基于Fluent的活性炭箱內(nèi)氣體流場的分析

倪洪啟，何崇玉，孟憲春

（1.沈陽化工大學 機械與動力工程學院，沈陽 110142；2.秦皇島北方管業(yè)有限公司 河北省波紋膨脹節(jié)與金屬軟管技術創(chuàng)新中心，河北 秦皇島 066004）

0 引言

近些年，我國經(jīng)濟發(fā)展迅速，工業(yè)也在急速發(fā)展，但生態(tài)環(huán)境問題已經(jīng)成為一個不可忽視的大問題，大氣的污染也越來越嚴重，而這些對大氣造成危害的主要來源就是我們工業(yè)生產(chǎn)中所排放的工業(yè)廢氣[1]，因此對工業(yè)廢氣的處理是十分必要的。

廢氣凈化活性炭箱是利用活性炭的吸附性，對廢氣進行凈化[2]。但是，廢氣進入活性炭箱后，如果均風板的均風能力低，實際的使用效果差距很大。針對這種情況，本文通過Fluent軟件模擬不同傾斜角度的均風板對活性炭箱內(nèi)的氣體分布影響情況，找出最適合的均風板模型，這樣可以減少企業(yè)對均風板的開發(fā)成本，也可以提高凈化效率。

1 Fluent仿真與計算

1.1 計算模型的的選擇

在活性炭箱內(nèi)，模型中流入空氣流速為14.8 m/s，進口直徑為488 mm，20 ℃空氣的動力黏度[3]為1.79×10-5Pa·s，20 ℃空氣的密度為1.205 kg/m3，此時雷諾數(shù)為

式中：ρ為20 ℃空氣的密度；V為流入空氣的流速；d為入口圓管直徑；μ為20 ℃空氣動力黏度。

氣體在箱內(nèi)為湍流流動，湍流流動是一個非常復雜的過程，要想模擬出湍流流動需要滿足3個方程，即連續(xù)性方程、動量守恒方程和湍流方程?，F(xiàn)在最常用的湍流方程模型有4種，分別為標準k-ε模型、RNG k-ε模型、Realizable k-ε模型及k-ω模型[4]。目前使用最廣泛的模型是標準k-ε模型。RNG k-ε模型更適合強旋轉流動的計算[5]。本文中使用的是標準k-ε模型。標準的k-ε模型是一個半經(jīng)驗公式[6]，主要由湍流動能方程與耗散率方程推導而來。其中湍流動能方程是一個精確推導的方程,但是湍流耗散率方程是一個由經(jīng)驗公式推導出的方程[7]。

湍流動能k方程為

式中：C1ε、C2ε、G3ε為經(jīng)驗常數(shù)；Cμ為湍流常數(shù)；Gb為由浮力產(chǎn)生的湍流動能；Gk為由層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動能；k為湍流動能；t為時間；ui為xi方向的速度；xi、xj為坐標位置；ρ為密度；σk為k方程的Prandtl數(shù)；σε為ε方程的Prandtl數(shù)；ε為湍流耗散率；μ為層流黏性系數(shù)；μt為湍流黏性系數(shù)。

1.2 幾何模型的建立

1.2.1 物理模型

將活性炭SolidWorks模型圖導入Workbench中，活性炭箱簡化模型圖如圖1所示，活性炭箱進口直徑為488 mm，箱體部分兩邊長為1950 mm，整體高度為3354 mm，均風板開孔大小均為直徑40 mm的圓孔，均風板的傾斜角度如圖2所示。使用Workbench 下的DesignModelor打開模型，使用Fill命令創(chuàng)建活性炭箱內(nèi)的內(nèi)流域場[8]。

圖1 廢氣凈化活性炭箱的模型

圖2 均風板的傾斜角度

1.2.2 網(wǎng)格劃分

本文中網(wǎng)格劃分軟件為Workbench中的Meshing軟件。在Meshing中，可以將計算網(wǎng)格分為結構化網(wǎng)格、非結構化網(wǎng)格和混合網(wǎng)格[9]。因為結構化網(wǎng)格生成速度快，生成的網(wǎng)格質量好。本文中的模型網(wǎng)格劃分選用結構化網(wǎng)格，并對均風板處進行加密處理，提高計算精度。因為計算時使用的是k-ε模型，所以對模型的外壁面處也采用加密處理。

