劉麗艷，趙晨光

(天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072)

除霧器在工業(yè)上有著廣泛的應(yīng)用，其性能往往是影響整個系統(tǒng)可靠、連續(xù)運行的關(guān)鍵因素[1]。除霧器種類很多，用的較多的包括折板除霧器、絲網(wǎng)除霧器、旋流板除霧器等。工程上對除霧器的研究主要是為了提高其性能，而評價性能的主要參數(shù)是分離效率和進出口壓降[2]，其中流場對兩者的影響是非常明顯的，所以對除霧器內(nèi)部流場的研究也至關(guān)重要，同時入口處的粒徑分布通常用R-R分布表示[3]。

折板除霧器內(nèi)流場較為復(fù)雜，實驗只能對其性能進行粗略測量，而且花費大、耗時長[4]。但是數(shù)值模擬方法卻可以快速得到結(jié)果[5]，進行大量的參數(shù)分析，所以近年來數(shù)值模擬研究除霧器是一個整體趨勢，可以用來用來改善分離效率、降低壓降。折板除霧器是依靠慣性碰撞的原理收集小液滴[6]，近年來，為了提高捕集性能，常常在通道內(nèi)引入輔助捕集結(jié)構(gòu)[7]。

擬采用Fluent6.3對帶與不帶輔助捕集結(jié)構(gòu)的折板除霧器內(nèi)氣相流場進行數(shù)值模擬。通過對比引入液滴輔助捕集結(jié)構(gòu)前后流場變化、改變高度尺寸，研究流場分布規(guī)律和高速、氣速對壓降的影響，為除霧器的設(shè)計提供指導(dǎo)。

1　模擬方法

本論文研究流場和壓降，由之前的研究表明，引入液滴后對流場和壓降的影響并不明顯，工程應(yīng)用上可以不計[8]。所以模擬時只考慮氣相流場，采用SSTk-ω模擬氣相的湍流運動[7]，進而獲得效率和壓降。

1.1　模型假設(shè)

折板除霧器折板間的氣液兩相流動是一種非常復(fù)雜的流動，對其的模擬研究通常是建立在一些適當(dāng)?shù)募僭O(shè)的基礎(chǔ)之上。由于氣速較低，可將氣體視為不可壓縮氣體；簡化流場為二維流動；視氣流為定常流動；不考慮傳熱，只考慮傳質(zhì)[9]。

1.2　數(shù)值模擬

1.2.1邊界條件

連續(xù)相采用空氣，密度1.1 kg/m3，動力黏度為1.954×10-5Pa·s[5]。氣相進口速度2～5 m/s，且在進口截面均勻分布，湍流度為0.05，取進口處水力直徑為通道特征長度S。壓力出口為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。壁面應(yīng)用黏性流動無滑移條件、絕熱，靜止無變形[10]。

1.2.2計算區(qū)域

折板除霧器幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示，水平布置。本研究只考慮單個通道情況下的流動和除霧情況，各參數(shù)值見表1[11]。

1.2.3網(wǎng)格劃分

經(jīng)過多次的嘗試，模擬采用結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化結(jié)合的網(wǎng)格，壁面和直線通道處為四邊形網(wǎng)格，轉(zhuǎn)彎處為三角形網(wǎng)格；壁面和轉(zhuǎn)彎處網(wǎng)格局部加密，每級通道的網(wǎng)格數(shù)目控制在3萬左右。

圖1　帶液滴輔助捕集結(jié)構(gòu)的折板除霧器結(jié)構(gòu)圖Fig.1　The structure of the wave-plate mist eliminator with auxiliary capture

S/mmL0/mml/mmβ/(°)L/mmS*/mmα/(°)254444.39083.7917.6890

注：h取0.35S*、0.48S*和0.60S*mm。

1.2.4模擬工況

不考慮l的變化對性能的影響，只考慮h改變對性能的影響[11]。h大小分別取0.35S*、0.48S*和0.60S*，圖1除霧器的結(jié)構(gòu)中的3個輔助捕集結(jié)構(gòu)高度均可取3個值，所以可得到27種組合方式，本研究取其中的8組，見表2。

表2　不同捕集結(jié)構(gòu)高度組合

注：第8組不帶液滴輔助捕集結(jié)構(gòu)。

2　模擬預(yù)測結(jié)果及分析

2.1　網(wǎng)格獨立性研究

在模擬研究前，通常為了節(jié)約計算時間和提高網(wǎng)格準(zhǔn)確性，需要進行網(wǎng)格獨立性分析。對表2中的第5組除霧器結(jié)構(gòu)進行不同的網(wǎng)格劃分，取網(wǎng)格數(shù)目分別為18萬、12萬和7萬，進而得到粒徑為4.4 μm的分離效率。如圖2所示。

