǒng)用噴嘴的數(shù)值模擬研究

王 鑫，孫 靖，韓克鑫，謝春剛，邢玉雷

(1. 自然資源部天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192；2. 天津市海躍水處理高科技有限公司，天津 300192)

冷凍海水淡化是海水在低溫下冷卻至結(jié)冰，冰晶經(jīng)分離、洗滌、融化后得到淡水的技術(shù)[1]。其具有工藝能耗低，海水低溫下腐蝕、結(jié)垢傾向低，設(shè)備投資成本低，無需海水預(yù)處理及藥劑等諸多優(yōu)勢，是一項具有發(fā)展?jié)摿Φ暮Ｋ夹g(shù)。流化床制冰用于冷凍海水淡化是一種新型的冷凍淡化方法，該方法是海水通過傳熱管與載冷劑逆流換熱生成冰晶，冰晶粘附于傳熱管壁面，海水中流態(tài)化固體顆粒與壁面碰撞去除壁面冰晶形成冰漿。由于顆粒運動造成大量湍流，使得流化床制冰器具備更高的傳熱效率，且顆粒運動類似流體，可實現(xiàn)不同換熱管間熱質(zhì)的傳遞，易于規(guī)模擴展，能滿足工業(yè)化大批量連續(xù)作業(yè)的需求。關(guān)于流化床制冰技術(shù)，國內(nèi)外學者已經(jīng)開展了一些實驗研究。E.Stamatiou等[2]詳細分析闡述了流化床制冰器的基本工作原理、操作范圍和傳熱特性。P.Pronk等[3]采用流化床技術(shù)對質(zhì)量濃度為7.7%氯化鈉溶液進行制冰性能的研究，測試了系統(tǒng)穩(wěn)定運行的邊界條件，同時通過對比試驗發(fā)現(xiàn)循環(huán)流化床具備更寬的參數(shù)調(diào)節(jié)范圍。J.W.Meewisse等[4]開展了流化床制冰性能測試，并建立了傳熱系數(shù)計算模型。然而該技術(shù)用于海水制冰淡化尚未見報道。

循環(huán)流化床是介于傳統(tǒng)非循環(huán)流化床和稀相輸送床之間的一種操作形式，因其具備操作范圍廣、表觀流速高、床內(nèi)顆粒分布較均勻及易于操作等優(yōu)點，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于化工、機械、水處理等諸多領(lǐng)域[5-7]。劉燕等[8]模擬研究了循環(huán)流化床噴嘴對流場的影響。P.Pronk等[3]研究了循環(huán)流化床制冰系統(tǒng)中顆粒上升速度對制冰傳熱溫差(除冰速率)的影響。研究發(fā)現(xiàn)隨著顆粒循環(huán)流速的增加顆粒去除冰晶的速度會提高。因此，提高顆粒循環(huán)速度對循環(huán)流化床制冰效率意義重大。為提高循環(huán)流化床循環(huán)動力，在下降管與水平進水管三通處加入噴嘴，噴嘴出口位置Nozzle Exit Position (NXP)及口徑比Diameter Ratio (DR)對顆粒循環(huán)速率影響很大，通過設(shè)計合理的NXP及DR，可以在降低噴嘴本身壓降的同時，使其對下降管內(nèi)水流的卷吸作用最大。文章為進一步掌握提高顆粒循環(huán)速度的方法，對加入噴嘴的循環(huán)流化床內(nèi)部流場進行模擬，求得循環(huán)流化床制冰系統(tǒng)中噴嘴的最優(yōu)設(shè)計方案。

1 流化床制冰系統(tǒng)

