風(fēng)能輔助蒸發(fā)裝置的空氣流場模擬研究

初旭陽，胡鵬華，王 攀，陳 剛

(核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149)

在地浸采鈾生產(chǎn)中，通常利用蒸發(fā)池來處理從井場多抽出的放射性廢液，以減少液態(tài)的、易擴(kuò)散的放射性物質(zhì)的體積；蒸發(fā)濃縮后的廢液，通常采用混凝土固化掩埋再處理。但蒸發(fā)池占地面積大，會(huì)對生態(tài)環(huán)境和地浸礦山擴(kuò)大產(chǎn)能造成一定影響。

為了加快蒸發(fā)速率、減小蒸發(fā)池面積、提高蒸發(fā)效率，可采用多種不同的輔助蒸發(fā)方式，包括多級加熱[1]、浮動(dòng)鋁片[2-3]、人工濕地[4]、機(jī)械噴霧[5-7]、輔助風(fēng)速蒸發(fā)[8]等。

輔助風(fēng)速蒸發(fā)技術(shù)利用泵輸送廢水，使掛簾形狀的纖維材料被廢水沾濕，依靠掛在支撐桿上的掛簾增加蒸發(fā)面積[9]，提高蒸發(fā)效率。除了蒸發(fā)面積影響蒸發(fā)效率外；蒸發(fā)面上的空氣流動(dòng)也是一個(gè)主要因素，存在蒸發(fā)面上空氣流速越高，蒸發(fā)效率越高的正相關(guān)關(guān)系。內(nèi)部掛簾折疊的密集程度會(huì)影響掛簾表面的空氣流速，因此掛簾如何布置是影響裝置整體蒸發(fā)效率的另一個(gè)因素。

為了使風(fēng)能輔助蒸發(fā)裝置有足夠的表面空氣流速，提高裝置的蒸發(fā)效率，研究了簾間距、簾開角、簾懸掛方式、風(fēng)向?qū)τ陲L(fēng)能輔助蒸發(fā)裝置空氣流場的影響。

1 模型建立和邊界條件

1.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

人力計(jì)算并不能很好地得到計(jì)算流體力學(xué)精確解[10-11]，通常依靠計(jì)算軟件來解決工程實(shí)際問題。ANSYS Fluent是國際通用的流體模擬軟件，在各類流動(dòng)問題中的應(yīng)用廣泛[12]，適用于此次的簾結(jié)構(gòu)空氣流場模擬。

本次模擬使用ANSYS SpaceClaim DesignModeler進(jìn)行三維模型的建立。在符合相似準(zhǔn)則[13]的前提下，為了節(jié)省計(jì)算量，避免過于精細(xì)的結(jié)構(gòu)帶來大量的網(wǎng)格數(shù)，對于W型懸掛方式，模型采用2個(gè)簾間隔來計(jì)算；對于Ⅰ型懸掛方式，模型采用3個(gè)簾間隔來計(jì)算。不同懸掛方式模型如圖1所示。簾厚度為10 mm，長和高均為2 m。設(shè)置長方體外流場，上下距離為500 mm，左右、前后距離為5 000 mm。

I型懸掛時(shí)，模擬簾間距10、30、50、100 mm的情況；W型懸掛時(shí)，模擬支撐管徑DN15、DN25、DN40(即對應(yīng)簾間距23、32、48 mm)的空氣流場情況。簾開角模型是在W型懸掛、DN40支撐管徑模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，僅模擬15°簾開角情況。

風(fēng)向模擬角度為25°、45°、60°，風(fēng)向模擬建模使用通風(fēng)較充分的簾開角模型，如圖2所示。

圖2 風(fēng)向模擬中的風(fēng)向改變示意圖

由于各類懸掛方式有各種不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，不方便采用ICEM四面體網(wǎng)格進(jìn)行手動(dòng)多次劃分[14]，故上述模型統(tǒng)一采用自動(dòng)六面體網(wǎng)格劃分，但在網(wǎng)格加密部分稍作區(qū)別。以單片懸掛模型的網(wǎng)格劃分為例(圖3)，所有網(wǎng)格劃分均保證簾材料部分的六面體網(wǎng)格質(zhì)量Elements Quality>0.9，偏斜度Skewness<0.7。

1.2 邊界條件

考慮試驗(yàn)場地的實(shí)地風(fēng)速，設(shè)置進(jìn)風(fēng)口的邊界條件為速度入口，風(fēng)速為9 m/s，風(fēng)向垂直于進(jìn)風(fēng)口。在簾間距最小L=10 mm時(shí)(即雷諾數(shù)最小時(shí))，雷諾數(shù)Re=ρvL/μ>4 000；其余簾間距下雷諾數(shù)更大，即入風(fēng)流均設(shè)置為湍流。設(shè)置出口壓力(Gauge pressure)為0 Pa，進(jìn)出口流體均為空氣，所有壁面均為無滑移固壁。在簾材料選材尚未確定的情況下，模擬時(shí)簾材料暫默認(rèn)為鋁。計(jì)算采用RNGk-ε的數(shù)學(xué)模型。

