林劍峰，劉曉良，崔世明，朱曉健，王篤勇

（1.海軍駐上海電站輔機(jī)廠軍代表室，上海 200040；2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司711研究所，上海 200090）

鍋爐和柴油機(jī)等動(dòng)力設(shè)備會(huì)排放大量的火星顆粒，不僅對(duì)大氣環(huán)境造成污染，并且其中的燃燒顆粒還會(huì)帶來火災(zāi)隱患.國(guó)內(nèi)外都制定了相應(yīng)的法規(guī)，對(duì)排放顆粒進(jìn)行限制，并要求安裝達(dá)到一定性能指標(biāo)的火星熄滅器.目前傳統(tǒng)的火星熄滅器設(shè)計(jì)主要依賴經(jīng)驗(yàn).為提高捕集效率，火星熄滅器常采用多種分離技術(shù)相結(jié)合，實(shí)行多級(jí)分離，大大提高了分離效率，但結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的火星熄滅器更加復(fù)雜.

由于火星熄滅器內(nèi)氣固流動(dòng)的復(fù)雜性，完全從理論上建立完善的分離理論，目前還無法實(shí)現(xiàn).隨著計(jì)算流體力學(xué)（CFD）及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，借助數(shù)值計(jì)算的方法研究火星熄滅器內(nèi)氣固兩相流動(dòng)是一種有效的手段.到目前為止，國(guó)內(nèi)外已有大量的有關(guān)氣固兩相流的數(shù)值模擬計(jì)算［1－6］.本文采用Fluent軟件對(duì)某采用傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的雙級(jí)火星熄滅器內(nèi)部氣固兩相流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了分析，針對(duì)其中不足進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了該火星熄滅器性能.

1 幾何模型

本文計(jì)算的結(jié)構(gòu)如圖1所示.計(jì)算區(qū)域主要包含入口段、導(dǎo)流葉片、旋風(fēng)分離段、慣性段和出口段.計(jì)算時(shí)對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行了部分簡(jiǎn)化，忽略內(nèi)部隔板和葉片的厚度對(duì)流動(dòng)的影響.幾何模型見圖1，火星熄滅器的主要幾何參數(shù)為：進(jìn)口管直徑D1＝250mm，軸向長(zhǎng)度L＝1 700mm，最大筒體直徑D2＝500mm.

圖1 火星熄滅器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the spark arrestor

2 計(jì)算模型

計(jì)算區(qū)域采用多塊非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，計(jì)算網(wǎng)格約120萬，計(jì)算模型網(wǎng)格如圖2所示.火星熄滅器內(nèi)部流動(dòng)為復(fù)雜的三維強(qiáng)旋流動(dòng)，本文求解三維非定常RANS方程，非定常時(shí)間步長(zhǎng)Δt＝0.01s；湍流模型采用Realizablek－ε模型，取標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)；由于火星熄滅器內(nèi)部流動(dòng)馬赫數(shù)很低，認(rèn)為氣體不可壓縮且黏性系數(shù)為常數(shù)；取空氣溫度20℃，黏性系數(shù)μ＝1.81×10－5，密度ρ＝1.205kg·m－3；離散方程采用隱式分離方法求解，壓力修正采用SIMPLE算法；對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式離散，擴(kuò)散源項(xiàng)采用二階中心格式離散；計(jì)算給定進(jìn)口速度邊界條件，且假設(shè)進(jìn)口速度均勻分布，火星熄滅器設(shè)計(jì)速度為v＝30m·s－1；給定消聲器出口壓力邊界為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；壁面采用無滑移條件［7］.

盡管火星熄滅器內(nèi)部是氣相和顆粒相的分離過程，屬于兩相流動(dòng)，但是顆粒相屬于稀疏相，顆粒體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)小于10%，因此，采用歐拉－拉格朗日模型，并考慮湍流脈動(dòng)的隨機(jī)軌道模型，計(jì)算時(shí)把氣相當(dāng)作連續(xù)介質(zhì)，顆粒相作為離散介質(zhì)處理，在拉格朗日坐標(biāo)下用跟蹤顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的方法來描述運(yùn)動(dòng)，本模型為非耦合模型，忽略顆粒相對(duì)氣相的影響，在顆粒濃度較小時(shí)，能較好地跟蹤顆粒的運(yùn)動(dòng)［7］.模擬用顆粒密度為500kg·m－3，粒徑為0.1mm的均勻顆粒，顆粒質(zhì)量濃度為7g·m－3，顆粒的初始速度設(shè)為氣體的入口速度，即認(rèn)為顆粒與氣相間不存在相對(duì)速度滑移.當(dāng)顆粒運(yùn)動(dòng)到壁面時(shí)，認(rèn)為顆粒服從鏡面反射的原理；當(dāng)顆粒運(yùn)動(dòng)到排氣口邊界時(shí)，認(rèn)為顆粒逃逸；當(dāng)顆粒運(yùn)動(dòng)到顆粒捕集口時(shí)，認(rèn)為顆粒被捕集.

圖2 計(jì)算網(wǎng)格圖Fig.2 Grid for calculation

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 火星熄滅器初始設(shè)計(jì)方案的計(jì)算結(jié)果及分析

采用上述方法對(duì)該火星熄滅器的初始設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了仿真計(jì)算，得到火星熄滅器在設(shè)計(jì)流速下（v＝30m·s－1）的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和顆粒相軌跡的情況.圖3分別繪制出垂直剖面（z＝0）上的速度分布和壓力分布圖.

