（机械工程专业论文）撞击流吸收器流动特性的三维数值模拟研究.pdf

摘要 e l p e r i n 在1 9 6 1 年首先提出了撞击流( i m p i n g i n gs t r e a m s ，i s ) 的概念，随后进行 了十多年的两相流撞击实验及其应用的研究。在此基础上，t a m i r 、伍沅等人进 行了关于撞击流强化传质研究及撞击流在干燥、吸收、气体和固体的冷却和快速 加热、混合、多相反应等过程中的应用研究。研究结果证实，撞击流不但可以强 化多相流系统的热质传递过程，而且还可以极大地促进化学反应的进行。伍沅等 人并指出，燃煤烟气净化过程或许是撞击流技术的一个非常恰当的应用对象。 近年来，很多文献报道了针对撞击流反应器的热质高效传递特点而进行的撞 击流应用实验研究和简单的二维数值模拟，而采用f l u e n t 软件对撞击流特性 进行三维数值模拟研究的报道却很少。由于采用实验研究会带来巨大的投资，而 且实际的撞击流又是三维的，若用二维数值模拟肯定会带来很大的误差，所以， 本文提出用f l u e n t 软件对撞击流吸收器的流场和颗粒运动特性进行三维数值模 拟，可以更好地揭示其实际流动规律，并进行更准确地计算分析，为设计开发撞 击流燃煤烟气净化装置及其实际应用提供有用的基础数据和理论依据。 本文通过建立撞击流吸收器几何模型、划分网格、选择适当的数学模型和参 数并迭代计算，首先研究了空气的单相流动特性，主要探讨流场的形态以及静压 和速度的分布情况，并且讨论了空气进口速度和加速管间距对空气最大径向速度 的影响。其次，研究了铁颗粒的运动特性，主要包括铁颗粒的运动轨迹、轴向速 度、浓度分布和颗粒平均停留时间，并且讨论了进口速度、颗粒直径和加速管间 距对颗粒平均停留时间的影响。 从数值模拟结果与实验数据的比较可以看出，数值模拟的结果符合现有撞击 流理论并且与实验数据基本一致，这不仅验证了所建模型的正确性，而且证明使 用三维数值模拟方法来进行撞击流研究是可行的。本文的数值模拟结果为撞击流 吸收器的优化和改进设计提供了基础数据和理论依据，并为最终获得一种高效、 低耗、具有独立知识产权的磁撞击流脱硫新技术打下了基础。 关键词：撞击流；流场特性；颗粒运动特性；三维数值模拟；f l u e n t a b s t i 认c t t h ec o n c e p t i o no fi m p i n g i n gs t r e a m s ( i s ) w a sf i r s tp u tf o r w a r db yaf a m o u s r u s s i a ns c i e n t i s t e l p e r i ni n19 61 t h e nt h ei ss t u d yo ft w op h a s ef l o wl a s t e df o r m o r et h a nt e ny e a r sa b o u te x p e r i m e n ta n di t sa p p l i c a t i o n f o l l o w i n gh i ss t u d y , t a m i r a n dw uy u a nc a r r i e do u tt h es t u d yo fm a s st r a n s f e re n h a n c e m e n ta n da p p l i c a t i o na t d r y i n g ，a b s o r b i n g ，a i ra n ds o l i dc o o l i n g ，f a s th e a t i n g ，m i x i n ga n dm u l t i p h a s er e a c t i n g p r o c e s sw i t hi s t h er e s e a r c hr e s u l t sc o n f i r mt h a ti sc a nn o to n l yd a n c e h e a ta n d m a s st r a n s f e rp r o c e s s ，b u ta l s op r o m o t et h ep r o c e s so ft h ec h e m i c a lr e a c t i o n w uy u a n p o i n t so u tt h a tt h ef l u eg a sc l e a n i n go fc o a lm a yb eav e r ys u i t a b l eo b j e c t f o ri s t e c h n i q u e i nr e c e n ty e a r s ，al o to fp a p e r sa b o u tt h ea p p l i c a t i o ne x p e r i m e n tr e s e a r c ha n d2 一d h u m e r i c a ls i m u l a t i o n sw e r ep u b l i s h e dc o n c e r n i n gt h ec h a r a c t