郭秀榮,安帥霖,Ha Khanh Hop,畢崇盛,楊 瀟,徐岳峰，梁繼國

(1.東北林業(yè)大學 機電工程學院， 哈爾濱 150004； 2.吉林省輝南森林經營局， 吉林 通化 135100)

氣體混合器作為等離子體凈化器的關鍵前處理裝置，其混合效果與各組分氣體濃度的分布是混合器實現(xiàn)其功能的關鍵[1]。常見的氣體混合器主要采取特殊的幾何形狀使流體產生橫向或無序流動從而達到混合目的[2]。目前，國內外諸多研究部門逐步開展了氣體混合性能的數值模擬工作。數值模擬是將質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程、組分輸運方程等結合起來建立數學模型，確定邊界條件，劃分計算網格，建立離散方程，計算機求解的一類較為系統(tǒng)的重要研究方法[3]。

國內外許多學者對氣體混合領域做過較深入的研究。裴凱凱等[4]利用Fluent軟件對乙苯脫氫裝置中氣-氣快速噴射混合器進行了仿真研究；吳民權等[5]研究了動量比及結構參數對混合效果的影響，且研制了一種氣體混合器，以此實現(xiàn)了氣體的迅速、高效混合。Sroka和Forne[6-7]提出了較簡單的彎管以及T型管混合器；Maruyama等[8]通過實驗驗證了雙噴嘴噴射混合器與單噴嘴噴射混合器在達到相同混合效果時，雙噴嘴混合器的噴嘴長度是單噴嘴混合器噴嘴長度的一半；Giorges等[9]在對多種類型的噴嘴噴射混合器的研究過程中發(fā)現(xiàn)，混合器的噴嘴數量越多，其混合效果越好。針對氣體混合器的混合性能研究主要集中在氣體的混合效率和混合均勻性上[10-15]。

本文以箱式氣體混合器為研究對象，在特定濃度的組分氣體工況下，分析箱體內部氣體混合的濃度分布與流速分布規(guī)律，進而探究箱式氣體混合器的混合性能，并根據數值計算結果提出改進方案，為箱式氣體混合器的研制與設計提供借鑒。

1 數學模型

氣體混合是一個較為復雜的過程，由于箱體內部各組分氣體之間存在對流擴散，需要結合Maxwell-Stefan擴散模型進行闡明。該模型以3種氣體中的2種氣體的質量分數來求解整個氣體擴散與混合的過程，其中第3種氣體的質量分數ω由另外2種給出。方程如下[16-17]：

R-(ρu·▽ω1)

(1)

R-(ρu·▽ω2)

(2)

ω3=1-ω1-ω2

(3)

式中：D為擴散系數；R為熱力學常數；p為壓力；T為溫度；u為速度；x為物質的量；ω為質量分數。3種氣體組成的混合氣體密度ρmix是平均混合物摩爾分數Mmix的函數，可由下式求得[18]：

(4)

(5)

參與混合的O2、N2、NO摩爾質量分別為0.032 kg/mol、0.028 kg/mol、0.03 kg/mol，由于3種氣體間的摩爾質量存在差異，進而氣體間會產生相互擴散的對流通量，從而氣體間存在對流流動速度，基于Maxwell-Stefan擴散模型，氣體穩(wěn)定擴散過程中，氣體之間的對流流動速度可由下式表示[19]：

(6)

式中：ndiff,3是空氣的擴散質量通量。

2 箱式氣體混合器混合性能的數值模擬分析

2.1 箱式氣體混合器結構形式與功能介紹

圖1為箱式氣體混合器的結構示意，箱體上分別設置有O2進氣口、N2進氣口、NO進氣口及出氣口，箱體內部為規(guī)則形狀的六面體結構。各組分氣體由所設進氣口以一定流量進入箱式氣體混合器，并在箱體內部對流擴散，形成穩(wěn)定的混合氣體流動，實現(xiàn)氣體混合。

圖1 箱式氣體混合器的結構示意圖

2.2 數值計算模型的建立

通過UG軟件內置的布爾運算模塊，抽取箱式結構內部流體域，形成可用于精準分析流動特性的有限元模型。對所述流體模型劃分四面體網格，網格劃分結果如圖2所示。網格單元數量53萬左右，最小網格質量0.3以上。

圖2 網格劃分結果

2.3 氣體混合的數值計算及結果分析

2.3.1N2、NO混合

在O2、N2、NO進氣口流量分別為0 mL/min、2 000 mL/min、0.6 mL/min的條件下對箱式氣體混合器進行數值計算。

圖3為N2的濃度分布；圖4為NO的濃度分布， NO的濃度主要集中在其進氣口所在的管道附近，在箱體內部并無明顯分布；N2正好與其相反，除NO的進氣口附近外，N2的分布幾乎充滿了整個箱體。

圖3 N2的濃度分布

圖4 NO的濃度分布

圖5為箱式氣體混合器流速分布，NO的進氣流量相對于N2的進氣流量較少，因此流入的N2會形成一條明顯的火焰狀射流，徑直流向出氣口，這是因為流量連續(xù)性條件決定了兩組分氣體進入箱體的流速差異，進而引起N2在箱體內部形成近乎射流的流動狀態(tài)。

