半徑比對氣液噴射器吸氣量的影響研究

， ，，永軍

(1.青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061；2.甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730070；3.長慶油田分公司 第一采氣廠，陜西 靖邊 718500)

氣液噴射器是石油化工等行業中廣泛使用的混合、傳質和反應設備，其工作原理是利用高速流動的工作流體去卷吸引射流體，實現流體之間的能量交換和混合傳質，具有無轉動部件、傳質效率高、密封性好、結構簡單、維護費用低、連續性好以及安全性高等優點[1]。

近年來，眾多學者運用實驗和數值方法對氣液噴射器進行了相關研究。耿利紅等[2]利用數值模擬的方法研究了噴射器幾何結構對壓縮/噴射制冷循環性能的影響，并與傳統壓縮制冷循環的性能進行比較，發現噴射器存在一個最優面積比。Kandakure等[3]的研究表明，混合段長徑比為0、混合段與噴嘴面積比為4時，噴射器能夠取得最大的吸氣量。Li等[4]以吸氣量為評價指標對噴射器混合段長徑比進行模擬研究，得出氣氣噴射器最優長徑比為5～7，氣液噴射器最優長徑比為1～2。Zhang等[5]的模擬研究顯示，噴嘴位置位于距離混合段入口6 mm時，噴射器能夠得到最大的吸氣量和最高的效率。Sharma等[6]利用簡化的噴射器三維數值模擬模型，研究了噴射器結構參數對其吸氣量的影響，其研究結果為吸氣室結構尺寸及噴嘴與混合段間距對吸氣量影響較小，擴散角為5°時，取得最大吸氣量。秦敬軒等[7]利用數值模擬的方法對不同出入口條件下氣液噴射器的噴射性能進行了研究，并得到了最優工況。姚云等[8]以水和CO2為物系，利用平面激光誘導熒光技術，分析了操作條件對氣液噴射器內流型的影響。范軍領等[9]對應用在回路反應器中的氣液噴射器進行了總結介紹，并對噴射器未來的應用做了展望。李韶璞[10]依照噴射器的工作原理，提出了氣液噴射器吸氣量的估算公式，并探究了噴射器的結構參數對其混合性能的影響。從這些研究中可以看出，因應用領域和應用物系等方面的不同，得到的最優幾何尺寸往往有較大的差別，無法對實際化工生產中氣液噴射器的制造提供直接指導。而且現有的氣液噴射器研究多集中于氣液輸送和冷卻循環系統領域，在化工生產領域的研究還不充分[11-16]。

文中內容為用于三氟丙基甲基二氯硅烷生產工藝的噴射回路反應器開發項目中的一部分，為了確定最優氣液噴射器的結構參數，先建立了氣液噴射器的三維模型，基于該模型并利用FLUENT軟件對混合室與噴嘴出口的半徑比對噴射器吸氣量的影響規律進行了研究，探討了噴嘴出口流速對最優半徑比值的影響，旨在對今后氣液噴射器的工程應用和設計優化提供理論指導。

1 氣液噴射器三維模型建立

1.1 數學模型

1.1.1控制方程

質量守恒方程：

(1)

動量守恒方程：

(2)

式(1)～式(2)中，ρ為密度，kg/m3；u、v、w分別為x、y、z方向的速度，m/s；ui、uj分別為i方向和j方向速度分量，m/s；xi、xj分別代表i、j方向的坐標；μ為空氣動力黏度，Pa·s；k為湍動能；ε為耗散率；Cμ為經驗常數；Si為動量源項，N/m3；p為壓力，MPa；δij為克羅內克爾張量。

1.1.2湍流模型

采用標準k-ε方程模擬三維流場，k-ε方程由湍動能k方程和耗散率ε方程組成。

k方程：

(3)