圖2　網(wǎng)格獨立性分析Fig.2　The analysis of grid independence

由圖2可知，3者的效率差別較小，12萬的網(wǎng)格就可以滿足精度要求，而且可以減少模擬的計算量。

2.2　實驗驗證

在2 和4 m/s進口氣速下，采用第14組結(jié)構(gòu)尺寸，模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)[4]進行比較。如圖3所示，液滴直徑在5 μm以上，本論文中模擬結(jié)果與實驗趨勢基本吻合。圖3中，可以看出4 m/s的情況下，模擬和實驗吻合的很好，證明本研究建立的模型可用于模擬折板除霧器內(nèi)的流場和壓降。

2.3　不同氣速下的流場分析

為了比較引入捕集結(jié)構(gòu)對高速區(qū)和低速區(qū)的影響，按照捕集液滴能力劃分，通道內(nèi)氣速在0～3 m/s的區(qū)域為低速區(qū)，氣速大于5 m/s的區(qū)域為高速區(qū)。

在2 m/s的進口氣速下，考慮第5組和第8組的結(jié)構(gòu)，不帶捕集結(jié)構(gòu)和帶捕集結(jié)構(gòu)的折板除霧器的流場如圖4a)和圖4b)所示。不帶捕集結(jié)構(gòu)的情況下，通道內(nèi)所能達到的最大氣速為7.32 m/s，出現(xiàn)在第2個和第3個轉(zhuǎn)彎之后靠近對側(cè)壁面處，同時這一側(cè)也形成了高速區(qū)，占直通道寬度的一半。而另一側(cè)則為低速區(qū)，壁面最大氣速約為1.5 m/s左右，且轉(zhuǎn)彎處的外側(cè)氣速最大0.35 m/s，這些區(qū)域的湍流都很微弱，液滴碰撞并不劇烈，所以分離效率較低。

圖3　實驗數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對比Fig.3　The contrast between experimental data and simulation result

圖4　不同氣速下折板除霧器內(nèi)氣相流場圖Fig.4　The gas flow field in the wave-plate mist eliminator at different entrance speed

引入捕集結(jié)構(gòu)后，2 m/s的流場如圖4b)所示。最大氣速出現(xiàn)在第2個、第3個以及第4個捕集結(jié)構(gòu)之后的部位，為8.97 m/s。高速區(qū)的面積要比不帶捕集結(jié)構(gòu)時增大，而且湍流度明顯提高。就連出口水平通道壁面附近的氣速也增加了大約1倍，而且轉(zhuǎn)彎處的超低速區(qū)明顯減小，此區(qū)域氣速增加。

在4 m/s的進口氣速下，不帶捕集結(jié)構(gòu)和帶捕集結(jié)構(gòu)的折板除霧器的流場如圖4c)和圖4d)所示。不帶輔助捕集結(jié)構(gòu)的情況下，最大氣速為14.8 m/s，往往出現(xiàn)在第2、3個轉(zhuǎn)折之后的回流區(qū)內(nèi)，第1轉(zhuǎn)折處后的回流區(qū)的最大氣速為12.58 m/s，且第3個轉(zhuǎn)折之后的最大氣速區(qū)要明顯大于第2個，面積大約為其的2倍。在第1個直通道內(nèi)的氣速近似均勻分布，且數(shù)值不大，所以收集的液滴有限，在經(jīng)過了隨后的轉(zhuǎn)折處之后流場分布變得復(fù)雜，說明更有利于液滴的碰撞。這種情況下，由模擬可知，最小氣速出現(xiàn)在每個轉(zhuǎn)折的外側(cè)區(qū)域和最大氣速下游的回流區(qū)，前者大約占了1/3的轉(zhuǎn)折處的通道寬度，通常這個區(qū)域的氣速要小于1 m/s，后者大約占了直通道的2/5面積，由于氣速過低，說明此處的壁面基本不發(fā)生液滴碰撞而被收集，不帶捕集結(jié)構(gòu)的折板除霧器的有效捕集壁面只為對側(cè)的壁面。

