基于CFD防爆工程車廢氣處理箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

張思婉，申 超

（1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.中船重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015）

1 引言

煤礦井下會積存有瓦斯、煤塵等易燃易爆的物質(zhì)，當(dāng)防爆工程車井下運行時，其動力系統(tǒng)—柴油機本身會產(chǎn)生高溫或者火花引燃這些危險物質(zhì)，產(chǎn)生爆炸，而其中又以排氣系統(tǒng)的廢氣危害最為嚴(yán)重。在這個安全為生產(chǎn)加工的前提條件的時代，對柴油機的技術(shù)要求就會越來越高[1]。隨著現(xiàn)代化采礦技術(shù)的發(fā)展，井下防爆運輸設(shè)備將會成為未來的發(fā)展趨勢。因此，研究防爆車輛發(fā)動機廢氣防爆技術(shù)，對于國內(nèi)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和實踐都有很重要的指導(dǎo)意義。國內(nèi)外學(xué)者對此進行了一定研究：文獻[2]分析發(fā)動機排氣管布置形式對排氣溫度的影響；文獻[3]基于數(shù)值仿真，對氣體和液體之間的融合換熱過程進行分析；文獻[4]基于CFD分析技術(shù)，對廢氣處理阻火氣結(jié)構(gòu)進行分析，以圓弧過渡代替直角，達到提高效率的目標(biāo)；文獻[5]對廢氣處理箱內(nèi)的氣液兩相流熱交換過程分析，以實現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)防爆工程車輛發(fā)動機總成布置結(jié)構(gòu)，結(jié)合氣液換熱過程，對廢氣處理箱進行初步設(shè)計；基于CFD分析阻煙隔板、氣體進入速度、初始液面高度等對廢氣處理箱性能的影響，以液體含氣量作為目標(biāo)值，獲得最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，基于防爆發(fā)動機試驗臺架，對優(yōu)化前后廢氣處理箱的能量消耗進行分析，用以檢驗優(yōu)化設(shè)計的可靠性。

2 廢氣處理箱結(jié)構(gòu)

因為煤礦井下存在各種可燃性氣體和煤炭、瓦斯等易燃易爆的物質(zhì)，所以防爆車輛發(fā)動機不同于一般發(fā)動機，需要對其結(jié)構(gòu)進行改裝，考慮到整機防爆性能，對進氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、啟動系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、燃油箱等都要進行防爆技術(shù)改裝，使之能在井下安全運行[6-7]。防爆車輛發(fā)動機總成結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 防爆車輛發(fā)動機總成圖Fig.1 Explosion-Proof Vehicle Engine Assembly Diagram

從圖可知，防爆發(fā)動機排氣系統(tǒng)主要是由水夾層排氣管、波紋管、廢氣凈化器、阻火器、廢氣處理箱等部分組成。從排氣歧管排出的空氣經(jīng)過水夾層排氣歧管的冷卻，再經(jīng)過廢氣凈化器和廢氣處理箱的二級凈化處理，最后從排氣阻火器消滅火花后排出。廢氣處理箱是尾氣凈化和冷卻的一種裝置，主要有兩種形式，即水洗式廢氣處理箱和干式廢氣處理箱[8]。水洗式廢氣處理箱是指廢氣處理箱內(nèi)部有個水箱，這個凈化水箱進一步冷卻廢氣，熄滅廢氣中的火焰，消除碳煙及溶解水中的有害氣體。所研究車輛使用的廢氣處理箱，如圖2所示。

圖2 原廢氣處理箱結(jié)構(gòu)Fig.2 Original Waste Gas Treatment Tank Structure

3 基于CFD廢氣處理箱因素分析

3.1 內(nèi)部增加阻煙板

當(dāng)廢氣處理箱內(nèi)部不安裝任何構(gòu)件的時，高溫?zé)煔鉀_入水箱內(nèi)部，在進口處形成空隙，隨著空隙的逐漸擴大，氣膜到達一定程度時破裂在水箱內(nèi)發(fā)生氣液混合運動。但是從整體看來，運動比較平穩(wěn)，氣體分布不均勻的現(xiàn)象還不是很明顯，這就會導(dǎo)致氣液混合不均勻，液體不會起到良好的凈化廢氣雜質(zhì)的作用[9]。安裝阻煙板后三維網(wǎng)格圖，如圖3 所示。模擬時間從t=0.1s 到t=0.6ss時刻流動形態(tài)，如圖4所示。

圖3 安裝阻煙板三維網(wǎng)格圖Fig.3 Install a Three-Dimensional Grid of Smoke Traps

圖4 煙氣進入水池的流動形態(tài)Fig.4 Flow Pattern of Flue Gas Entering the Pool

圖中可以看出氣液混合更加劇烈，這是因為氣體從進口流入經(jīng)過小孔流出形成了更為復(fù)雜的氣液混合流動，在一定程度上存在著氣體的旋流現(xiàn)象，氣液混合更加劇烈，從而可以推出氣液混合時水對于煙氣的凈化效果更加明顯。阻煙板的存在一方面破碎氣泡減小了氣泡的集聚現(xiàn)象一方面能使氣泡通過分散進入液池右側(cè)，在右腔室內(nèi)發(fā)生混合運動，液體也同時可以向反向運動。

