夏芃力 孔慶森 劉麗艷

(1.天津市化工設(shè)計(jì)院；2.天津大學(xué)化工學(xué)院)

化工生產(chǎn)排放的氣體中經(jīng)常含有產(chǎn)品液滴或固體小顆粒，若直接排放，則可能腐蝕下游設(shè)備，誘發(fā)振動(dòng)造成力學(xué)失效，或出現(xiàn)浪費(fèi)原料及污染大氣等現(xiàn)象。近年來(lái)，國(guó)外一種新型除污節(jié)能設(shè)備——折流板式除霧器被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，該設(shè)備可有效地從氣流中分離出夾帶的微小液滴和固體顆粒，進(jìn)而改善生產(chǎn)條件、減少環(huán)境污染。由于該類分離器的材料和結(jié)構(gòu)尺寸多種多樣，且具有高效節(jié)能、工作穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固耐用及可常規(guī)設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，同時(shí)還能適于高氣速、高液載和各種粘性液體，因而被廣泛應(yīng)用于冶金、化工及煉油等工業(yè)領(lǐng)域。

1939年國(guó)外學(xué)者首次對(duì)折流板除霧器進(jìn)行研究，隨后研究者們分別采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法對(duì)折流板除霧器流場(chǎng)進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)值模擬流場(chǎng)的可靠性[1～3]。隨著折流板除霧器應(yīng)用的工業(yè)化和大型化，出現(xiàn)了設(shè)備坍塌、斷裂等力學(xué)問(wèn)題，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效益和安全[4，5]。目前，工業(yè)生產(chǎn)中折流板的力學(xué)性能受到設(shè)備運(yùn)行狀況及約束等因素的影響，很難實(shí)現(xiàn)直接測(cè)量和分析，針對(duì)這一問(wèn)題尚未開(kāi)發(fā)出有效的解決方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值模擬方法得到廣泛關(guān)注。流固耦合數(shù)值模擬技術(shù)可直接提取設(shè)備內(nèi)部流場(chǎng)和載荷分布，加載到力學(xué)計(jì)算過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)力學(xué)計(jì)算準(zhǔn)確加載，實(shí)時(shí)捕捉工作狀態(tài)。Tang D M等針對(duì)流固耦合技術(shù)進(jìn)行研究，對(duì)比了線性理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并將其應(yīng)用于超音速壓氣機(jī)的分析中，在更接近真實(shí)的工作狀態(tài)下得到較理想的研究結(jié)果[6～8]。折流板除霧器的坍塌失效機(jī)理比較復(fù)雜，研究流場(chǎng)穩(wěn)態(tài)情況下折流板的受力和應(yīng)力分布情況，可為進(jìn)一步研究除霧器失效機(jī)理奠定基礎(chǔ)。筆者采用流固耦合數(shù)值模擬方法，計(jì)算除霧器內(nèi)流體壓力場(chǎng)，加載到固體計(jì)算域，分析固體折流板受力情況，研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)折板力學(xué)性能的影響，并得到最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，為其工業(yè)應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 數(shù)值模擬

1.1模型及網(wǎng)格

采用ANSYS軟件對(duì)折流板除霧器進(jìn)行流固耦合數(shù)值模擬，實(shí)際工作過(guò)程中單片折流板的受力情況基本相同，為減少計(jì)算時(shí)間和計(jì)算量，只取其中一片折流板為研究對(duì)象，模擬該折流板兩側(cè)流場(chǎng)，將流場(chǎng)載荷加載到折流板上進(jìn)行受力分析，圖1a給出單片折流板的計(jì)算模型。采用ICEM軟件對(duì)流體和固體的計(jì)算域生成六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，彎折處和約束處對(duì)流體和固體進(jìn)行網(wǎng)格加密處理(圖1b、c)，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行了敏感性分析和網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)。圖2給出了進(jìn)口氣速為5m/s時(shí)，折流板上、下兩側(cè)流體通道中心位置橫截面流場(chǎng)壓力分布。由圖2可見(jiàn)，折流板上、下兩側(cè)通道內(nèi)的流場(chǎng)分布基本相同，靠近進(jìn)口處壓力均較大，在每一個(gè)彎折處折流板兩側(cè)的壓差較大，隨著流體的流動(dòng)，折流板兩側(cè)通道內(nèi)的壓力均逐漸減小，兩側(cè)的壓差也隨之減小。但總體上兩側(cè)通道壓力場(chǎng)分布基本一致。

