大噴嘴充氣器充氣性能的仿真研究

吳 峰 ,孫偉成 ,史帥星 ,董干國 ,段莉莉

(1.礦冶科技集團有限公司 礦物加工科學與技術國家重點實驗室,北京 100160;2.天津市天河計算機技術有限公司,天津 300457)

當下冶金化工等行業大量的反應設備都需要空氣的參與,充氣系統設計的優劣是影響反應設備性能的主要因素,因此提高相關反應設備充氣系統的性能一直是該領域研究的重點和難點[1-2]。近年來,礦冶科技集團在多個項目的支持下,開發出壓力式充氣器并將其應用到冶金耗氧反應設備氰化槽和氧化槽充氣系統中,在現場的工業試驗和實際工程應用中均取得了較好的指標,受到業內廣泛關注,應用領域在進一步擴展[3-6]。由于冶金及化工反應設備普遍高度較高,實驗室研究無法匹擬現場實際高度,導致無法真實的獲得充氣器在實際工況下的充氣性能數據。本文在實驗室前期實驗研究的基礎上[7],利用仿真手段研究大噴嘴充氣器(出氣口徑10 mm)在真實工作環境狀況下的充氣特性,即充氣壓力和浸沒深度與充氣性能之間的關系,為大噴嘴充氣器的實際應用提供理論支持,進一步為其在實際工況應用下時相關參數的選取提供數據支撐。

1 大噴嘴充氣器的工作原理

大噴嘴充氣器的工作原理示意圖如圖1 所示。空壓機送來的高壓氣體通過充氣器的進氣口進入水平管道,進而到達前方的噴嘴處,因為氣體壓力的作用壓縮后面執行機構中的彈簧,彈簧帶動運動閥桿向后運動,使得前端噴嘴打開,高壓氣體通過噴嘴噴出進入反應設備的漿液中,并通過漿液的剪切作用產生大量小氣泡,小氣泡由于初始速度的作用向噴嘴的前方及左右方向運動,并且在浮力的作用下同步向上運動。

圖1 大噴嘴充氣器工作原理示意圖

表征大噴嘴充氣器充氣性能的參數主要有單位時間內噴射出的空氣體積流量V、氣流噴射長度L、氣流末端擴散寬度B和噴射氣泡直徑D等[8],示意圖如圖2 所示。

圖2 大噴嘴充氣器充氣性能表示示意圖

對于大型冶金設備而言,當反應所需氣量一定時,單個噴嘴噴射出的氣體體積流量決定了充氣器的配置數量,是大噴嘴充氣性能最重要的表征參數;而氣流噴射長度和末端擴散寬度則決定了充氣系統中充氣器的配置方式。

根據前期的實驗研究[5]可知,充氣壓力和噴嘴結構參數對大噴嘴噴射氣泡直徑D影響最大,其它因素影響都較小。由于充氣壓力達到一定值后,噴射的氣泡平均直徑已經滿足工業上的使用要求,同時考慮仿真計算中氣泡直徑不好評判獲取,故本文中不對其進行對比研究。

2 大噴嘴充氣器工作仿真模型的建立

由于大噴嘴充氣器工作時將高壓空氣噴射入反應液中,涉及兩種流體的變化狀態,采用CFD 流體仿真軟件對其進行模擬[9-10],反應液簡化為清水。

2.1 幾何模型

依據前期實驗室實驗結果[7],大噴嘴噴射氣體長度在500 mm 左右,末端擴散寬度也為500 mm 左右,仿真模型采用水槽橫截面為1 m ×1 m 的正方形,考慮到噴嘴噴出的氣體向下擴散的區域很小,噴嘴中心距水槽底部300 mm,噴嘴前端伸入水槽壁面100 mm,水槽的高度依據大噴嘴真實工作的浸沒深度設定,大噴嘴充氣器工作時的三維幾何模型如圖3 所示。