內(nèi)部構(gòu)件對高溫?zé)煔膺M入水池水汽混合形態(tài)的影響比較明顯。沒有內(nèi)部構(gòu)件時，液池內(nèi)波動平緩，液面比較穩(wěn)定。有阻煙板時，氣液混合更加劇烈，加裝內(nèi)部構(gòu)件的結(jié)構(gòu)增強了氣相與液相之間的相互擾動，有效的促進了氣泡的破碎和氣液兩相之間的摻混。

內(nèi)部阻煙板均布小孔，使得周圍出現(xiàn)了液相的反折運動，延緩了氣泡在液池中的運動速度，延長了氣體與液體相互混摻的時間，增強了凈化效果；最后內(nèi)部阻煙板使得含氣量在y方向的分布更加均勻，有利于增加氣液之間的接觸面積，增強傳質(zhì)傳熱。安裝阻煙板前后流速分布圖，如圖5所示。

圖5 安裝阻煙板前后渦流區(qū)放大圖Fig.5 Magnified View of Vortex Area Before and After

圖中可知看出，畫圈區(qū)域為局部渦流矢量場，從圖中可以看出氣液湍動流場內(nèi)回流區(qū)的產(chǎn)生與發(fā)生，阻煙板上有很多均勻的小孔，可以破碎水池內(nèi)流動的大氣泡，塊狀氣泡在此區(qū)域形成并且破碎，造成氣液兩相在液池內(nèi)產(chǎn)生回流。氣體依靠初速沖擊液面，氣體的湍流流動引起了液體的湍流流動，液池同時可以反折流動。從圖中也可以看出，分隔板之間氣液兩相混合流場十分紊亂，相間擾動劇烈，促進了氣液間的動量交換。氣液兩相在構(gòu)件層之間均產(chǎn)生回流，回流作用有利于強化氣液間的混合效果。

如從t=0.1s至t=0.6s時刻安裝阻煙板前后y方向含氣量對比圖，如圖6所示。

圖6 含氣量對比圖（t=0.6s）Fig.6 Gas Content Comparison Chart

在y方向含氣量對比圖中可以看出從t=0到t=0.6s時，安裝阻煙板的結(jié)構(gòu)的氣體含氣量在y方向時，內(nèi)部含氣量大約從0.5420增加到0.5560，整體上呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢，但是沒有安裝阻煙板的結(jié)構(gòu)則是從（0.02～0.68）范圍內(nèi)變化，變化趨勢非常劇烈。

3.2 控制氣體進入水池速度

假定所有的外界影響因素不變，初始時刻靜態(tài)水位取做水池的一半為334mm，改變進入水箱內(nèi)部的氣體流速，取氣體流速為10m/s、13m/s、15m/s（原定初始時刻流速）、17m/s、20m/s，分別模擬出從t=0.1s到t=0.4s時刻各流速下y方向含氣量的分布圖，如圖7所示。

圖7 t=0.4s各進氣流速下時均含氣量變化圖Fig.7 The Change of Gas Content at Each Inlet Flow Rate t=0.4s

由圖7 的曲線走勢可以看出，隨著進口氣速的增加時均含氣量逐漸增加，這是因為隨著時間的推移，進入水箱系統(tǒng)的氣體逐漸增加，氣體流量的增加使得系統(tǒng)內(nèi)的整體含氣量逐漸增加的緣故；同時氣體流速的增加使得進氣管產(chǎn)生的氣體氣泡直徑增大，可能會導(dǎo)致液相湍能耗散率的增大，氣液之間的接觸面積增大。

設(shè)定監(jiān)測線x=200mm（即在水箱系統(tǒng)的中折線處），監(jiān)測此監(jiān)測線上的y方向含氣量對比圖，如圖8（a）所示。t=0.4s整體含氣量隨進口流速變化圖，如圖8（b）所示。

如圖8含氣量在監(jiān)測線y方向分布圖，在這五個轉(zhuǎn)速下存在一個交點，含氣量大約在（0.55～0.57）范圍之間，在模擬系統(tǒng)y=250mm處。從圖中可以看出，在氣液平衡位置以下，廢氣處理箱系統(tǒng)內(nèi)的整體含氣量隨著進口流速的增加而增加；在氣液平衡位置以上，廢氣處理箱系統(tǒng)內(nèi)的整體含氣量隨著進口流速的增加而降低。即較高氣速下上部空間的氣含量低而帶液量增加。液面穩(wěn)態(tài)位置以上，進氣流速較高的瞬時含氣量要小于進氣流速較低的瞬時含氣量。這說明：在較高的流速下，池內(nèi)的氣泡尺寸較大，且氣體動量較大，液面氣泡破碎濺射的液滴較多，而且能夠更容易被氣體攜帶至上部空間。

圖8 含氣量變化Fig.8 Variation of Gas Content

3.3 初始液體高度

為了研究初始時刻液位對整體廢氣處理箱系統(tǒng)水汽兩相含氣量的影響，分別取作初始時刻液位為195mm、210mm、225mm、240mm、255mm 來分別模擬對應(yīng)的初始液位在t=0.4s 時刻監(jiān)測線y方向上的含氣量分布，通過記錄每個y值處含氣量的值繪制出各初始液位下（t=0.4s）時刻處的其含量變化曲線，如圖9所示。