圖1 數(shù)值模型建立以及網(wǎng)格劃分

a. 折流板上側(cè)

b. 折流板下側(cè)圖2 進(jìn)口氣速5m/s時(shí)折流板兩側(cè)壓力分布

1.2數(shù)值模擬條件

1.2.1流體邊界條件

流體介質(zhì)選取25°C時(shí)空氣-水體系，空氣為連續(xù)相，水滴為分散相。連續(xù)相進(jìn)口條件為速度進(jìn)口；出口條件為壓力出口；壁面條件為無(wú)滑移，絕熱。離散相進(jìn)口條件為速度進(jìn)口，速度與連續(xù)相相同，在進(jìn)口均勻分布；出口條件為壓力出口；壁面條件為與壁面相互作用模型選用Stick-to-wall模型。

1.2.2固體邊界條件

折流板的載荷由流體計(jì)算結(jié)果給出，折流板約束為4個(gè)螺栓孔，在螺栓孔處采用ANSYS Workbench中Cylindrical Support約束折流板上4個(gè)螺栓孔，半徑和軸向固定，切向自由。

1.3流體控制方程

結(jié)合實(shí)際情況和合理的計(jì)算時(shí)間，對(duì)流體做出如下假設(shè)：

a. 進(jìn)入折流板氣速不大于7m/s，可視為不可壓縮氣體；

b. 液滴粒徑可做球體處理，忽略液滴聚合、蒸發(fā)和摩擦的影響；

c. 液體顆粒撞擊到壁面上即認(rèn)為被捕集，不考慮壁面水膜的影響；

d. 液滴到達(dá)除霧器出口處即認(rèn)為未捕集。

在三維坐標(biāo)系中，采用歐拉-拉格朗日方法分別處理連續(xù)相和離散相。氣相的控制方程為連續(xù)性方程、Navier-Stokes方程和RNGk-ε方程。

1.4固體控制方程

對(duì)體積V內(nèi)介質(zhì)，由虛功原理可得：

(1)

式中fk——當(dāng)前位置上的體力密度，kg/m3；

k——湍動(dòng)能，m2/s2；

sk——作用在單元外表面φ1上的表面力，N，本計(jì)算中sk=0；

tkm——Cauchy應(yīng)力，Pa；

δxk——虛位移，mm；

ρs——密度，kg/m3。

式(1)右端依次為慣性力、內(nèi)應(yīng)力、體力和表面力做的虛功，左端為總的虛功。積分在控制單元內(nèi)進(jìn)行，運(yùn)用Gauss定理可得：

(2)

(3)

1.5求解方法

因主要研究折流板力學(xué)性能采用單向流固耦合，首先利用CFX求解流體控制方程，再用Mechanical求解固體控制方程，通過(guò)流固交界面把流體計(jì)算結(jié)果壓力場(chǎng)加載到折流板上。

流體求解：應(yīng)用CFX求解器，采用有限體積法對(duì)三維數(shù)值模型進(jìn)行離散，壓力-速度耦合方程采用SIMPLE算法，動(dòng)量方程、湍動(dòng)能和湍流耗散率方程均采用二階迎風(fēng)格式，壁面邊界條件考慮為無(wú)滑移固壁邊界，液滴基于拉格朗日法進(jìn)行計(jì)算。

固體求解：應(yīng)用Mechanical求解器，采用有限元法進(jìn)行離散，Solid186固體結(jié)構(gòu)單元，運(yùn)用共軛梯度求解器對(duì)固體方程進(jìn)行求解。

2 結(jié)果與討論

2.1力學(xué)性能指標(biāo)確定

筆者所用數(shù)值模擬方法已得到相應(yīng)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果均表明折流板從一個(gè)彎折處沿著流體方向(即軸向)應(yīng)力變化梯度較大，第一主應(yīng)力由拉應(yīng)力迅速變?yōu)閴簯?yīng)力，或者由壓應(yīng)力迅速變?yōu)槔瓚?yīng)力，靠近彎折處有較大的應(yīng)力集中，遠(yuǎn)離彎折處應(yīng)力相對(duì)較小，總體實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果吻合良好(關(guān)于具體實(shí)驗(yàn)方案和測(cè)試結(jié)果已另文發(fā)表)。

針對(duì)圖1a所示的折流板進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明折流板最大撓度位于折流板迎風(fēng)側(cè)中間位置。折流板彎折部分應(yīng)力分布和折流板約束處的應(yīng)力分布差別較大，折流板內(nèi)部應(yīng)力最大的位于第一彎折中間位置。圖3、4給出一定參數(shù)下(級(jí)數(shù)2、間距20mm、折角90°、進(jìn)口氣速7m/s、約束孔徑20mm、折板高度60mm、約束邊寬40mm)折流板除霧器第四強(qiáng)度理論撓度和應(yīng)力分布。通過(guò)對(duì)折流板的應(yīng)力分布分析，選擇約束處最大應(yīng)力σmax，折流板進(jìn)口第一塊折板最大應(yīng)力σmax1和最大撓度wtotal3個(gè)參數(shù)為折流板應(yīng)力分布研究指標(biāo)，研究約束孔徑、約束邊寬和折板高度對(duì)折流板力學(xué)性能的影響趨勢(shì)，從而得到最優(yōu)的參數(shù)，加強(qiáng)折流板的強(qiáng)度和剛度，避免除霧器坍塌失效。

