黃安寧， 鄭宇陽

(1. 重慶旗能電鋁有限公司， 重慶綦江 401420； 2.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 四川成都 610500)

引言

真空抬包是冶金行業(yè)常見的周轉(zhuǎn)容器，依靠氣體引射器作用產(chǎn)生負(fù)壓使抬包內(nèi)達(dá)到一定的真空度，利用負(fù)壓把鋁、鎂等液態(tài)金屬從電解槽內(nèi)吸出并轉(zhuǎn)運(yùn)至后續(xù)生產(chǎn)工序。氣體引射器是真空抬包中關(guān)鍵部件，在引射器中壓縮空氣經(jīng)過變截面的噴嘴后形成高速射流，由于高速射流的紊動擴(kuò)散作用，流動過程中對抬包中的氣體進(jìn)行卷吸，使之被吸入接受室，高速壓縮空氣與被吸入氣流在混合室內(nèi)混合，進(jìn)行能量交換，流動過程中其速度場逐漸分布均勻，隨后混合氣體進(jìn)入擴(kuò)散管，流速逐步降低，最后以一定流速和壓力進(jìn)入消音室， 經(jīng)消聲和凈化后排入大氣。而抬包中的氣體被不斷抽吸，包內(nèi)產(chǎn)生的真空度達(dá)到一定后，就可在大氣壓的作用下將電解槽中的鋁液通過吸鋁管抽取到抬包體內(nèi)，完成吸鋁作業(yè)。氣體引射器形成負(fù)壓的過程是復(fù)雜的物理現(xiàn)象，氣流摻混、卷吸、膨脹波系與壓縮波系的相互干擾。國內(nèi)外雖有較多的學(xué)者對各類氣體引射器進(jìn)行了研究[1-8]，但是針對大型出鋁抬包的氣體引射器研究較少[9]，進(jìn)一步對真空抬包吸鋁情況進(jìn)行分析的更不多見。隨著大型鋁電解槽的出現(xiàn)，生產(chǎn)對抬包的盛鋁容積要求越來越大，因此有必要對抬包的氣體引射器結(jié)構(gòu)以及在較低引射壓力狀態(tài)下抬包吸鋁情況進(jìn)行科學(xué)合理的分析，為設(shè)備的升級改造提升其吸鋁能力提供相關(guān)依據(jù)。

1 模型建立及求解

1.1 幾何模型建立

真空出鋁抬包的氣體引射器主要由噴嘴(噴射器)、接受室、混合室、消音室等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 抬包引射器剖視圖

徐海濤[10]研究表明，引射器的二維和三維模型在數(shù)值計算結(jié)果上相對誤差在3%以內(nèi)，在工程計算允許范圍內(nèi)。為了減少模擬計算的時間，利用ANSYS前處理軟件對某型號真空出鋁抬包引射器進(jìn)行簡化和實體建模， 生成二維的流體計算域， 如圖2所示， 并進(jìn)

圖2 抬包引射器幾何模型

行網(wǎng)格劃分等前處理。根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場實際情況，設(shè)定噴嘴端部與收縮管端面重合。

1.2 求解方程及邊界條件

為了減少運(yùn)算量，忽略氣體在流動中的溫度變化，且假定其不可壓縮。由于引射器內(nèi)部氣流為完全湍流的流動狀態(tài)，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程模型建立方程，經(jīng)簡化的方程如下[11]：

(1)

(2)

式中,ρ—— 流體密度

μ—— 動力黏性系數(shù)

k—— 湍動能

μ—— 平均流速

ε—— 耗散率

Gk—— 平均速度梯度引起的湍動能

c1ε，c2ε—— 分別取常數(shù)1.45和1.92

在Fluent軟件中，設(shè)定引射氣流采用壓力入口條件(Pressure-inlet)，根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場實際情況，壓力設(shè)置為0.50 MPa；被吸氣體入口也采用壓力入口條件(Pressure-inlet)，壓力設(shè)置為0；出口采用壓力出口(Pressure-outlet)；因為考慮到消音器的封閉阻隔，根據(jù)實際測量數(shù)據(jù)設(shè)置出口壓力表壓值為0.08 MPa；固壁處采用無滑移邊界條件(Wall)；近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進(jìn)行修正；采用壓力和流速耦合(Coupled)的算法，選用二階迎風(fēng)格式(Second Order Upwind)進(jìn)行運(yùn)算求解。

2 仿真結(jié)果與分析

將劃分好網(wǎng)格的流體域模型導(dǎo)入Fluent軟件中進(jìn)行模擬計算，獲得引射器內(nèi)部流體壓力及流速等分布情況，如圖3所示。

從圖3a中可以看出，壓縮空氣流經(jīng)噴嘴后，壓力下降較快，在接受室已經(jīng)產(chǎn)生了負(fù)壓，尤其是在收縮管內(nèi)部，負(fù)壓最小值達(dá)到-0.23584 MPa，此時吸入口頂部附近的平均負(fù)壓值為-0.05835 MPa。與生產(chǎn)現(xiàn)場實際情況基本相符，說明采用Fluent軟件對其進(jìn)行數(shù)值模擬的可行性。從圖3b中可以看出，混合氣流速度沿引射器中心軸線呈階段性變化，引射入口處平均速度為588.7 m/s，在噴嘴端部速度達(dá)到最大，氣體流速已超過音速，故噴嘴極易因高速氣流沖刷而損壞，與實際使用情況相符。混合氣流最后以平均速度 231.2 m/s從擴(kuò)散管尾端流出。由圖3b、圖3c可得知，混合氣流在擴(kuò)散管尾端出現(xiàn)了較大區(qū)域的漩渦回流，這將影響氣體順利流動，造成較大的能量損失，不利于提高抬包的真空度。

