基于Fluent的活性炭箱內氣體流場的分析

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.秦皇島北方管業有限公司 河北省波紋膨脹節與金屬軟管技術創新中心，河北 秦皇島 066004）

0 引言

近些年，我國經濟發展迅速，工業也在急速發展，但生態環境問題已經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生產中所排放的工業廢氣[1]，因此對工業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，這樣可以減少企業對均風板的開發成本，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，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，即連續性方程、動量守恒方程和湍流方程。現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為經驗常數；Cμ為湍流常數；Gb為由浮力產生的湍流動能；Gk為由層流速度梯度產生的湍流動能；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；σε為ε方程的Prandtl數；ε為湍流耗散率；μ為層流黏性系數；μt為湍流黏性系數。

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命令創建活性炭箱內的內流域場[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 網格劃分

本文中網格劃分軟件為Workbench中的Meshing軟件。在Meshing中，可以將計算網格分為結構化網格、非結構化網格和混合網格[9]。因為結構化網格生成速度快，生成的網格質量好。本文中的模型網格劃分選用結構化網格，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，求解穩態不可壓縮流。

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。且幾乎擴散到了整個均風板面，箱內氣體分布比較均勻，基本滿足實際使用需求。

2.2 速度均勻系數分析

圖4所示為不同傾角均風板的速度均勻系數，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。

圖4 不同傾斜角度速度均勻系數

均風板傾角為150°～165°時，速度的均勻系數明顯高于其他傾角，其速度均勻系數都在0.72以上，并越靠近標準平面，即離均風板越遠，速度均勻系數也越高。這表明，傾角為150°～165°之間的速度均勻度更好，氣體經過均風板后，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的氣體流場進行了數值分析可以看出，均風板傾角為150°～165°之間時，活性炭箱內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。