ε方程：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式(3)～式(9)中，Gk為平均速度梯度引起的湍動能的產生項，Gb為由于浮力引起的湍動能的生成項；Pri為湍動普朗特準數；μt為湍流黏度，Pa·s；β為熱膨脹系數，K-1；gi為重力加速度在i方向的分量，m/s2；T為溫度，K；YM為可壓縮流中脈動擴張項；a為導溫系數，m2/s；C1ε=1.44、C2ε=1.92、C3ε=0.09、σε=1.0、σk=1.3、Pri=0.85。

1.1.3半徑比m

半徑比m指氣液噴射器中混合室半徑與噴嘴出口半徑的比值，是影響噴射器性能的重要結構參數之一。

(10)

式中，R為氣液噴射器中混合室的半徑，r為噴嘴出口半徑，mm。

1.2 物理模型

氣液噴射器的主要結構包括噴嘴、吸氣室、混合室和擴散室，其結構示意圖見圖1。

圖1 氣液噴射器結構示圖

為了更好地對氣液噴射器吸氣量影響因素進行研究，對氣液噴射器進行了簡化處理，所用初始模型具體結構尺寸見圖2，然后通過Solidworks軟件進行三維建模。

圖2 氣液噴射器初始結構簡圖

1.3 網格劃分和邊界條件

1.3.1網格劃分

利用ICEM CFD軟件對氣液噴射器的三維模型進行網格劃分，網格類型為六面體結構網格，具體見圖3。

圖3 氣液噴射器網格劃分

然后通過不斷增加網格數量對氣液噴射器進行網格加密，分別建立了4組網格，其網格數量分別為536 222、1 007 580、1 665 254和2 400 168。選取氣相入口體積流量進行網格無關性驗證，1 665 254網格與2 400 168網格的氣相入口體積流量相差僅為0.94%。

綜合考慮模擬結果的準確性以及計算的時間成本，最終選擇1 665 254作為模擬氣液噴射器模型的計算網格數量。

1.3.2邊界條件

液相入口為速度入口邊界。氣相入口為壓力入口邊界，壓力為0.98 MPa。混合流體出口為壓力出口邊界，壓力為1 MPa。壁面條件為光滑無滑移邊界條件。

1.4 物性參數

本文的模擬是基于甲基二氯硅烷(CH4Cl2Si)與三氟丙烯(C3H3F3)反應生產三氟丙基甲基二氯硅烷的生產工藝，工作流體為液相的甲基二氯硅烷，引射流體為氣相的三氟丙烯，反應溫度為100 ℃，反應壓力1 MPa，此時氣液兩相流體的部分物性參數見表1。

表1 兩種流體部分物性參數

2 氣液噴射器模擬過程

2.1 求解方法及收斂精度設置

定義氣液噴射器的模型為穩定、壓力基以及隱式求解器。

采用基于壓力的離散求解法，利用SIMPLE算法，選擇Mixture模型且無滑移及標準k-ε湍流方程，壓力項求解采用PRESTO格式。初始化時，動量項、湍動能項和耗散率項求解采用二階迎風格式，收斂精度設為10-5。

2.2 模擬方案

為研究混合室與噴嘴出口的半徑比對氣液噴射器吸氣量的影響規律，在初始氣液噴射器模型基礎上，保持氣液噴射器的其它結構尺寸不變，僅通過改變混合室半徑實現半徑比的變化，而且在不同液相入口流速下對噴嘴出口半徑為8.0 mm、10.0 mm、11.5 mm的噴射器進行了模擬，具體模擬計算的參數條件見表2。

表2 氣液噴射器模擬計算參數條件

3 氣液噴射器模擬結果與討論

3.1 初步模擬結果

氣液噴射器壓力分布云圖、速度分布云圖和液相體積分率分布云圖分別見圖4～圖6。

由圖4～圖6所示的分布云圖可以知道，氣液噴射器的壓力和速度變化趨勢總體上同步， 工作流體流經噴嘴，壓力能轉化為動能，在較短位置上產生較大的速度梯度，在噴嘴出口處形成高速低壓區，為卷吸氣相提供條件。氣相在吸氣室進、出口壓差的作用下，被壓入混合室。在混合室內，氣液進行混合，純氣相與純液相的體積逐漸減小，而氣液混合相的體積逐漸增大，出現壓力最小值和速度最大值。最后混合流體經過擴散室，動能轉化為壓力能，混合流體壓力升高，流速緩慢降低，完成氣液兩相混合及噴射過程，得到的初步模擬結果符合噴射器的工作機理。