圖3 大噴嘴充氣器工作三維幾何模型示意圖

2.2 求解計算模型

由于大噴嘴的充氣試驗所使用的氣量較大,工作時要求具有較好的載氣條件,所以采用歐拉-歐拉模型模擬氣相與液相的流動情況。

2.3 氣泡處理方法

在計算流體力學數值模擬的商業軟件中,氣泡尺寸分析方法分為單一氣泡尺寸模型和多組氣泡尺寸模型。單一氣泡尺寸適用于氣泡流動穩定,粒子與主相的速度大小方向相同,即Storkes 數值較小的情況。多尺寸分組模型(MUSG 模型)是簡化的群體平衡模型。群體平衡模型是一種“刻畫”多相流中分散相分布的方法,能夠考慮到噴氣過程中氣泡的聚并與破碎現象,且氣泡有尺寸范圍的分布,對于提高水槽內氣含率的準確性具有一定的意義。本文中所使用的MUSIG 方法的破碎模型和聚并模型選用的分別是Luo and Svendsen 模型和Prince and Blanch 模型。

2.4 求解策略與網格無關性驗證

對于邊界條件的設置,將充氣的入口設置在噴嘴靠近槽壁處,頂部出口可以設置為主軸degassing出口邊界或Opening 開放邊界。為保證容易收斂,頂部出口設置Opening 開放邊界,定義僅允許空氣流進和流出,壓力為0 Pa。除動靜流體域的交界面外,其余邊界選擇為壁面邊界。以穩態計算方法為主,求解設定目標殘差小于10-4,或模擬至噴嘴入口流量和頂部出口流量守恒為止,數值模擬計算工作使用天津市天河計算機技術有限公司超算平臺的商業軟件完成計算。

仿真選用四面體的非結構網格,非結構網格盡管計算量較大,但具有適應性強,劃分網格單元消耗時間短等顯著優點。采用100 萬、200 萬、400 萬網格單元數的模型進行網格無關性驗證。如圖4 所示,對比了噴嘴壓充氣力為0.4 MPa,浸沒水深2 m的噴氣量情況。可以看到相比100 萬網格數,在網格200 萬的時候噴嘴噴出的氣流基本已經連續和網 格400 萬的情況已經較類似,不影響分析的精度。

圖4 不同網格單元數的氣含率分布

計算該條件下的噴嘴噴射出的氣體流量,結果見表1,表1 數據表明200 萬和400 萬網格單元數的模型氣體流量較為接近。

表1 不同網格單元數時噴嘴噴出的氣體流量

綜合計算時間和求解精度考慮,最終每2 米深度采用200 萬網格的模型方法進行大噴嘴充氣器在不同氣體壓力和不同浸沒深度條件下的仿真計算,圖5 給出了200 萬網格量的模型圖。

圖5 大噴嘴充氣器工作仿真模擬四面體網格模型

2.5 仿真變量參數

利用上面仿真模型的建立策略,本文重點對大噴嘴充氣器在實際工作條件下的充氣性能進行清水仿真研究,也即對大噴嘴充氣器實際浸沒深度和充氣壓力對充氣性能的影響,這兩個仿真變量參數如表2 所示。

表2 大噴嘴充氣器實際工況下仿真變量參數

3 仿真結果及分析

3.1 出流量隨浸沒深度及充氣壓力的變化情況

通過后處理軟件處理仿真結果,獲取到10 mm噴嘴出口截面各點的氣體流速,計算出平均氣體流速乘以噴嘴截面積即得到不同情況下的噴嘴出流量,利用繪圖軟件繪制各工況下的氣體出流量曲線圖,如圖6 所示。

圖6 浸沒深度和充氣壓力與噴嘴的出流量關系

從圖6 中可以看出,在相同的充氣壓力條件下,隨著浸沒深度的增大,噴嘴出流量在逐漸減小;在相同的浸沒深度條件下,隨著充氣壓力的增大,噴嘴的出流量在增大,這兩點變化趨勢與實驗工況下得到的結論是完全一樣的。從表中數據可以得到充氣壓力為0.3 MPa、0.4 MPa 和0.5 MPa 時,隨浸沒深度的增大噴嘴出流量的減小幅度分別為39.7%、28.4%、21.6%,可知在噴嘴浸沒深度達到實際生產量值時,出流量的減小值非常顯著,特別是在充氣壓力值較低時此影響更加不可忽略。