e r i s t i e so fe f f e c t i v eh e a t a n dm a s st r a n s f e rw i t hi sr e a c t o r h o w e v e r , 3 dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n sf o ri s c h a r a c t e r i s t i c sa r eq u i t ef e wb yu s i n gf l u e n ts o f t w a r e b e c a u s ea d o p t i n gt h e m e t h o do fe x p e n m e n tr e s e a r c hw i l lb r i n gt h ee n o r m o u si n v e s t m e n ta n dp h y s i c a l l yt h e i si so f3 d ，s ot h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt h e3 一dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt oi n v e s t i g a t e t h ec h a r a c t e r i s t i c so ff l o wf i e l da n dp a r t i c l em o v i n go fi su s i n gt h es o f t w a r eo f f l u e n t t h e3 dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw o u l dp r o v i d ea na c t u a lf l o wr e g u l a t i o na n d m o r ea c c u r a t e l yc o m p u t i n gd a t a t h eu s e f u lf u n d a m e n t a ld a t aa n dt h e o r yb a s i sw i l lb e h e l p f u lf o rt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n t o fa ni sf l u eg a sp u r i f y i n gd e v i c eo fc o a l t h r o u g he s t a b l i s h i n g ag e o m e t r i c a lm o d e lo fi s a b s o r b e r , d i v i d i n gm e s h ， c h o o s i n gp r o p e rm a t h e m a t i c sm o d e la n di t e r a t i n gc o m p u t a t i o n , t h i sp a p e rf i r s t l y s t u d i e dt h ef l o wc h a r a c t e r i s t i e so fa i rp h a s e t h ev e l o c i t ya n ds t a t i cp r e s s u r e d i s t r i b u f i o no ft h ef l u i dw o r es t u d i e da n dt h e nt h em a i nf a c t o r s ( v e l o c i t yi n - l e ta n d a c c e l e r a t i o nt u b ed i s t a n c e ) a f f e c t i n gt h em a x i m a lr a d i a ls p e e dw e r ed i s c u s s e d s e c o n d l y , t h i sp a p e rs t u d i e dt h em o v i n gc h a r a c t e r i s t i c so f i r o np a r t i c l e s ，i n c l u d i n gt h e p a r t i c l et r a c k s ，a x i a lv e l o c i t y , c o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o na n dt h ea v e r a g er e s i d e n c e t i m e t h em a i nf a c t o r s ( v e l o c i t yi n - l e t ，p a r t i c l ed i a m e t e ra n da c c e l e r a t i o nt u b e d i s t a n c e ) a f f e c t i