如圖1所示，載冷劑吸收冷量進入流化床制冰器的殼程與傳熱管內(nèi)的海水逆流換熱，升溫后的載冷劑返回換熱器繼續(xù)降溫循環(huán)使用。在制冰器內(nèi)，固體顆粒在海水的帶動下實現(xiàn)流態(tài)化，顆粒通過碰撞傳熱管壁將粘附在壁面的冰晶除去形成冰晶、濃海水與顆粒組成的混合體系?；旌狭黧w進入懸液分離器，冰晶與濃海水從頂部排出，顆粒及少量濃海水從底部下降管回流至海水入口管。頂部排出的冰晶與濃海水進入水箱，冰晶被濾網(wǎng)攔截，濃海水與進料海水混合以保證系統(tǒng)鹽度平衡，并通過水泵和噴嘴與下降管內(nèi)顆粒及少量濃海水混合后一同進入制冰器制冰。

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

噴嘴是影響顆粒循環(huán)性能的關(guān)鍵部件，噴嘴出口壓力變化對下降段內(nèi)流體卷吸力有重要的影響[9]。由于受到實驗測量手段和水平管直徑較小的限制，噴嘴出口壓力測量探管對管內(nèi)流場有較大的干擾作用，導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)不夠精確。為彌補實驗測量手段的不足，文章采用計算流體力學的數(shù)值模擬計算方法研究噴嘴附近區(qū)域的流場變化規(guī)律。

2 CFD模擬

2.1 幾何模型

文章計算域的幾何模型與網(wǎng)格如圖2所示。采用Gambit對計算域進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型全部采用四邊形，并對壁面處流動邊界層網(wǎng)格進行加密，計算域網(wǎng)格數(shù)量為637 528。如圖3所示，噴嘴口徑比DR=d/D，噴嘴出口位置NXP=L，定義下降段左側(cè)邊緣作為安裝零點，-40 mm、-20 mm、0 mm、20 mm的位置見圖3，并規(guī)定零點右側(cè)為x軸正方向，左側(cè)為負方向。

圖2 幾何模型與網(wǎng)格示意圖Fig.2 Geometric model and mesh diagram

圖3 噴嘴口徑比與出口位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of nazzle diameter ratio and outlet position

2.2 控制方程

計算流體力學的基本控制方程包含：質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程等[10]。這些方程是所有流體流動都要遵守的基本物理定律的數(shù)學表達形式。

(1)質(zhì)量守恒方程

質(zhì)量守恒方程又叫連續(xù)性方程，其一般形式如下：

(1)

(2)動量守恒方程

動量守恒方程又叫Navier-Stokes方程(粘性流體)，在慣性坐標系下，其一般形式如下：

(2)

(3)

(3)湍流模型

由于水平管內(nèi)部流動為湍流流動，需進行流體湍流行為的模擬。FLUENT中提供的標準k-ε湍流方程是最常見的雙方程湍流模型，作為工程流場計算中主要的工具，應(yīng)用十分廣泛。

湍動能k方程：

(4)

湍流耗散率ε方程：

(5)

式中:μl——層流粘性系數(shù)；μt——湍流粘性系數(shù)，且μt=ρCμk2/ε；Gk——由平均速度梯度引起的湍動能；Gb——由浮力影響產(chǎn)生的湍流動能。有效粘度系數(shù)μ=μl+μt；模型常數(shù)取值為：Cμ=0.09，C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.99，σk=1.0，σε=1.3。

2.3 邊界條件

模擬計算中，水平管的入口及旋液分離器切向進口均設(shè)置為速度入口(Velocity inlet)，速度入口的速度數(shù)值根據(jù)實驗數(shù)據(jù)設(shè)定；假設(shè)水平管足夠長，忽略噴嘴對其流場的影響，水平管出口設(shè)置為壓力出口(Pressure outlet)；對于旋液分離器溢流水進入儲水箱，所以對溢流管出口也設(shè)置為壓力出口(Pressure outlet)。具體邊界條件設(shè)置見表1。模擬的流體介質(zhì)選擇為純水，重力加速度方向垂直向下。

表1 邊界條件參數(shù)Tab.1 Boundary condition parameters

2.4 模擬算法

文章采用商用計算流體力學軟件ANSYS FLUENT進行模擬計算，采用有限體積法對計算求解區(qū)域進行求解計算。壓力和速度耦合采用SIMPLE算法，湍流模型采用標準k-ε雙方程湍流模型，壁面區(qū)域采用標準壁面函數(shù)法，各計算變量的殘差值設(shè)置為10-4。