1.2.3 邊界條件設置

在Fluent中進行求解時，設置流入的氣體為空氣，溫度為20 ℃。湍流模型為標準k-ε模型，Pressure Based隱式（Implicit）求解，進口邊界設為Velocity Inlet，速度大小為14.85 m/s，湍流強度為5%，水力直徑為0.488 m。壁面采用標準壁面，并且光滑無滑移。出口邊界設為outflow，其余保持默認設置。求解器設置中，壓力和速度耦合選用SIMPLE 算法。空間離散化設置中，梯度選擇Least Squares Cell Based，壓力選擇Second Order，動量、湍動能和湍流耗散率采用二階迎風格式，求解穩(wěn)態(tài)不可壓縮流。

2 計算結果與分析

2.1 速度云圖結果與分析

通過比較不同傾斜角度均風板的活性炭箱內(nèi)流場的速度云圖，分析不同傾斜角度均風板對流場的影響，不同傾斜角度時的速度如圖3所示。

圖3 不同傾斜角度均風板對應的箱內(nèi)流場速度云圖

通過6張速度云圖，可以清楚地看到不同傾斜角度時活性炭箱中的速度分布情況，當傾角大于165°時，隨著傾角的增大，氣流通過均風板后的分布面積開始變小，主要集中在均風板中部，氣流通過均風板后并不能完全流過整個箱體。均風板處速度在3.98～11.95 m/s之間時，其余部分速度大多在1.99 m/s以下。主要原因是當傾角過大，均風板就類似一個平板，氣流在經(jīng)過均風板時，均風板無法起到一個均風的作用，氣流直接撞在均風板上，所以只能流過比進口直徑稍微大一點的區(qū)域。使用大于165°的均風板，氣流分布不均勻，無法起到均風的作用，不滿足實際需要。當均風板傾角小于150°時，隨著均風板傾角的減小，氣流通過均風板后的分布面積也越來越小，且大多是沿著均風板四周流動。均風板處速度在4.23～14.83 m/s之間時，速度差值較大，速度分布不均。其主要原因是當氣流經(jīng)過均風板時，氣流會沿著均風板的邊緣進行分散，但高速的氣流經(jīng)過時，過小的傾角使氣流來不及沿均風板邊緣進行分散，氣流在速度的影響下從離其最近的孔中流過，因此分布范圍也比較小，均風板的均風效果仍不理想，無法滿足實際要求。從圖中可以看出，當傾角為150°～165°之間時，氣體經(jīng)過均風板后，沿均風板進行分散，使氣體幾乎可以覆蓋整個活性炭箱，均風板處速度大多處在4～12 m/s之間，速度差值較小。且?guī)缀鯏U散到了整個均風板面，箱內(nèi)氣體分布比較均勻，基本滿足實際使用需求。

2.2 速度均勻系數(shù)分析

圖4所示為不同傾角均風板的速度均勻系數(shù)，本文中以活性炭箱正中間處剖面為標準平面，主要測量了距離標準平面0、100、200、300 mm處的不同傾角均風板的速度均勻系數(shù)。

圖4 不同傾斜角度速度均勻系數(shù)

均風板傾角為150°～165°時，速度的均勻系數(shù)明顯高于其他傾角，其速度均勻系數(shù)都在0.72以上，并越靠近標準平面，即離均風板越遠，速度均勻系數(shù)也越高。這表明，傾角為150°～165°之間的速度均勻度更好，氣體經(jīng)過均風板后，分布更加均勻。傾角大于165°和小于150°時，速度均勻系數(shù)大多在0.7以下，速度均勻度較差，不能達到較好的均風效果。這和速度云圖顯示的結果相吻合，同時也驗證了速度云圖分析的正確性。

3 結論

均風板不同的傾斜角度對活性炭箱中氣體均勻分布有很大的影響。通過ANSYS平臺下的Fluent軟件對廢氣凈化活性炭箱內(nèi)的氣體流場進行了數(shù)值分析可以看出，均風板傾角為150°～165°之間時，活性炭箱內(nèi)的流場通過均風板后的分布最為均勻，均風板均風效果最好，基本可以達到實際的使用要求。