圖5 箱式氣體混合器流速分布

2.3.2O2、N2、NO混合

在O2、N2、NO進氣口流量分別為500 mL/min、2 000 mL/min、0.6 mL/min的條件下對箱式氣體混合器進行數值計算。

圖6為O2的濃度分布；圖7為N2的濃度分布；圖8為NO的濃度分布，增加了O2的混合氣體，對NO的濃度影響很小，但對N2的濃度影響較為明顯，相比于圖3中接近1的N2濃度，圖7中N2的濃度在0.7左右；圖6中O2的濃度在0.3左右，說明部分空間被O2所占據。

圖6 O2的濃度分布

圖7 N2的濃度分布

圖8 NO的濃度分布

圖9為箱式氣體混合器流速分布，增加O2后相比于圖5，箱體內的N2無法徑直流出箱體，而是在箱體內部形成一段流速梯度較大的流域，可有效增加N2在箱體內的滯留時間，提高氣體混合的均勻性。

圖9 箱式氣體混合器流速分布

3 內插擾流片型箱式氣體混合器混合性能的數值模擬分析

3.1 內插擾流片型箱式氣體混合器結構形式與功能介紹

根據上述的研究結果可知，氣體混合性能與混合氣體的進氣量、混合器的結構形式密切相關，當O2為0 mL/min時，N2會以如圖5所示的射流形式直接流出箱體，N2與其他氣體無法有效接觸，導致氣體混合不均勻。如圖10所示為內插擾流片型箱式氣體混合器的結構示意圖，通過對箱式氣體混合器進行結構改進來提高混合性能，由文獻[20]可知，擾流片可使流體在流動過程中的流動狀態(tài)發(fā)生改變，故在箱體內部交錯布置擾流片1和擾流片2，旨在形成一定阻礙作用，使得混合氣體形成局部回流，進而提高混合器的混合性能。

圖10 內插擾流片型箱式氣體混合器的結構示意圖

3.2 數值計算模型的建立

對內插擾流片型箱式氣體混合器的流體域劃分網格，針對擾流片與進氣口處進行局部網格細化處理，網格劃分結果如圖11所示。網格單元數量約為58萬，最小網格質量0.3以上。整個數值模擬條件與箱式氣體混合器保持一致。

圖11 內插擾流片型箱式氣體混合器網格劃分

3.3 氣體混合的數值計算及結果分析

3.3.1N2、NO混合

在O2、N2、NO進氣口流量分別為0 mL/min、 2 000 mL/min、 0.6 mL/min的條件下對內插擾流片型箱式氣體混合器內部氣體混合過程進行可視化模擬。

圖12為N2濃度分布；圖13為NO濃度分布，相比于圖3、圖4，內插擾流片型箱式氣體混合器箱體內的N2濃度和NO濃度分布并無明顯變化。這是因為NO的濃度約為N2的濃度的0.03%，該結構的改進對NO的濃度影響很小。

圖12 N2濃度分布

圖13 NO濃度分布

圖14為內插擾流片型箱式氣體混合器流速分布，相對于圖5，N2并不會徑直流出箱體，而會在擾流片的阻礙作用下形成小范圍的偏轉回流，進一步增加氣體混合的效率和均勻性。

圖14 內插擾流片型箱式氣體混合器流速分布

3.3.2O2、N2、NO混合

在O2、N2、NO進氣口流量分別為500 mL/min、 2 000 mL/min、0.6 mL/min的條件下對內插擾流片型箱式氣體混合器內部氣體混合過程進行可視化模擬。

圖15為O2濃度分布；圖16為N2濃度分布；圖17為NO濃度分布，相比于圖6、圖7、圖8， NO的濃度變化幾乎可以忽略，由于擾流片的阻礙作用， N2和O2均出現(xiàn)了局部濃度增加的區(qū)域，由此提高了混合器的混合效率和混合均勻性。

圖15 O2濃度分布

圖16 N2濃度分布

圖17 NO濃度分布

圖18為內插擾流片型箱式氣體混合器流速分布，相比于圖9，由于擾流片的阻礙作用，N2進氣管下游區(qū)域出現(xiàn)了明顯的回流和擾流現(xiàn)象，且回流氣體主流為N2，偏向NO進氣管一側，使得NO與N2的接觸幾率增加，從而提高氣體混合的效率和均勻性。

圖18 內插擾流片型箱式氣體混合器流速分布

4 結論

1) 相對于N2的濃度，NO的濃度較低，幾乎可以忽略不計，因此NO集中分布在進氣管道附近。

2) 內插擾流片型箱式氣體混合器相對于箱式氣體混合器，其箱體內部增設的擾流片使混合氣體的主流形成一定的回流區(qū)域，偏轉向下的回流可以與NO接觸，偏轉向上的回流與O2充分接觸，增加了混合氣體的混合效率與均勻性。

3) 對箱式氣體混合器結構的改進不僅有利于提高箱式氣體混合器的混合性能，而且為該形式的氣體混合器設計提供了借鑒。