基于文丘里噴嘴對濾芯反吹效果影響的數值模擬研究

李彩霞 尤 超 張立峰 西部寶德科技股份有限公司 西安 710201

目前，電廠、化工、冶金等幾種特定的行業里都會應用到過濾器，包括增壓流化床燃燒聯合循環發電技術PFBC和新一代煤氣化聯合循環發電技術IGCC等在內的先進潔凈煤技術，都需要過濾技術作支撐，防止含塵氣體進入燃氣輪機，引起燃氣輪機葉片的磨損，影響燃氣輪機葉片的壽命及工作效率。當過濾設備運行一段時間后，濾芯外側會累積大量的灰塵，影響過濾器的性能，這就需要使用反吹系統定時或不定時地去清理。文丘里噴嘴作為反吹系統的主要零部件，其性能優劣對于反吹系統是否能正常發揮作用是至關重要的，因此，明確文丘里噴嘴的結構參數對噴吹性能的影響是亟待解決的問題。

隨著計算機水平和計算流體力學分支的發展，數值模擬技術由于費用低、使用簡單方便、能提供結構內部的具體流動狀況等優點，已經被廣泛應用到各領域中[1-2]。通過流體力學計算，可以模擬反吹氣體經過文丘里噴嘴的流動過程，能夠有效地探究文丘里噴嘴各部分結構參數對反吹性能的影響，從而大大減少研發費用，且可以得出具有指導性意義的結論。目前，文丘里噴嘴的設計和研發都是基于實驗和經驗，由于受商業機密的限制，很多石油化工工業上使用的文丘里噴嘴結構還未公諸于眾。而噴嘴內部流動情況非常復雜，實驗的方法又無法取得突破性的進展，而數值模擬技術剛好可以避免工業操作條件的束縛，成為研究文丘里噴嘴性能的重要工具。

北京理工大學的張艷芳、李玉平[3]通過應用文獻中的壓降計算公式，研究了文丘里除塵器管內壓降隨喉管長度變化的關系，應用William Licht推薦的捕集效率模型來計算除塵效率，并進一步研究了除塵效率隨喉管長度變化而變化的趨勢。西北農林科技大學的孫艷琦、牛文全[4]通過CFD的方法，研究了文丘里施肥器的結構參數對局部水頭損失系數以及吸肥比的影響。然而，之前關于文丘里噴嘴的研究并沒有涵蓋文丘里噴嘴各部分的結構參數對其除塵性能的影響，也缺乏對其除塵方面的性能進行系統的研究。本文以氮氣為工質，采用了數值仿真的方法，研究文丘里管在反吹除塵方面的性能，得到其結構參數對反吹性能的影響規律。

1 理論基礎

1.1 基本控制方程

解決流動問題，FLUENT是通過求解質量和動量守恒方程來實現的。如果是湍流問題，還有相應的輸運方程需要求解，下面給出基本控制方程[5]。

（1）連續性方程：

（2）動量守恒方程：

1.2 湍流模型

當流速增大到一定程度，會發生湍流現象。湍流是一種很不穩定的流動現象，內部各點存在速度波動，這使得流體介質之間相互交換動量、能量，同時各點的濃度也在發生變化。由于這種波動是小尺度且是高頻率的，所以在實際工程計算中，如果直接模擬，采用對計算機的要求會很高，通常可采用統計平均的手段來簡化問題，從而降低對計算機的要求。但是，簡化后的方程可能包含未知的變量，湍流模型需要用已知變量來確定這些未知變量。湍流模型基本上可以分為以下三類：①湍流輸運系數模型；②建立湍流應力和其它二階關聯量的輸運方程，拋棄了湍流輸運系數的概念；③大渦模擬。本文采用的是標準k－ε方程，是最簡單完整的湍流模型，是兩方程的模型，適用范圍非常廣。

標準k－ε模型的湍動能k和耗散率ε方程為如下形式：

式中，Gk為平均速度梯度引起的湍動能，Gb為指浮力引起的湍動能，YM為可壓湍流脈動膨脹造成的總的耗散率，C1ε=1.4，C2ε=1.92，C3ε=0.09，σk=1.0，σε=1.3。

2 文丘里噴嘴的數值模擬

2.1 計算模型

反吹結構包括文丘里噴嘴和濾芯兩個主要部件，具體的連接結構見圖1。

圖1 文丘里噴嘴和濾芯的連接結構

本文的主要研究對象是文丘里噴嘴，分別探究文丘里噴嘴的入口處是否有直邊段H、入口錐角的角度α、喉管段的直徑d和長度L以及出口擴口的半徑R對濾芯反吹效果的影響。文丘里噴嘴的結構圖見圖2。