3 結(jié)果與分析

文章分別模擬研究了4個噴嘴出口位置NXP=-40 mm、-20 mm、0 mm、20 mm，3個口徑比DR=0.2、0.3、0.4。重點分析了不同幾何設(shè)置條件下，水平管中心軸線上(如圖4)的流場、壓降、湍動能以及旋渦等物理量的變化規(guī)律。

圖4 水平管中心軸線位置示意圖Fig.4 Schematic diagram of horizontal pipe central axis location

3.1 NXP對流場的影響

選擇噴嘴直徑為24 mm，即DR=0.3時，進行NXP對管內(nèi)流場影響的研究。分別研究了NXP=-40 mm、-20 mm、0 mm、20 mm時，其對于管內(nèi)流體的速度、湍動能、漩渦等分布的影響。為便于研究，考慮到水平管中心軸線位置流體存在較大的速度梯度，故將水平管中心軸線作為模擬計算監(jiān)測位置，并規(guī)定噴嘴出口處為坐標原點，流體來流方向為正，出流方向為負，相應(yīng)的模擬結(jié)果與分析討論如下。

3.1.1 NXP對速度的影響

圖5所示的是不同NXP水平管中心軸線位置(-0.125 m≤x≤0.125 m)的速度分布。

圖5 不同NXP水平管中心軸線位置速度分布Fig.5 Velocity distribution of different NXP horizontal pipe central axis position

從圖5中可以看出，對于相同的NXP，噴嘴均對來流的流體起到了加速作用。在x=0 m時，即噴嘴出口位置，流體的速度達到最大值。當流體流出噴嘴后，由于水平管道直徑較小，流體流動需克服管道邊界的摩擦阻力變大，需要消耗更多的流體動能來克服摩擦粘滯阻力，因此流體的流速逐漸變小，直至與來流的速度相當。通過在相同軸線位置比較不同NXP的速度值，當NXP=0 mm時，流體在流出噴嘴出口以后速度減小的趨勢最慢，但是當x=-0.1 m時，不同NXP下的速度值基本一致。由于流速在流出噴嘴出口后0.05 m范圍內(nèi)存在明顯的變化規(guī)律，此處取x=-0.05 m時不同NXP的速度值，將該速度值與相應(yīng)最大速度值進行相對變化大小的比較。當NXP=20 mm時，速度變化相對大小為63%，當NXP=0 mm時，速度變化相對大小為33%，相差30%。由于速度變化越緩慢，代表噴嘴對流體的射流作用越大，故當NXP=0 mm時，噴嘴射流影響距離最遠。

3.1.2 NXP對湍動能的影響

圖6所示的是不同NXP對流體湍動能的影響變化曲線圖。從圖6可以看出，流體流入噴嘴直至噴嘴出口，湍動能變化緩慢。當流體從噴嘴噴出后，流體的湍動能開始快速地增大，并在x=-0.07 m附近，湍動能達到最大值，隨后又逐漸變小。出現(xiàn)圖6中湍動能變化趨勢的原因在于：當流體從來流方向直至進入噴嘴，噴嘴中心流體射流速度脈動幅度較小，故出現(xiàn)了圖中當x>0 m時的湍動能變化幅度很小的情況。當流體從噴嘴噴出后，由于流體速度出現(xiàn)一定程度的劇烈脈動，故存在一定距離范圍內(nèi)湍動能的急劇增加。但是，隨著流動距離的增長，受水平管內(nèi)壁面與噴嘴噴射范圍的影響，以及湍流剪切力的作用，湍動能迅速減小。當流體的動能消耗致使流體的動力不足時，水平管內(nèi)的流動最終變?yōu)閷恿髁鲃?，即湍動能減小到一個穩(wěn)定的平衡值。當NXP=0 mm和20 mm時，由于豎管下降段的來流流體對噴嘴出口的射流流體有直接的干擾，使得NXP=0 mm和20 mm的湍動能在離開噴嘴處最先開始變化。