圖3 撓度分布云圖

圖4 應(yīng)力分布云圖

2.2結(jié)構(gòu)分析

折流板約束孔徑、折板高度和約束邊寬3個(gè)設(shè)備參數(shù)對(duì)折流板的效率、壓降的影響較小，但對(duì)折流板力學(xué)性能有影響。對(duì)這幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行單因素分析，研究折流板約束孔徑、折板高度和約束邊寬對(duì)指標(biāo)的影響規(guī)律，為折流板除霧器設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

2.2.1約束孔徑D的影響

約束孔徑D對(duì)折流板除霧器主要起固定支撐作用，是保證除霧器安全、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵尺寸。根據(jù)螺栓標(biāo)準(zhǔn)可知螺栓直徑有M8、M18、M27、 M38、 M48系列，所以約束孔徑取較大值，因此折流板約束孔徑分別采用10、20、30、40、50mm系列，從力學(xué)的角度分析不同約束孔徑對(duì)設(shè)備力學(xué)性能的影響。工業(yè)中常用的折板尺寸參數(shù)見(jiàn)表1(圖1a)，液滴直徑為20μm，不同風(fēng)速下，約束孔直徑對(duì)σmax、σmax1和wtotol的影響如圖5所示。

從圖5可以看出：圓孔約束處的最大應(yīng)力σmax隨著孔徑的增大先減小后增大，當(dāng)約束孔徑為20mm時(shí)σmax最小；第一彎折處的最大應(yīng)力σmax1和最大撓度wtotal也是隨著約束孔徑的增大先減小后增大，當(dāng)約束孔徑為40mm時(shí)，σmax1和wtotal最小。約束孔徑增大固定螺栓直徑增大，承受折板上的部分約束力，折板約束處的最大應(yīng)力減?。坏S著約束孔徑的增加，約束邊寬有效承載材料減少，從而使約束應(yīng)力增大。可見(jiàn)約束孔徑受到約束邊寬的限制，約束邊寬較大時(shí)，適當(dāng)增大約束孔徑可以降低約束處的最大應(yīng)力。約束孔徑適當(dāng)增大，會(huì)提高約束處的剛度，從而減小最大撓度。約束孔徑增大也會(huì)使折流板內(nèi)部應(yīng)力趨于均勻，降低第一彎折處的最大應(yīng)力。隨著約束孔徑的進(jìn)一步增大，約束處的材料同樣減少，造成約束處剛度減小，傳遞到折流板內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻，所以，σmax1和wtotal會(huì)在約束孔徑為40mm時(shí)開(kāi)始增大，由此，建議約束孔徑采用20mm。

2.2.2折板約束邊寬B影響

約束邊寬B同約束孔徑一樣，對(duì)折流板除霧器均起到固定支撐的作用，是保證除霧器安全、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵尺寸。其具體尺寸主要受到約束孔徑和折流板除霧器制造材料制約。根據(jù)約束孔徑的尺寸確定約束邊寬的大小，約束邊寬采用40、50、60、70、80mm系列，從力學(xué)的角度，分析得到科學(xué)合理的約束邊寬的尺寸。其他折板的具體尺寸參數(shù)見(jiàn)表2(圖1a)，液滴直徑為20μm。折流板約束段不在除霧器分離過(guò)程中發(fā)揮作用，主要起安裝固定作用。不同風(fēng)速下，折板約束邊寬對(duì)σmax、σmax1和wtotal的影響如圖6所示。

表1 折板尺寸參數(shù)

a. σmax

b. wtotal

c. σmax1圖5 不同風(fēng)速下參數(shù)隨著約束孔徑的變化趨勢(shì)

表2 折板尺寸參數(shù)

a. σmax

b. wtotal

c. σmax1圖6 不同風(fēng)速下參數(shù)隨約束邊寬變化趨勢(shì)

由圖6可見(jiàn)，不同風(fēng)速時(shí)隨著邊寬的增大，σmax、σmax1和wtotal均減小，當(dāng)約束邊寬為60mm時(shí)，σmax減小趨勢(shì)趨于平緩，增大約束邊寬會(huì)導(dǎo)致折流板慣性力和剛度增大，而表面力變化不大，當(dāng)折板約束邊寬與折板高度相同(60mm)時(shí)，約束處的最大應(yīng)力σmax開(kāi)始趨于平穩(wěn)，建議約束邊寬采用60mm。

2.2.3折板高度C影響

折板高度C對(duì)除霧器的工藝性能影響較小，其計(jì)算式為：

(4)