圖3 抬包引射器仿真分析結(jié)果圖

根據(jù)文獻(xiàn)[12]，選取電解槽中高溫鋁液密度ρ=2.3×103kg/m3，真空出鋁抬包吸鋁高度h=2.1 m。由伯努利方程p=ρgh可知，在出鋁時真空抬包中的絕對壓力低于0.04738 MPa才能將鋁水吸入抬包中，在一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下折算為表壓其值應(yīng)達(dá)到-0.05395 MPa。在引射壓力為0.50 MPa且抬包整體密封完好的情況下，某型號的出鋁抬包可以將鋁水從電解槽吸取至抬包中，但一旦有泄漏點，抬包中的真空度將急劇下降，會出現(xiàn)由于真空度不夠?qū)е落X水抽取時間長，甚至無法抽取的情況。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真分析

3.1 仿真結(jié)果分析

由圖3中獲知氣流在擴(kuò)散管尾端出現(xiàn)了渦流，主要原因是吸入口為單入口結(jié)構(gòu)且位于引射器下部，當(dāng)吸入的低速氣體進(jìn)入收縮管混合進(jìn)行動量交換時，對整體氣流流動方向有擾動。針對不足之處，將吸入口設(shè)計為上下對稱分布同等直徑2個吸入口，用于消除漩渦現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后仿真模擬所采用的求解方法、邊界條件等設(shè)置與原結(jié)構(gòu)仿真時相同，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的引射器仿真分析結(jié)果圖

從圖4a壓力云圖可看出，同等條件下，雙入口結(jié)構(gòu)形式的引射器在吸入口頂部平均負(fù)壓值為-0.08029 MPa，遠(yuǎn)優(yōu)于單入口引射器。從圖4b速度云圖及流線圖也可看出，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的引射器擴(kuò)散管尾端出口處速度梯度分布均勻，流線順暢且清楚可辨，無漩渦回流現(xiàn)象。

3.2 引射壓力選取

在采用對稱雙入口結(jié)構(gòu)形式的引射器后，吸入口平均負(fù)壓值遠(yuǎn)小于吸入鋁水所需負(fù)壓值，說明引射入口壓力值可以適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整，具備節(jié)能降耗的空間。在不同引射壓力條件下，對優(yōu)化后引射器進(jìn)行模擬計算，便于獲得更加合理的生產(chǎn)技術(shù)參數(shù)。具體對比如表1所示。

表1 不同引射壓力條件下的對比表 MPa

由表1可知，隨著引射壓力的增加，在吸入口產(chǎn)生的負(fù)壓值越低，即出鋁抬包中的真空度越大，更容易將鋁液吸取進(jìn)入抬包中，但單位時間內(nèi)壓縮空氣的消耗量也將大幅增加。當(dāng)引射壓力為0.40 MPa時，產(chǎn)生的負(fù)壓值與吸鋁所需最低負(fù)壓值相差不大，考慮到現(xiàn)場實際存在泄漏情況，實際生產(chǎn)過程中引射壓力建議選取為0.45 MPa。

3.3 抬包吸鋁模擬分析

假定真空抬包密閉條件完好，取用引射入口壓力為0.45 MPa時抬包吸入口頂部平均負(fù)壓值作為壓力入口的初始條件；采用瞬態(tài)計算，流體體積(VOF)模型，啟用k-ε湍流方程，PISO算法進(jìn)行求解。其中鋁液動力黏度μ=1.196×10-3Pa·s，表面張力系數(shù)σ=0.72 N/m[13]。經(jīng)模擬計算后，鋁液被吸入抬包中的流動和體積分?jǐn)?shù)分布情況見圖5所示。

圖5 不同時刻鋁水體積分?jǐn)?shù)圖

由圖5得知，在出鋁真空抬包整體密封條件較好的情況下，鋁水在1.3 s左右就能被吸入抬包中，此時鋁水進(jìn)入抬包的平均速度為0.475 m/s，折算為鋁液流量即為0.527 t/min。若單臺槽出鋁量為3.2 t，則單臺槽吸鋁時間能控制在7 min以內(nèi)，滿足生產(chǎn)實際需求。

4 結(jié)論

(1) 可利用Fluent軟件對抬包引射器流場分布情況、抬包吸鋁瞬態(tài)過程進(jìn)行有效模擬分析，發(fā)現(xiàn)其不足之處便于針對性的改進(jìn)，對生產(chǎn)實際具有一定的指導(dǎo)作用和參考價值；

(2) 在相同噴嘴、喉嘴距、拉爾管尺寸以及同等入射壓力的情況下，對稱的雙吸入口結(jié)構(gòu)形式的引射器相比單吸入口引射器在整個流體區(qū)域壓力和流速分布都更加較均勻，出口未出現(xiàn)漩渦回流現(xiàn)象，整體速度流線順暢。出鋁抬包可獲得更高的真空度，從電解槽中吸取鋁液的初速度更快，可減少操作人員勞動時間，降低工人的勞動強(qiáng)度；

(3) 安裝有對稱雙吸入口結(jié)構(gòu)形式引射器的出鋁抬包，在入射壓力僅為0.45 MPa的情況下產(chǎn)生的真空度就可滿足現(xiàn)場工況需求，可減少壓縮空氣的消耗，具有一定的節(jié)能降耗空間。