圖3 垂直剖面上的速度分布和壓力分布圖Fig.3 Velocity and pressure distribution on vertical section plane

在z＝0截面上切向速度分布圖可以看出，切向速度的分布基本呈軸對(duì)稱性，靠近外側(cè)壁面的切向速度較大，靠近中心的速度較低，這種流動(dòng)形式有利于將顆粒在離心力作用下甩向壁面.但切向速度仍然偏小，導(dǎo)致顆粒所受的離心力較小，在機(jī)組內(nèi)停留的時(shí)間較短，不利于顆粒的分離捕集.

向外的徑向速度越大，越有利于顆粒的分離.在z＝0截面上徑向速度的分布可以看出，徑向速度基本呈軸對(duì)稱分布，在旋風(fēng)段，由于截面縮小，壁面附近是向心的，只有在中心部分才有向外的徑向速度.

相對(duì)于切向速度和徑向速度，軸向速度的影響要小一些.在z＝0截面上從徑向速度的分布可以看出，軸向速度分布基本呈軸對(duì)稱分布.慣性段內(nèi)速度較低，中間錐體出口速度較大.

從z＝0截面總壓分布可以看出，總壓呈軸對(duì)稱分布；葉片出口截面外側(cè)總壓較高，中心總壓較低，總壓損失較大；慣性段攔截板中的壓力損失較大.火星熄滅器的阻力損失主要包括以下幾部分：

（1）進(jìn)入火星熄滅器本體時(shí)氣體膨脹所產(chǎn)生的損失.

（2）在火星熄滅器本體中氣流旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能損失.

（3）在火星熄滅器本體中由于氣流與壁面的摩擦造成的損失.

（4）排氣管口處的壓力損失.

整體來看，顆粒的運(yùn)動(dòng)狀況非常復(fù)雜，且?guī)в泻艽蟮碾S機(jī)性.因?yàn)轭w粒在旋風(fēng)分離器內(nèi)除受氣流曳力外，還受到顆粒與顆粒、顆粒與器壁間的碰撞彈跳以及凝聚、破碎、吸附和靜電等的影響，是十分復(fù)雜的.捕集效率和顆粒大小、粒徑分布、顆粒密度、流體密度和機(jī)組內(nèi)流場(chǎng)分布密切相關(guān).從圖4粒徑為0.1mm的顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡看，由于葉片出口氣流切向速度較小，顆粒的旋轉(zhuǎn)螺距較大，直接影響旋風(fēng)段的分離效果，導(dǎo)致捕集效率偏低.

圖4 初始樣機(jī)粒徑為0.1mm顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡圖Fig.4 Tracks of 0.1mm particles of original scheme

圖5 垂直剖面上的速度分布和壓力分布圖Fig.5 Velocity and pressure distribution on vertical section plane

初始樣機(jī)在設(shè)計(jì)流量下的仿真結(jié)果如表1所示.

表1 初始樣機(jī)仿真結(jié)果Tab.1 Simulation results of the original scheme

3.2 火星熄滅器改進(jìn)設(shè)計(jì)方案的計(jì)算結(jié)果及分析

初始設(shè)計(jì)方案的計(jì)算結(jié)果表明：旋風(fēng)段內(nèi)切向速度偏小，慣性段內(nèi)擋板間逃逸的顆粒量偏大，導(dǎo)致捕集效率偏低，需對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn).改進(jìn)措施為：減小旋風(fēng)段長(zhǎng)度，增加葉片長(zhǎng)度、安裝角度和葉片數(shù)，增加慣性段內(nèi)攔截板的數(shù)量和角度，儲(chǔ)灰槽布置位置和尺寸進(jìn)行了改進(jìn)，使樣機(jī)整體尺寸和質(zhì)量明顯減小，并對(duì)改進(jìn)的模型進(jìn)了仿真計(jì)算，計(jì)算方法采用和上述一致的方法，改進(jìn)后的流場(chǎng)和壓力分布如圖5所示，粒徑為0.1mm顆粒運(yùn)動(dòng)軌道見圖6.

圖6 改進(jìn)樣機(jī)粒徑為0.1mm顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡圖Fig.6 Tracks of 0.1mm particles of improved scheme

改進(jìn)后，速度、壓力場(chǎng)分布明顯改善，仿真結(jié)果如表2所示.

表2 改進(jìn)樣機(jī)計(jì)算結(jié)果Tab.2 Simulation results of the improved scheme

4 結(jié)論

將采用相間耦合的隨機(jī)軌道模型在拉格朗日坐標(biāo)下對(duì)顆粒的運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行數(shù)值模擬，這在一定程度上反映出了顆粒運(yùn)動(dòng)的物理機(jī)制.通過對(duì)初始設(shè)計(jì)方案和改進(jìn)設(shè)計(jì)方案的計(jì)算，結(jié)果表明：

（1）本文通過對(duì)初始設(shè)計(jì)方案仿真結(jié)果的分析，旋風(fēng)段內(nèi)切向速度偏小，慣性段內(nèi)擋板間逃逸的顆粒量偏大，導(dǎo)致捕集效率偏低.

（2）針對(duì)初始設(shè)計(jì)模型流場(chǎng)的不足，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后火星熄滅器的捕集效率顯著提高，整體尺寸和質(zhì)量也大大降低.因篇幅所限，相關(guān)的試驗(yàn)研究將在后續(xù)工作中進(jìn)一步展開.

（3）火星熄滅器傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)存在一定的局限性，本文的仿真方法能夠較好地預(yù)測(cè)火星熄滅器內(nèi)部?jī)上嗔鲃?dòng)，對(duì)火星熄滅性能預(yù)測(cè)和對(duì)改進(jìn)火星熄滅器設(shè)計(jì)提供有意義的參考.

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