圖2 文丘里噴嘴的結構

通過改變上述各參數，來研究各結構參數對出口氣速的影響，進而得出對反吹效果的影響。各個參數的取值范圍見表1。

表1 各參數取值表

2.2 求解策略

采用標準的k－ε模型來模擬噴嘴及濾芯內的流動情況。關于網格的劃分問題：采用的是非結構化網格來離散幾何模型的計算區域，再考慮邊界層給流動和換熱帶來的影響。設置邊界條件時，將入口設置為速度入口，出口設置為壓力出口。反吹介質采用0.45 MPa、50 ℃的氮氣，定義當殘差絕對值小于10-3，計算結果收斂。

3 結果與分析

3.1 網格無關性

為了研究網格數量與文丘里噴嘴噴吹性能之間的關系，分別使用200萬~800萬等七套網格來進行模擬分析，以入口流速u=20 m/s為基準進行計算。網格數量對文丘里噴嘴的噴吹性能的影響見圖3。

圖3 出口氣速與網格數量的關系圖

從圖中可以看出，隨著網格數量的增加，出口氣速趨于平穩，呈一條近似水平的直線，計算所得出口氣速最大相差2.4%，即文丘里噴嘴的噴吹性能與網格的劃分無關；當網格數量達到400萬時，此時計算結果已經趨于穩定，計算量也不算太大，因此，最終選用該套網格。

3.2 各因素對文丘里噴嘴噴吹性能的影響

3.2.1 入口速度對文丘里噴嘴噴吹性能的影響

分別計算入口速度為20 m/s及40 m/s兩種情況下文丘里噴嘴內反吹氣體的流動情況。入口速度對噴吹性能的影響見圖4。文丘里橫截面處的速度云圖見圖5。

圖4 入口速度對噴吹性能的影響

通過對比計算數據發現，經過文丘里噴嘴的提速，反吹氣在文丘里噴嘴的喉管段速度達到最大值，然后氣速開始逐漸減小。在入口速度為20 m/s時，氣體在喉管處的最大氣速可達到75 m/s，在到達距離入口0.8 m的位置，氣速減小到20 m/s，在距離入口4 m的出口處，氣速減小到15 m/s；在入口速度為40 m/s時，氣體在喉管處的最大氣速可達到150 m/s，在到達距離入口0.8 m的位置，氣速減小到40 m/s，在距離入口4 m的出口處，氣速減小到35 m/s。且反吹氣在出口面的中心區域速度最大，沿著徑向速度逐漸減小。

3.2.2 文丘里管各結構參數對噴吹性能的影響

（1）通過建立入口處有直邊段（H=19 mm）和沒有直邊段（H=0 mm）兩種文丘里噴嘴模型來探究入口處有無直邊段對噴吹性能的影響，計算結果表明：入口處有無直邊段對文丘里噴嘴的噴吹效果影響不大。直邊段對噴吹性能的影響圖見圖6。

（2）通過建立三種不同入口角度的文丘里噴嘴模型，來探究入口段的角度對噴吹性能的影響，計算結果表明：入口段的張角越小，噴吹范圍略遠，但是影響程度不大。入口錐角對噴吹性能的影響圖見圖7。

圖7 入口錐角對噴吹性能的影響

（3）通過分別建立三種不同喉管直徑的文丘里噴嘴模型，來探究喉管段的直徑對噴吹性能的影響，計算結果表明：喉管段的直徑越小，噴吹性能越好，具體體現在喉管段的直徑越小，反吹氣體在喉管段的速度峰值越大。喉管直徑對噴吹性能的影響圖見圖8。

圖8 喉管直徑對噴吹性能的影響

（4）通過分別建立三種不同喉管長度的文丘里噴嘴模型，來探究喉管段的長度對噴吹性能的影響，計算結果表明：喉管長度越短，噴吹范圍略遠，但是影響程度也不是不大。這是由于喉管長度越短，反吹氣體在喉管處受到的阻力越小，相應的反吹氣體最終的噴吹范圍就越遠。喉管長度對噴吹性能的影響圖見圖9。

圖9 喉管長度對噴吹性能的影響

（5）通過建立三種不同出口擴口半徑的文丘里噴嘴模型，來探究文丘里噴嘴的出口擴口半徑對噴吹性能的影響，計算結果表明：出口擴口半徑越小，噴吹氣體速度衰減的越慢。出口擴口半徑對噴吹性能的影響圖見圖10。

圖10 出口擴口半徑對噴吹性能的影響

4 結語

通過對不同入口速度及不同結構參數下的文丘里噴嘴進行數值模擬研究，得出如下結論：

（1）反吹氣體經過文丘里的提速在喉管處速度達到峰值，是入口速度的3.75倍。

（2）在一定的范圍內，喉管直徑越小，反吹氣在文丘里喉管處的峰值越大。

（3）喉管長度越短，反吹氣體的噴吹范圍越遠。

（4）漸縮段錐角越小，反吹氣體的噴吹范圍越遠。

（5）出口卷邊的半徑越小，噴吹氣體在一定的范圍內速度衰減越慢。

（6）入口處是否有直邊、喉管段的長度對噴嘴的噴吹性能影響不大。