基于惰性煙氣脫氧法的壓載水處理引射器的模擬與優化*

（江蘇科技大學能源與動力學院 鎮江 212003）

1 引言

引射器具有結構簡單、易于維護、混合和傳質效果較好、加工容易、節能環保等一系列優點，在各個行業中應用廣泛［1～3］。在國內，許多學者研究了引射器的性能［4］，張琦［5］建立了引射器二維模型，詳細模擬了不同工作條件和結構尺寸下的引射器。祝銀海［6］等對引射器三維模型進行了模擬，在模擬中應用了四種湍流模型并分析了它們對模擬結果的影響。氣液引射器工質分為工作流體和引射流體，它通過液體射流對氣體進行抽吸和壓縮，使受限流動在通過縮小的過流斷面時，流體出現流速增大的現象，當整個涌流在同一時間內經歷管道的最窄處時，壓力在同一時間減小，進而產生壓力差，這個壓力差用于給流體提供一個外在吸力［7～8］。影響氣液引射器吸氣量的因素很多，其中引射器的結構對吸氣量的影響尤其重要，因此本文對引射器的結構尺寸對吸氣量的影響進行了模擬和優化。

2 氣-液兩相流的數值模擬

2.1 引射器的結構參數

引射器的結構盡管簡單無運動部件，但由于其內部流場流動非常復雜，導致氣液射流器的設計方法比較復雜［9］。影響引射器的吸氣量的主要結構參數有混合室直徑Dh，混合室長度H3，氣體出口直徑Dp，擴散室長度H4等，本文采用的引射器結構如圖1所示，引射器參數如表1所示。

圖1 引射器結構

2.2 氣-液兩相流模型

歐拉模型（Eulerian）［10］可以模擬多相流動及相間的相互作用，對于每一相都采用Eulerian處理。Eulerian中各相共享單一的壓力場，對于每一相都求解動量和連續性方程，通過相界面的相互作用將兩組方程耦合在一起［4］。湍流模型采用標準κ-ε模型，基于兩相均使用歐拉方法描述的歐拉模型，由此得出氣液兩相流的基本方程組。基于以上假設的Eulerian方程組如下。

連續性方程：q相的連續方程為

式中：t為時間，αq是相位體積分數，ρq是q相的物理密度，，是q相的速度，表示了從第p相到q相的質量傳遞，

動量方程：

湍流模型的標準κ-ε模型的輸運方程

2.3 邊界條件設置

模擬過程假設流體運動是連續均勻、各向同性和無相變的穩態過程；控制方程選用連續性方程和動量方程，由于引射過程時間短、熱效應很小，因此能量方程沒有求解［11］；采用ANSYS/Fluent模擬，求解器采用基于壓力藕合方程組的隱式求解器，湍流模型采用標準κ-ε湍流模型，壁面處理時采用標準壁面函數，插值求解方式均設置為二階迎風格式；網格使用四面體結構網格，并局部加密，液體入口和引射流體入口采用壓力進口邊界條件，初始壓力為0.15 MPa；混合流體出口采用壓力出口邊界條件，出口壓力設為0.132MPa；收斂條件為出口流量與進口總流量的相對偏差不超過0.01%。

2.4 三維模型及網格劃分

根據引射器的結構尺寸，利用ICEM對引射器內流域進行三維建模和網格劃分，其幾何模型和網格圖分別如圖3和圖4所示。

3 數值模擬結果

3.1 液體入口壓力對吸氣量的影響

為了驗證模擬的可信性，對不同液體入口壓力下的吸氣量進行了模擬。改變液體入口壓力，固定引射器結構尺寸：Ds=14mm，Dh=5mm，Dp=6mm，Dq=12mm；H1=28 mm，H2=7 mm，H3=6 mm，H4=34 mm，H5=28 mm，H6=27 mm，不同液體入口壓力下的X軸向位置的速度如圖4所示，液體入口壓力對吸氣量的影響如圖5所示，圖5表明，液體入口壓力從0.2MPa增大到0.4MPa時，吸氣量從4.5 m3·h-1增大到 7.1 m3·h-1。