由圖4d)可知，引入捕集結(jié)構(gòu)之后通道內(nèi)的流場變得更加不規(guī)則，最大氣速出現(xiàn)第2個、第3個及第4個轉(zhuǎn)折處的捕集結(jié)構(gòu)之后，為18.57 m/s，然后距離捕集結(jié)構(gòu)越遠速度越小，直到碰到對側(cè)的壁面，氣速又再一次變大。由于引入了捕集結(jié)構(gòu)，之前不發(fā)生捕集的壁面在轉(zhuǎn)折處也產(chǎn)生了高速區(qū)，最大氣速達到了4.64 m/s，此側(cè)壁面附近的氣速也較不帶捕集結(jié)構(gòu)增加了大約1倍，所以說明捕集面積變大，其面積大約占直通道一半，而且之前的小于1 m/s的超低速區(qū)面積也減小，且氣速值變大。第1個捕集結(jié)構(gòu)迎著氣流面的氣速很小，屬于低速區(qū)，很少發(fā)生液滴的捕集，之后的3個捕集結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)面氣速明顯增加，最大達到4 m/s以上，最小也有3.5 m/s，加上此處的特殊的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，很有利于液滴的收集。所以引入捕集結(jié)構(gòu)之后，除了原有的捕集壁面外，還有對側(cè)的部分，特別是安裝捕集結(jié)構(gòu)后的轉(zhuǎn)折處對側(cè)壁面，均可以大量收集液滴。

2.4　壓降分析

因為在模擬過程中，引入液滴相對壓降的改變并不明顯，所以假設(shè)氣相流場中測出的壓降值等于加入液滴相后的通道的壓降值。接下來，為了得到壓降隨著各級捕集結(jié)構(gòu)高度的變化規(guī)律，同時為了得到氣速對壓降的影響，模擬了2、3、4和5 m/s氣速下不同捕集結(jié)構(gòu)高度下壓降的數(shù)值。結(jié)果見圖5。

圖5a)表示在不同氣速下，進出口總壓降隨著第一級捕集結(jié)構(gòu)高度變化的曲線圖。首先從圖5中可以看出，隨著氣速的增加，相同的捕集結(jié)構(gòu)高度條件下，壓降改變量越來越大。而且氣速較低時，壓降隨著高度系數(shù)變化曲線的斜率很小，隨著氣速的增加，曲線的斜率明顯增加；同時，在相同的進口氣速下，液滴輔助捕集結(jié)構(gòu)高度越高，曲線的斜率越大，說明壓降隨著液滴輔助捕集結(jié)構(gòu)高度的增加而增加的趨勢越明顯。

圖5　不同氣速下壓降的變化曲線Fig.5　The variation of the pressure drop at different entrance speed

圖5b)表示在不同氣速下，總壓降隨著第2級捕集結(jié)構(gòu)的高度變化的曲線圖。與圖5a)相比較，在2和3 m/s的進口氣速下，在各液滴輔助捕集結(jié)構(gòu)高度下壓降的值較為接近，但是隨著氣速增加，達到4 和5 m/s時，相同的液滴輔助捕集結(jié)構(gòu)高度下，第1級的壓降要更大，說明壓降對第1級的液滴輔助捕集結(jié)構(gòu)高度改變更加敏感。隨著氣速的增加，壓降的改變值與第1級的相近，同樣隨著氣速的增加，同樣的液滴輔助捕集結(jié)構(gòu)高度下，壓降改變量越來越大。但是與第1級不同的是，同一進口氣速下，隨著液滴輔助捕集結(jié)構(gòu)高度系數(shù)的增加，進出口總壓降增加越來越緩慢，圖中曲線的斜率減小。

圖5c)表示在不同氣速下，壓降隨著第3級捕集結(jié)構(gòu)的高度變化的曲線圖。可以看出來，圖5c)和圖5a)的變化規(guī)律和壓降改變量均相似，所以即使在不同氣速下，第1級和第3級的捕集結(jié)構(gòu)高度對壓降的影響也近似。

3　結(jié)論

采用計算流體力學(xué)方法模擬并分析折板除霧器內(nèi)的流場和壓降情況，通過對比引入液滴輔助捕集結(jié)構(gòu)前后的流場和壓降而得到以下初步結(jié)論。

首先，研究分析2和4 m/s進口氣速下不帶捕集結(jié)構(gòu)、帶捕集結(jié)構(gòu)的除霧器的流場圖，得到最大氣速值，變化情況及其分布區(qū)域，還有通道內(nèi)高速區(qū)和低速區(qū)面積、分布規(guī)律等。隨著引入捕集結(jié)構(gòu)，最大氣速值及其區(qū)域變大，高速區(qū)面積變大，低速區(qū)面積減小，為進一步了解除霧器給出了直觀的圖形基礎(chǔ)。

其次，研究了不同氣速下總壓降隨著各級捕集結(jié)構(gòu)高度變化的規(guī)律。分為3個小部分，代表各級高度的影響。可以得到結(jié)論：第1級、第3級捕集結(jié)構(gòu)壓降隨高速的變化規(guī)律相似，均是曲線的斜率逐漸增加，并且同樣高度下，改變氣速導(dǎo)致的壓降改變量接近，且均隨著氣速增加而增加。相反，壓降隨第二級捕集結(jié)構(gòu)高度變化曲線的斜率逐漸減小；改變量的趨勢相同，但是絕對值較小。

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