圖3 單片懸掛模型網(wǎng)格劃分示意圖

2 簾間距與懸掛方式模擬研究

在簾開角為0°下，進(jìn)行簾間距與懸掛方式模擬研究，模擬I型懸掛和W型懸掛方式下，簾間距對風(fēng)能輔助蒸發(fā)裝置空氣流場的影響。對比I型懸掛和W型懸掛的空氣流場，分析懸掛方式對空氣流場的影響。

2.1 I型懸掛的簾間距模擬

簾間距對于空氣流場的影響主要反映為簾間風(fēng)速的變化。對I型懸掛方式建模計(jì)算，取ZX方向(與簾材料垂直方向)的截面觀察流場情況。100 mm簾間距下，在ZX方向Y=1 m截面處的速度云圖如圖4所示。為了研究具體簾間距對截面上的速度影響，對不同簾間距的ZX方向橫截面圖進(jìn)行了放大處理，如圖5所示。10 mm簾間距ZY方向橫截面速度放大云圖如圖6所示。

圖4 ZX方向橫截面速度總覽

(a)100 mm;(b)50 m;(c)30 mm;(d)10 mm;圖5 不同簾間距的ZX方向橫截面速度放大云圖

圖6 10 mm簾間距ZY方向橫截面速度放大云圖

由圖5可見，除10 mm簾間距外，不同簾間距的空氣流場均呈近壁面的速度分層現(xiàn)象，出現(xiàn)了湍流邊界層。這和Ludwig Prandtl提出的流動(dòng)邊界層、附面層一致[15]，同時(shí)簾中心都有比較穩(wěn)定的空氣流速。但從圖5(d)和圖6可以看到，在10 mm的簾間距情況下，簾與簾中心存在大量流速為0的區(qū)域(深藍(lán)色)，此時(shí)裝置整體蒸發(fā)效率受流速過低影響。

為研究不同簾間距對表面風(fēng)速的影響，取這4種情況下的簾間隙中心流速進(jìn)行對比，結(jié)果見表1。

表1 I型懸掛方式不同簾間距下的簾間隙中心流速

由表1可知，對于I型懸掛方式，除簾間距10 mm以外，簾間隙中心流速總體隨簾間距的增大而提高；但流速上升有限，簾間距為100 mm和30 mm時(shí)，簾間隙中心流速在數(shù)值上只相差0.8 m/s。簾間距過小(10 mm)，將會(huì)導(dǎo)致流體不能充分流過簾的間隙。

2.2 W型懸掛的簾間距模擬

對W型懸掛方式建模計(jì)算，同樣取ZX橫截面，DN40管徑模擬橫截面如圖7所示?？梢钥闯觯cI型模擬時(shí)類似，也存在邊界層現(xiàn)象；在省略管徑的間隙中心部位(掛簾彎曲處)的風(fēng)速比正中心的間隙中心部位的風(fēng)速稍高。

圖7 DN40管徑模擬橫截面速度云圖

取不同簾間距(管徑)下Y軸中心處的簾間隙中心流速進(jìn)行對比，結(jié)果見表2。可以看出，簾間距對于簾間隙中心流速的影響并不明顯。

表2 W型懸掛方式不同簾間距下的簾間隙中心流速

2.3 小結(jié)

結(jié)合I型和W型的模擬結(jié)果，簾間距大于23 mm的情況下，簾間距對于表面流速的影響不大；但在簾間距小于23 mm的情況下(本研究僅模擬了10 mm的情況)，簾間距將可能對表面流速造成較大影響。

對比2種懸掛方式，發(fā)現(xiàn)W型懸掛支撐管附近會(huì)產(chǎn)生一個(gè)風(fēng)速稍高的區(qū)域，可能會(huì)導(dǎo)致裝置有些許受力不均；但考慮W型懸掛方式比I型懸掛方式的操作要簡易很多，這一影響可忽略。