圖6 不同NXP對流體湍動能的影響Fig.6 Effect of different NXP on turbulent kinetic energy of fluid

3.1.3 NXP對漩渦的影響

圖7是不同NXP下水平管內(nèi)部流體的速度矢量圖。

當NXP=0 mm時，流體從噴嘴出口噴出后，由于受到較大射流速度的影響，在噴嘴出口區(qū)域形成以中心射流區(qū)域為中心線的上下兩個漩渦。下漩渦的流量主要來自于水平管段來流的流體，上漩渦的來流主要來源于噴嘴對于豎直管段流體的卷吸。下漩渦比上漩渦影響區(qū)域大，說明由于噴嘴的存在其對下降管段內(nèi)的流體有較強的卷吸作用。當NXP=20 mm時，由于噴嘴出口的位置處于下降管段出口的正下方，下降管段流體由于受到重力作用，對噴嘴出口噴出的流體形成了較強的下壓作用，導(dǎo)致噴嘴出口噴出的流體迅速下降，并沿著水平管底部壁面流動。

從圖7中的速度矢量可以看出，當NXP=20 mm時，噴嘴噴出流體的上部沒有明顯漩渦存在，說明噴嘴對于下降管流體的卷吸作用很弱，漩渦的大小較小，漩渦的影響距離較小。當NXP=-20 mm和NXP=-40 mm時，由于噴嘴出口位置均處于水平管段的下游，噴嘴噴出流體的上部雖然也有一定程度的漩渦存在，但此處漩渦的強度較小，對于下降管的卷吸作用較弱。綜合比較NXP=0 mm時，上漩渦的影響范圍最大，有利于噴嘴對于豎直管段流體的卷吸。

3.2 DR對流場的影響

選擇噴嘴出口位置NXP = 0 mm時，進行DR對管內(nèi)流場影響的研究。分別研究了DR=0.2、0.3、0.4時，其對于管內(nèi)流體的速度、漩渦、壓降等分布的影響。

3.2.1 DR對漩渦的影響

圖8是不同DR下的流場分布圖。從圖8可以看出，當DR=0.2時，漩渦影響的面積最大；當DR=0.4時，漩渦影響的面積最小，但是上下漩渦較為對稱，且流速大小適中。

3.2.2 DR對壓降的影響

圖9所示的是DR=0.2、0.3、0.4時的壓降變化分布曲線圖。從圖9中可以看出，在流體進入噴嘴前，在DR=0.2時的壓力最大，在DR=0.4時的壓力最小。DR越小，噴嘴出口的壓力值越低。造成這種現(xiàn)象的主要原因是：當DR越小時，噴嘴對于流體流動的阻力越大，流體經(jīng)過噴嘴加速噴出后所形成的負壓越大。從圖9還可以看出，當DR=0.3時，即噴嘴喉部直徑為24 mm時，壓降變化幅度變小，噴嘴阻力較小，更有利于流體的流動循環(huán)。

圖8 不同DR下的流場分布圖Fig.8 Flow field distribution under different DR

圖9 不同DR的壓降變化分布曲線Fig.9 Pressure drop distribution curve of different DR

4 結(jié)論

文章通過采用計算流體力學方法，以循環(huán)流化床制冰系統(tǒng)中的噴嘴為研究對象，針對噴嘴不同NXP、DR進行模擬研究，得出如下主要結(jié)論：

1)NXP是影響噴嘴噴射距離和卷吸豎管流體的關(guān)鍵因素。在噴嘴出口區(qū)域形成以中心射流區(qū)域為中心線的上下兩個漩渦，上漩渦對豎管中的流體有卷吸作用。當NXP=0 mm，流體速度變化率較慢，噴嘴出口射流中心區(qū)域較長，射流區(qū)域產(chǎn)生的漩渦影響距離長，有利于流體的循環(huán)。

2)DR是影響流體漩渦面積和壓降的關(guān)鍵因素。當DR=0.3時，漩渦影響的面積較大。同時，壓降變化幅度較小，噴嘴前后的阻力較小，更有利于流體的流動循環(huán)。