氣液兩相引射器流場分布與液滴分布的仿真研究

王錦洋，宋天楚，覃子珍，邢馨予，萬 雷

（哈爾濱工程大學，黑龍江 哈爾濱150000）

近些年來，隨著中國經濟的迅速發展和生活水平的提高，各類垃圾的產量也急劇上升[1]。這些垃圾產生的有害氣體屬于惡臭，是七種典型公害之一（大氣污染、土壤污染、水質污染、噪聲、振動、土地下沉、惡臭），不僅會污染大氣環境而且會對人體健康產生危害[2]，因此垃圾廢氣的相關處理設備越來越受到關注。目前常見的處理方式有以下幾種：物理法、稀釋法、吸附法、吸收法、燃燒法、氧化法等[3]。現有處理方式在實際應用過程中大多存在一定缺陷，因此我們亟需一種可以用高效、低能耗的方式處理有害氣體的設備，利于節能減排與環境保護。

引射器作為一種運輸流體的裝置，其基本原理是依靠高壓流體流經引射噴嘴而形成高速射流，引射另一種低壓流體并可在裝置中進行摻混，且不需各種轉動機械，結構簡單、無需額外能耗[4]。通常引射器由于其特性多用于提高流體靜壓、尾氣降溫等方面，少用于有害氣體凈化方面。因此為了彌補空缺并尋找一種高效、低能耗的處理有害氣體的方式，根據引射器的基本原理設計了一種可以用于凈化垃圾廢氣的氣液兩相引射器。此氣液兩相引射器對垃圾廢氣采取了“稀釋擴散法”“吸收法”[3]兩級處理，即氣液兩相處理，且在旋流器的作用下可以摻混均勻，從而大幅降低排放氣體中有害氣體的含量。

1 三維模型

利用軟件SOLIDWORKS建立三維模型如圖1所示。

圖1 氣液兩相引射器三維模型圖

此氣液兩相引射器包括中空式葉片旋流器、主流管道、混合管道。所述旋流器的葉片為中空管道，不僅可以旋流氣體而且可以輸送霧化處理液，且在旋流器尾部設有霧化處理液出口；所述混合管道包括外殼與內殼，外殼上設有霧化處理液入口，內殼喉部開設霧化處理液進入口并與旋流器葉片對應。設定圖2中管道軸線方向為X軸方向，垂直于紙面方向為Z軸方向。

圖2 氣液兩相引射器內部結構圖

該氣液兩相引射器尺寸參數及設計工況如表1所示。

表1 氣液兩相引射器尺寸參數及設計工況

此引射器工作過程如圖3所示。

圖3 氣液兩相引射器凈化有害氣體過程圖

2 網格劃分

根據圖1、圖2所示三維模型圖建立計算域模型如圖4、圖5所示。

圖4 計算域模型圖

圖5 計算域模型內部結構圖

將仿真計算模型導入ANSYS ICEM中進行網格劃分如圖6所示，采取非結構化網格劃分，網格總數約為160萬，網格質量均在0.4以上。

圖6 網格劃分示意圖

3 仿真計算

本文數值仿真計算采用Ansys Fluent穩態求解器。所驗證的引射器是噴氣射流引射外界空氣的過程，因此湍流模型選取Realizable k-ε模型，重力加速度g設為9.8m/s2，方向為Y的負方向。邊界條件如表2所示。

表2 氣液兩相引射器尺寸參數及設計工況

使用Coupled算法求解，采用DPM模型追蹤霧化處理液液滴顆粒的軌跡，液滴直徑設為3μm。結算如圖7所示，主流流量0.431kg/s，次流流量0.258kg/s，出口流量0.690kg/s。根據圖7可看出在次流入口和混合氣體出口均無回流現象，即不會使有害氣體從中散出。根據圖8與圖9可看出霧化處理液液滴顆粒的運動軌跡：液滴顆粒由中空式葉片旋流器尾部噴射口噴出，由于氣流的作用先回流與旋流氣體充分摻混，再在氣流的作用下向外流動，綜合全程來看與有害氣體摻混均勻，可大幅降低有害氣體含量，滿足設計與使用需求。

圖7 X軸向速度云圖

圖8 X-Y截面霧化處理液液滴顆粒運動軌跡

圖9 Y-Z截面霧化處理液液滴顆粒運動軌跡

圖10 20°葉片偏轉角的中空式葉片旋流器

4 不同葉片角度對凈化效果的影響

為了今后更好的設計與優化，本文探究了不同旋流器葉片角度對于有害氣體的凈化效果，即分別仿真計算葉片偏轉角度為20°、40°的引射量、內部流場與霧化處理液液滴顆粒運動軌跡，并將其與葉片偏轉角度為30°的結果相比較。

4.1 不同葉片偏轉角對引射量的影響

不同葉片偏轉角對引射量的影響如表3所示。

表3 不同葉片偏轉角對引射量的影響

表3描述了隨著中空式葉片旋流器葉片偏轉角的增加，引射器的次流流量與引射系數越來越小。在葉片偏轉角為40°時，次流流量僅為0.083kg/s，不能很好地滿足對有害氣體的稀釋作用。

4.2 不同葉片偏轉角對內部流場的影響

葉片偏轉角為20°、40°時，內部流場情況如圖12所示。

圖12 20°葉片偏轉角X軸向速度分布

從圖13我們可以看到，隨著中空式葉片旋流器葉片偏轉角的增加，氣流的阻力越來越大，這也導致了葉片偏轉角為40°時次流流量較小。當葉片偏轉角為20°時，由于對氣流起旋效果不好導致混合氣流出口處出現了回流，但在實際應用過程中此處的回流并不會引起有害氣體的泄露，且三種葉片偏轉角在引射處均無回流現象，即不會使有害氣體泄露到外界空氣中。

圖13 40°葉片偏轉角X軸向速度分布

4.3 不同葉片偏轉角對液滴顆粒分布的影響

不同葉片偏轉角對液滴顆粒分布的影響如圖14-圖17所示。

圖14 20°葉片偏轉角X-Y截面霧化處理液液滴顆粒運動軌跡

圖15 40°葉片偏轉角X-Y截面霧化處理液液滴顆粒運動軌跡

圖17 40°葉片偏轉角Y-Z截面霧化處理液液滴顆粒運動軌跡

從圖中我們可以看到，隨著中空式葉片旋流器葉片偏轉角的增加，霧化處理液液滴分布越來越均勻，即與有害氣體摻混的越來越均勻，對有害氣體的清除效果越來越好。

圖16 20°葉片偏轉角Y-Z截面霧化處理液液滴顆粒運動軌跡

5 結論

本文針對一種完全自主設計的可用于凈化處理垃圾廢氣的氣液兩相引射器進行了仿真驗證與性能探究，利用SOLIDWORKS軟件進行三維模型建立，利用ANSYS ICEM軟件進行網格劃分，利用ANSYS Fluent穩態求解器進行數值仿真計算，并探究了不同葉片偏轉角度對凈化廢氣效果的影響。得到結論如下：

（1）此氣液兩相引射器引射系數可達0.599，霧化處理液液滴分布均勻，可以對垃圾產生的有害氣體進行凈化處理，使排出的氣體中有害氣體含量大幅度減少。

（2）結果表明隨著葉片偏轉角度的增加，氣流流量減小但氣流起旋效果顯著。由此設計一種性能優秀的氣液兩相引射器要兼顧這兩者。