3.2 噴射氣流長度隨浸沒深度及充氣壓力的變化情況

通過后處理軟件,顯示不同浸沒深度及充氣壓力下仿真結果中的含氣率云圖,截取充氣器噴嘴中心豎直截面,可以看到噴嘴噴射氣流長度的變化情況,如圖7 所示。

圖7 浸沒深度和充氣壓力與噴嘴噴射氣流長度關系

在圖7 中,純紅色代表氣相,純藍色代表液相,中間的過渡顏色代表含氣率的變化,從圖中可以直觀的看出,在相同的充氣壓力條件下,隨著浸沒深度的增大,噴嘴的噴射氣流長度在逐漸的減小;在相同的浸沒深度條件下,隨著充氣壓力的增大,噴嘴的噴射氣流長度在逐漸增大。

通過提取各工況下噴嘴中心線上距噴嘴前端中心點遠近不同距離處的含氣率數據,繪制曲線圖如圖8 所示,從圖中可以看出,不同浸沒深度和充氣壓力時離開噴嘴的距離小于等于500 mm 的范圍內,其水中的含氣率都大于60%,可以認為噴嘴噴出氣體的氣流長度都大于500 mm。

圖8 浸沒深度和充氣壓力與離開噴嘴不同距離的含氣率關系

3.3 噴射氣流寬度隨浸沒深度及充氣壓力的變化情況

利用3.2 小節的方法,仍舊在顯示不同浸沒深度及充氣壓力下仿真結果中的含氣率云圖下,截取充氣器噴嘴中心水平截面,可以很清楚的看到噴嘴噴射氣流寬度的變化情況,如圖9 所示。

在圖9 中,純藍色到純紅色仍舊代表水相到氣相的變化情況,純藍色表示全是液相,純紅色代表全是氣相,中間的過渡顏色代表液相中含氣率的大小變化,從圖中可以直觀的看出,在相同的充氣壓力條件下,隨著浸沒深度的增大,噴嘴的噴射氣流寬度在逐漸的減小;在相同的浸沒深度條件下,隨著充氣壓力的增大,噴嘴的噴射氣流寬度在逐漸增大。

通過提取各工況下噴嘴中心線上距噴嘴前端中心點左右不同距離處的含氣率數據,繪制曲線圖如圖10 所示,從圖中可以看出不同浸沒深度和充氣壓力時離開噴嘴中心距離等于100 mm 的范圍內,其水中的含氣率基本都減小為0,可以認為噴嘴噴出氣體的末端擴散寬度都小于200 mm。

圖10 浸沒深度和充氣壓力與離開噴嘴中心距離的含氣率關系

4 結論

本文在分析大噴嘴充氣器的工作原理及充氣性能表征參數的基礎上,利用流體仿真軟件建立了基于實際工況的大噴嘴充氣器仿真模型,通過仿真得到大噴嘴充氣器充氣性能隨實際工作參數的變化規律,得到以下主要結論。

1)在同一浸沒深度條件下,隨著充氣壓力的增大,大噴嘴充氣器的三個充氣性能參數都相應增大,同時得到大噴嘴充氣器在實際浸沒深度量值時,浸沒深度的變化對噴氣流量的影響不可忽略。

2)在同一壓力條件下,隨著噴嘴浸沒深度的增加,噴氣流量和氣流噴射寬度在減小,氣流噴射長度也在相應的減小。

3)在所模擬的操作參數條件下,氣流噴射長度都達到500 mm,而氣流噴射寬度都小于200 mm,相對于數米或者數十米的大型反應器來講,這兩個性能表征量相對來說影響較弱。

以上規律的得出對于大噴嘴充氣器在實際應用中工作參數的選取提供重要的數據支撐。