n gt h ea v e r a g er e s i d e n c et i m ew e r ea l s od i s c u s s e d b yc o m p a r i s o nw i t ht h er e s u l t sf r o mt h ee x p e r i m e n t ，i t i sf o u n dt h a tt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dc a l ls u c c e e di ns i m u l a t i n gt h ei sa b s o r b e r t h e nw ec a r l d r a wt h ec o n c l u s i o nt h a tt h em o d e li ss u i t a b l ea n di ti sa p p l i c a b l et ou s et h e3 一d n u m e r i c a ls i m u l a t i o nt oc a r r yo u tt h er e s e a r c ho fi m p i n g i n gs t r e a m s i i t h er e s u l t so ft h e3 - dn u m e r i c a ls i m u l a t i o np r o v i d e db a s i cd a t aa n dt h e o r e t i c a l b a s e sf o r t h ef u r t h e ro p t i m i z e da n di m p r o v e dd e s i g no fi m p i n g i n g - s t r e a m sa b s o r b e r , a 1 1 dt h a tw i l lf i n a l l yb eb e n e f i ti no b t a i n i n g an e wm a g n e t i c - d e s u l p h u r i z a i o n t e c h n o l o g yo fi m p i n g i n g s t r e a m s w i t hh i g he f f i c i e n c y , l o wc o s ta n di n d e p e n d e n t i n t e l l i g e n tp r o p e r t yr i g h t k e yw o r d s ：i m p i n g i n g - s t r e a m s ；f l o w c h a r a c t e r i s t i c s ；p a r t i c l em o v i n g c h a r a c t e r i s t i c s ；3 - dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；f l u e n t u i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 。p ， 分互 日期：叩年，月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：宇奎日期：孑年j ，月日 导师签名：日期：o 一年r 月1 f 日 1 1 课题的背景和目的 第一章绪论 我国是煤资源最丰富的国家之一，煤燃烧产生的s 0 2 等有害物质是酸雨形 成的直接根源，大气中s 0 2 的存在还会对人体健康造成危害。据预测，在今后 3 0 年内，中国以煤炭为主的能源结构不会发生显著变化。因此，燃煤的脱硫技 术开发与研究就成了当前环保的迫切任务。 燃煤脱硫技术可分为燃烧前脱硫、燃烧中脱硫和燃烧后脱硫三种。燃烧后 脱硫即指烟气脱硫( f l u eg a sd e s u l p h u r i z a t i o n f g d ) 。在燃煤脱硫技术中，烟气 脱硫是目前在世界上唯一大规模商业化应用的脱硫方式，其他方式还不能在经 济、技术上与之竞争。f g d 技术按脱硫剂和脱硫产物的干湿形态分为湿法、半 干法和干法1 。 现有烟气湿法脱硫技术存在的问题是主体设备即吸收装置不理想，处理费 用较高璐3 。湿法脱硫工艺的主体设备为吸收塔，在吸收塔气液两相传质过程中， 传质效果的好坏与重力加速度的大小有关。但是，由于重力场较弱，液膜流动 缓慢，单位体积内有效接触面积小、由液膜控制的传质过程的体积传质系数低， 故这类设备体积庞大、空间利用率和设备生产强度低、设备投资大。有鉴于此， 研发一种新型燃煤烟气脱硫吸收器是十分必要的。 撞击流( i m p i n g i n gs t r e a m s ，i s ) 的概念首先由e l p e r i n 提出并进行实验。此后 e l p e r i n 和t a m i r 等学者进行了一系列基础和应用研究。证实了撞击流能大大强 化过程的热质传递，促进化学反应，提高化学装置的生产能力。其特点是可显 著强化气一固、气一液、气一气及液一液等系统的热、质传递过程哺7 1 。