式中C——折板高度，mm；

s——折板間距，mm；

α——折流板折角，(°)。

工業(yè)中常用的其他折板具體尺寸參數(shù)見(jiàn)表3(圖1a)，液滴直徑采用20μm，不同風(fēng)速下，折板高度對(duì)σmax、σmax1和wtotal的影響如圖7所示。

表3 折板尺寸參數(shù)

a. σmax

b. wtotal

c. σmax1圖7 不同風(fēng)速下參數(shù)隨折流板高度變化趨勢(shì)

從圖7可以看出，隨著折流板的高度增大，σmax、σmax1和wtotal減小。隨著折板高度的增加，折流板的剛度增加，固體方程中慣性力增大，根據(jù)流場(chǎng)分析得知折流板的高度的增加，折流板兩側(cè)的壓力差變化不大，因此載荷變化較小，固體方程中表面力基本不變，故增加折板高度，會(huì)降低折流板的σmax、σmax1和wtotal。從工藝的角度分析，折板高度在一定范圍內(nèi)變化對(duì)折流板的效率、壓降及處理量等都沒(méi)有影響。從力學(xué)的角度分析，適當(dāng)提高折流板的高度可以提高設(shè)備強(qiáng)度，由此建議折板高度采用80mm。

2.2.4優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

通過(guò)對(duì)折流板除霧器結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化后，得到力學(xué)性能最優(yōu)的結(jié)構(gòu)尺寸。圖8分別給出了最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的折流板除霧器在不同氣速下的σmax、σmax1和wtotal結(jié)果與以下組合的對(duì)比結(jié)果：

a. 組合(1)，約束孔徑為20mm、約束邊寬為70mm、折板高度為60mm(約束孔徑單因素分析中力學(xué)性能最優(yōu))；

b. 組合(2)，約束孔徑為20mm、約束邊寬為60mm、折板高度為60mm(約束邊寬單因素分析中力學(xué)性能最優(yōu))；

c. 組合(3)，約束孔徑為20mm、約束邊寬為40mm、折板高度為80mm(折板高度單因素分析中力學(xué)性能最優(yōu))。

圖8a給出了不同風(fēng)速下，不同組合的σmax對(duì)比結(jié)果，從圖8a中可以看出優(yōu)化后組合下除霧器的σmax最小，隨著風(fēng)速的增大，不同組合的σmax均增大，同時(shí)優(yōu)化后的σmax相對(duì)于其他組合下的σmax更小，顯示出優(yōu)化后折流板除霧器的優(yōu)良力學(xué)性能；圖8b給出了不同風(fēng)速下，不同組合的wtotal對(duì)比結(jié)果，從圖中可以看出優(yōu)化后組合下的wtotal遠(yuǎn)小于組合(1)、(2)下的wtotal，但對(duì)于組合(3)這種優(yōu)化效果不明顯；圖8c給出了不同風(fēng)速下，不同組合的σmax1對(duì)比結(jié)果，從圖中可以看出優(yōu)化后的σmax1小于組合(1)、(2)下的σmax1，但對(duì)于組合(3)這種優(yōu)化效果并不明顯。綜上所述，折流板結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化后的σmax、wtotal和σmax1與組合(1)、(2)對(duì)比相對(duì)較小，顯示出優(yōu)良的力學(xué)性能。折流板結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化后的wtotal和與組合(3)對(duì)比優(yōu)化效果不明顯，但優(yōu)化后的σmax與組合(3)對(duì)比相對(duì)較小，但綜合考慮優(yōu)化后的σmax、wtotal和這3個(gè)參數(shù)時(shí)(σmax是工業(yè)應(yīng)用中折流板破壞的主要因素)可以看出優(yōu)化后的折流板結(jié)構(gòu)尺寸(約束孔徑為20mm、約束邊寬為60mm、折板高度為80mm)下除霧器具有優(yōu)良的力學(xué)性能。

a. σmax

b. wtotal

c. σmax1圖8 不同風(fēng)速下各參數(shù)的不同組合對(duì)比

3 結(jié)論

3.1通過(guò)與工程實(shí)際對(duì)比，折流板斷裂失效位置位于折流板約束處，約束處為折流板最易發(fā)生破壞的位置。

3.2隨著約束孔徑增大σmax、σmax1和wtotal先減小后增大，建議采用20mm；隨著約束邊寬的增大，σmax、σmax1和wtotal均減小，建議采用60mm；隨著折流板的高度增大，σmax、σmax1和wtotal會(huì)減小，建議采用80mm。

3.3通過(guò)采用優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)尺寸，折流板除霧器力學(xué)性能得到較大提升，可為工業(yè)設(shè)計(jì)折流板除霧器提供指導(dǎo)。

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