圖4 氣液噴射器壓力分布云圖

圖5 氣液噴射器速度分布云圖

圖6 氣液噴射器液相體積分率分布云圖

3.2 半徑比對噴射器吸氣量影響規律

對利用FLUENT軟件初步模擬所得的各項數據進行歸納整理，得到了噴嘴出口半徑r為8.0 mm、10.0 mm和11.5 mm時，在不同噴嘴出口流速v下，氣液噴射器吸氣量隨半徑比的變化曲線，分別見圖7～圖9。

圖7 r=8.0 mm 時氣液噴射器吸氣量隨半徑比變化曲線

圖8 r=10.0 mm時氣液噴射器吸氣量隨半徑比變化曲線

圖9 r=11.5 mm時氣液噴射器吸氣量隨半徑比變化曲線

由圖7～圖9所示的變化曲線可以知道，隨著半徑比m的增加，氣液噴射器的吸氣量呈先增大后減小趨勢，而且對于同一氣液噴射器結構，當噴嘴出口流速不同時，得到最大吸氣量時的半徑比也不相同。這是由于半徑比增加不僅增大了混合室的直徑，還間接增大了吸氣室出口高度。吸氣室出口高度的增大會增大氣相進入混合室的流通面積，進而增大氣相的體積流量，有利于吸氣量的增加。而混合室直徑的增大，會增大混合室內流體的流通面積，進而降低混合室內的流體流速，使得混合室內最低壓力得到提高。混合室內最低壓力的升高會減小氣相通過吸氣室進入混合室的動力，不利于吸氣量的增加。在半徑比增加的初始階段，吸氣室出口高度增大對吸氣的促進作用占主導，吸氣量逐漸增大。而當吸氣量逐漸達到最大值以后，繼續增加半徑比比值，混合室半徑增大對吸氣的不利作用占主動，吸氣量開始降低。

噴嘴出口流速v為10 m/s、13 m/s和20 m/s時，不同噴嘴出口半徑噴射器的吸氣量隨半徑比m的變化曲線分別見圖10～圖12。

圖10 v=10 m/s時氣液噴射器吸氣量隨半徑比變化曲線

圖11 v=13 m/s時氣液噴射器吸氣量隨半徑比變化曲線

圖12 v=20 m/s時氣液噴射器吸氣量隨半徑比變化曲線

由圖10～圖12可知，對出口流速相同而噴嘴出口半徑不同的噴射器，取得最大吸氣量時的半徑比相近，且該比值隨著噴嘴出口流速的增加而逐漸增大。噴嘴出口流速為10 m/s、13 m/s和20 m/s時的最優半徑比值分別為1.5、1.6～1.8和1.9～2.0。這是由于噴嘴出口流速越小，混合室內的流體越容易受到混合室半徑增大的影響，進而使得吸氣量隨半徑比的變化越早地出現降低。

4 結語

利用CFD軟件對多組不同混合室與噴嘴出口半徑比的氣液噴射器進行了數值模擬，分析了半徑比對吸氣量的影響規律，結果表明：①隨著半徑比m的增加，氣液噴射器的吸氣量呈先增大后減小趨勢。對同一氣液噴射器結構，當噴嘴出口流速不同時，得到最大吸氣量時的半徑比也不相同。②噴嘴出口處液相流速影響取得最大吸氣量時的半徑比，噴嘴出口流速越高，該比值越大，噴嘴出口流速為10 m/s、13 m/s、20 m/s時的最優半徑比值為1.5、1.6～1.8、1.9～2.0。