圖9 不同初始液位下y方向含氣量分布Fig.9 Distribution of Gas Content at Different Initial Level

從圖中得到結(jié)論：隨著初始液位高度的增加，在氣液平衡位置以上隨著初始液位的增加，對應(yīng)y值下的含氣量逐漸下降，對應(yīng)y值下的含氣量卻逐漸上升。分析原因如下：氣體通過進氣管進入液池內(nèi)，液位增加肯定會導(dǎo)致進氣管在液池內(nèi)的浸沒深度增加，從而增加了氣體穿越液池的深度。

3.4 優(yōu)化結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)以上分析，對原設(shè)計進行優(yōu)化，新設(shè)計結(jié)構(gòu)，如圖10所示。采用廢氣凈化器和水稀釋廢氣處理箱的二級凈化方式，從而達到理想的廢氣凈化結(jié)果。

圖10 新型廢氣處理箱裝配圖Fig.10 New Exhaust Gas Treatment Tank Assembly

同時，在廢氣進入水箱箱體之前安裝有防爆柵欄，防爆柵欄利用間隙隔爆原理消滅火星，從而在進入廢氣處理箱箱體之前消滅火花，所以減少了箱體的制造加工難度和精度。在整體布局上，箱內(nèi)隔板將箱體內(nèi)部分為兩個腔室，進氣口腔室和排氣口腔室。隔板上均勻密布小孔，水汽通過隔板小孔實現(xiàn)箱體內(nèi)的循環(huán)流動。進氣管壁面開消音孔，出口處設(shè)有用于破碎氣泡的網(wǎng)篩結(jié)構(gòu)，進氣管下部設(shè)有擋水柱，減少了箱體底部的承壓能力，避免了高溫廢氣直射入箱體底部對箱體的損壞，提高了壽命。所述廢氣處理箱被中間隔板劃分為左腔室和右腔室，右腔室主要包括了進氣系統(tǒng)部分。主要由一級進氣管、底部擋水柱、一級逆流管、套管等組成。一級進氣管做成是消音器，主要用于消滅噪音。底部擋水柱安裝在正對一級進氣管的箱體底部防止高溫?zé)煔庵苯記_擊箱體底部。

4 廢氣處理箱試驗測試

防爆柴油機臺架試驗使用防爆柴油機本體及水力測功機搭建起來的一個功率扭矩測試試驗臺。

測功機是用于測試柴油機、汽油機、電動機、汽輪機等各種動力機械有效的設(shè)備，同時也是動力機動力特性試驗以及各類傳動機械試驗中的測試設(shè)備。試驗臺，如圖11所示。打開進水閥，改變進、排水閥開度，調(diào)節(jié)測功機工作腔中的水環(huán)厚度，注意在測功機工作過程中，要保持進水量不能間斷。當(dāng)發(fā)動機的工況穩(wěn)定時，使發(fā)動機按照100rpm的轉(zhuǎn)速遞減，直到發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1300rpm，記錄每個轉(zhuǎn)速點的負荷。

圖11 防爆柴油機臺架結(jié)構(gòu)圖Fig.11 Structure of the Explosion-Proof Diesel Engine Bench

通過安裝原設(shè)計和新設(shè)計方案，獲得發(fā)動機的功率和扭矩輸出，如圖12所示。

圖12 兩種方案對比Fig.12 Comparison of the Two Schemes

通過功率和扭矩對比圖可以知道，在試驗所測的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，新方案的功率扭矩＞原設(shè)計方案柴油機功率扭矩，與原方案相比，新方案的發(fā)動機在最大功率點功率上升了4.0%，在最大扭矩點扭矩上升了1.4%，這說優(yōu)化設(shè)計方案在滿足防爆要求的同時，有利于提升發(fā)動機的效率。

5 結(jié)論

基于CFD對初步設(shè)計的廢氣處理箱進行影響因素分析，在此基礎(chǔ)上對設(shè)備進行優(yōu)化設(shè)計，在試驗臺架上對比優(yōu)化前后對發(fā)動機輸出特性影響，結(jié)果可知：

（1）廢氣處理箱內(nèi)增加阻煙板，可以改變氣體流動的路徑，增加旋流，使得發(fā)動機排放的廢氣和液體混合的更為充分和劇烈，效果更好；

（2）隨著進氣流速的增加，液體的含氣量降低，箱體上部的液體更多，液體更容易通過進氣口進行反流，因此需要增加擋水板；

（3）當(dāng)箱體內(nèi)的初始液位比較高時，廢氣和液體混合的更加充分，液體的含氣量更高，而過高的液面則容易造成外濺，因此需要增加水浮進行控制；

（4）與原方案相比，新方案的發(fā)動機在最大功率點功率上升了4.0%，而最大扭矩上升了1.4%，這說優(yōu)化設(shè)計方案在滿足防爆要求的同時，有利于提升發(fā)動機的效率。