圖4 不同液體入口壓力下的速度云圖

圖5 液體入口壓力對吸氣量的影響

3.2 混合室直徑Dh對吸氣量的影響

改變混合室直徑Dh的值，固定其他參數：Ds=14mm，Dp=6mm，Dq=12mm；H1=28 mm，H2=7 mm，H3=6 mm，H4=34 mm，H5=28 mm，H6=27 mm。如圖7所示，吸氣量隨混合室直徑Dh的增大，吸氣量先增大后減小，吸氣量在混合室直徑為6 mm時，吸氣量達到了 8.6 m3·h-1。

圖6 混合室直徑對吸氣量的影響

隨著混合室直徑增大，經歷了先增大后減小的過程，當混合室直徑約為6 mm時，此時吸氣量處于一個較大值，約為8.6 m3·h-1，隨著混合室直徑的進一步增大，吸氣量開始降低，此時引射器的處理量降低，混合室直徑應設置為6mm左右。

3.3 混合室長度H3對吸氣量的影響

改變混合室長度H3的值，固定其他參數：Ds=14mm，Dh=5mm，Dp=6mm，Dq=12mm；H1=28mm，H2=7mm，H4=34mm，H5=28mm，H6=27mm。如圖8所示，吸氣量隨混合室長度H3的增大，吸氣量先增大后減小，吸氣量在混合室長度為8mm時，吸氣量達到了 7.9m3·h-1。

圖7 混合室長度對吸氣量的影響

當混合管長度小于4mm，此時由于引射器的混合管長度較短，工作流體經過混合管時不足以產生足夠的低壓，吸氣量相對較低，使得引射器不能達到較高的吸氣量；當混合管長度為8mm時，相同條件下的流動阻力增大，此時吸氣量隨著混合管長度的增加而減小。綜合比較，考慮到混合管長度對流動阻力和吸氣量的雙重影響，混合管長度選擇范圍在7mm～9mm之間為佳。

3.4 氣體出口直徑Dp對吸氣量的影響

改變氣體出口直徑Dp的值，固定其他參數：Ds=14mm，Dh=5mm，Dq=12mm；H1=28 mm，H2=7mm，H3=6 mm，H4=34 mm，H5=28 mm，H6=27mm。如圖9所示，吸氣量隨氣體出口直徑Dp的增大，吸氣量先增大后減小，吸氣量在氣體出口直徑為7mm時，吸氣量達到了 7.8m3·h-1。

圖8 氣體出口直徑對吸氣量的影響

由模擬結果可知，隨著氣體出口直徑的增大，引射器吸氣量越來越大，隨著氣體出口直徑繼續增大，氣體出口錐角增大，引射流體的流動阻力增大，吸氣量開始減小，引射性能降低。

3.5 擴散室長度H4對吸氣量的影響

改變擴散室長度H4的值，固定其他參數：Ds=14mm，Dh=5mm，Dp=6mm，Dq=12mm；H1=28 mm，H2=7 mm，H3=6 mm，H5=28 mm，H6=27 mm。如圖10所示，吸氣量隨擴散室長度H4的增大，吸氣量增大，吸氣量在擴散室長度為50mm時，吸氣量達到了8.1m3·h-1。

圖9 擴散室長度對吸氣量的影響

4 結語

對引射器性能進行了模擬研究，分析了液體入口壓力、混合室直徑、混合室長度、氣體出口直徑和擴散室長度對吸氣量的影響，得出結論。

1）由圖4和圖5結果可知，隨著液體入口壓力的升高，混合室的速度和吸氣量也隨之增加。吸氣量隨著工作流體流量、噴嘴長度和擴散室長度的增大而緩慢上升，隨著混合室長度的增加而緩慢下降。

2）由圖6、7、8可知，隨著混合室直徑、混合室長度、氣體出口直徑的增大，吸氣量先增大后減小，分別在混合室直徑為6mm，混合室長度為8mm、氣體出口直徑為7mm時，吸氣量達到了最大。由圖9可知，隨著擴散室長度的增長，吸氣量逐漸增大。