綜上考慮，裝置宜采用W型懸掛方式，并保證簾間距大于23 mm(使用管徑大于DN15的支撐管)。

3 簾開角模型模擬研究

簾開角是指簾與鉛垂面的夾角，數(shù)值上為兩簾之間夾角的1/2。在簾開角15°時(shí)，Y軸中心處ZX截面和X軸中心處ZY截面的速度云圖如圖8所示。

圖8 簾開角15°時(shí)橫截面風(fēng)速云圖

從圖8(a)可看出，簾開角為15°時(shí)，在兩簾之間存在主流區(qū)，風(fēng)速為9 m/s左右；靠近簾的部分，邊界層十分明顯，具有充分的空氣流場。相比DN40的中心流速，在有簾開角的情況下，風(fēng)速僅提升了0.3 m/s左右。簾開角的設(shè)置會(huì)使掛簾的表面風(fēng)速有微弱提升；但在實(shí)際裝置設(shè)計(jì)中，設(shè)置簾開角有助于設(shè)置落水孔，對裝置布液有較大益處。

4 風(fēng)向模型模擬研究

選取之前效果最佳的DN40(48 mm)簾間距、15°簾開角作為模型，研究風(fēng)向與簾材料夾角為25°、45°、60°時(shí)空氣流場的變化。這3種風(fēng)向情況下，Y軸中心ZX截面的空氣流速如圖9所示，25°風(fēng)向時(shí)的流線圖如圖10所示。3種不同風(fēng)向下的簾間隙中心流速和繞流最大風(fēng)速見表3。

表3 風(fēng)向變化對空氣流場變化數(shù)據(jù)

從試驗(yàn)結(jié)果看出，風(fēng)向25°時(shí)，裝置附近未產(chǎn)生太多渦流，對裝置幾乎沒有影響(圖9)；但在風(fēng)速較高的地方(圖10紅色區(qū)域)產(chǎn)生了繞流，可能會(huì)導(dǎo)致裝置不穩(wěn)定。在45°和60°風(fēng)向情況下，簾間隙風(fēng)速將會(huì)受到很大影響，且風(fēng)向角度越大風(fēng)速越小；而且45°、60°風(fēng)向的繞流速度過大(表3)，將可能導(dǎo)致裝置傾翻。

(a)25°;(b)45°;(c)60°。圖9 不同風(fēng)向下的ZX截面空氣流速云圖

圖10 風(fēng)向25°時(shí)的空氣流線圖

5 模擬結(jié)果驗(yàn)證試驗(yàn)

利用圖11的實(shí)驗(yàn)室裝置進(jìn)行試驗(yàn)，因?qū)嶒?yàn)室風(fēng)扇最高風(fēng)速約為4.3 m/s，無法達(dá)到現(xiàn)場9 m/s的風(fēng)速；因此改變模擬進(jìn)口風(fēng)速為4.30 m/s來驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。經(jīng)計(jì)算，風(fēng)速為4.30 m/s時(shí)，風(fēng)流依然為湍流。

利用風(fēng)速儀測量進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口15 cm位置的風(fēng)速，作為掛簾間隙空氣流速進(jìn)行比對分析。進(jìn)口和出口分別選擇3個(gè)高度測量，試驗(yàn)結(jié)果見表4?？梢钥闯?，在不同點(diǎn)位，風(fēng)速降低的趨勢和幅度具有一致性。與模擬結(jié)果對比，模擬的進(jìn)、出口平均風(fēng)速分別為4.30 m/s和3.68 m/s，與實(shí)驗(yàn)組的4.20 m/s和3.38 m/s誤差不大。由此可見，使用數(shù)值模擬方法研究風(fēng)能輔助蒸發(fā)裝置布簾結(jié)構(gòu)對空氣流場的影響情況是可行的，通過模擬得出的有關(guān)簾間距、簾開角、懸掛方式、風(fēng)向?qū)諝饬鲌鲇绊懙慕Y(jié)論可信。

圖11 風(fēng)能輔助蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)裝置

表4 風(fēng)能輔助蒸發(fā)實(shí)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對比

6 結(jié)論

在研究條件下，風(fēng)向角度是影響風(fēng)能輔助蒸發(fā)裝置蒸發(fā)效率和穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，風(fēng)向與簾面平行時(shí)蒸發(fā)效率最佳。由于邊界層效應(yīng)，當(dāng)簾間距過小時(shí)，簾間距對蒸發(fā)效率有影響；當(dāng)簾間距大于23 mm時(shí)，簾間距對蒸發(fā)效率的影響不顯著。簾開角對裝置蒸發(fā)效率影響不大，但有助于裝置布液。懸掛方式對空氣流場無太大影響，但考慮到施工簡易程度，推薦選用W型懸掛方式。

建議在風(fēng)能輔助蒸發(fā)裝置設(shè)計(jì)中，簾間距大于23 mm(DN15)，采用W型懸掛方式，合理設(shè)置簾開角；并設(shè)計(jì)裝置能夠根據(jù)氣象參數(shù)變化自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，使風(fēng)向平行吹入簾與簾的間隙。