伍沅提出燃 煤烟气湿法脱硫过程或许是撞击流技术的一个非常恰当的应用对象哺1 。 目前，采用金属氧化物作为添加剂制成高活性吸收剂来脱除s 0 2 的研究已 经成为一个热点。研究表明，许多金属氧化物都在不同程度上提高了脱硫效果 阻1 0 1 ，这说明金属氧化物颗粒对脱硫而言具有催化作用。 近年来，很多文献报道了针对撞击流反应器的热质高效传递特点而进行的 撞击流应用实验研究口1 和简单的二维数值模拟乜拢引，而采用f l u e n t 软件对 撞击流特性进行三维数值模拟研究的报道却很少。本课题的目的就是对撞击流 吸收器的流场和颗粒运动特性进行三维数值模拟方法进行计算和分析，从而揭 示其中流体和颗粒的主要流动规律，为撞击流吸收器的优化和改进设计提供基 1 1 课题的背景和目的 第一章绪论 我国是煤资源最丰富的国家之一，煤燃烧产生的s 0 2 等有害物质是酸雨形 成的直接根源，大气中s 0 2 的存在还会对人体健康造成危害。据预测，在今后 3 0 年内，中国以煤炭为主的能源结构不会发生显著变化。因此，燃煤的脱硫技 术开发与研究就成了当前环保的迫切任务。 燃煤脱硫技术可分为燃烧前脱硫、燃烧中脱硫和燃烧后脱硫三种。燃烧后 脱硫即指烟气脱硫( f l u eg a sd e s u l p h u r i z a t i o n f g d ) 。在燃煤脱硫技术中，烟气 脱硫是目前在世界上唯一大规模商业化应用的脱硫方式，其他方式还不能在经 济、技术上与之竞争。f g d 技术按脱硫剂和脱硫产物的干湿形态分为湿法、半 干法和干法1 。 现有烟气湿法脱硫技术存在的问题是主体设备即吸收装置不理想，处理费 用较高璐3 。湿法脱硫工艺的主体设备为吸收塔，在吸收塔气液两相传质过程中， 传质效果的好坏与重力加速度的大小有关。但是，由于重力场较弱，液膜流动 缓慢，单位体积内有效接触面积小、由液膜控制的传质过程的体积传质系数低， 故这类设备体积庞大、空间利用率和设备生产强度低、设备投资大。有鉴于此， 研发一种新型燃煤烟气脱硫吸收器是十分必要的。 撞击流( i m p i n g i n gs t r e a m s ，i s ) 的概念首先由e l p e r i n 提出并进行实验。此后 e l p e r i n 和t a m i r 等学者进行了一系列基础和应用研究。证实了撞击流能大大强 化过程的热质传递，促进化学反应，提高化学装置的生产能力。其特点是可显 著强化气一固、气一液、气一气及液一液等系统的热、质传递过程哺7 1 。伍沅提出燃 煤烟气湿法脱硫过程或许是撞击流技术的一个非常恰当的应用对象哺1 。 目前，采用金属氧化物作为添加剂制成高活性吸收剂来脱除s 0 2 的研究已 经成为一个热点。研究表明，许多金属氧化物都在不同程度上提高了脱硫效果 阻1 0 1 ，这说明金属氧化物颗粒对脱硫而言具有催化作用。 近年来，很多文献报道了针对撞击流反应器的热质高效传递特点而进行的 撞击流应用实验研究口1 和简单的二维数值模拟乜拢引，而采用f l u e n t 软件对 撞击流特性进行三维数值模拟研究的报道却很少。本课题的目的就是对撞击流 吸收器的流场和颗粒运动特性进行三维数值模拟方法进行计算和分析，从而揭 示其中流体和颗粒的主要流动规律，为撞击流吸收器的优化和改进设计提供基 础数据和理论依据，并期望最终获得一种效率高、消耗低、运行稳定的撞击流 脱硫新技术。 1 2 撞击流技术 1 2 1 撞击流的基本原理 撞击流的构想最初是由前苏联学者e l p e r i n 于1 9 6 1 年首先提出的，其构想 是使两股等量气体充分加速固体颗粒后形成的气一固两相流同轴高速相向流动 并在两加速管的中间即撞击面上相互撞击，如图1 1 所示口】。 加速管出口处气速可高达2 0 m s 以上，理论上颗粒可被加速到接近气体速 度。两股高速两相流撞击的结果，形成了一个高度湍动、颗粒浓度最高的撞击 区，为强化热、质传递提供了极好的条件。在两相密度相差很大的体系如气一 固悬浮体中，颗粒因惯性可从一股流体渗入另一股反向流体，并在开始渗入反 向流的瞬间，相间相对速度达到最大值。渗入反向流后，颗粒又因反向气流的 摩擦阻力而减速；达到零速度后又被该气流反向加速向撞击面运动，随后渗入 原来的气流。如此减幅振荡往复运动若干次后，颗粒的轴向速度逐渐消失，最 后被撞击后转为径向流动的气流带出撞击区。 撞击画 图1 1 撞击流的基本结构和原理 当两股液一固悬浮体相向流动撞击时，理论上固体颗粒往复渗透振荡运动的 现象也可能发生。不过，由于流体操作速度较小、反向流的摩擦阻力很大，难 以察觉颗粒的渗入。 e l p e r i n 和t a m i r 认为，在以气体为连续相的撞击流中，相间传递采用下列 因素得到强化： ( 1 ) 颗粒与反向气流间的相对速度大幅度增大。撞击面附近的相对速度 罅按下式计算： u ，= u 口一( - - u 。) ( 1 1 ) 式( 1 1 ) 中，气流速度可近似认为恒定；颗粒速度u n 在往复渗透运动 2 中随时变化。颗粒刚渗入反向流体时，相对速度达到最大值；在极端情况下， 若颗粒在加速管中被加速到等于气流速度，则该最大值可达气体速度的2 倍( 见 图1 1 ) 。在其他任何时刻，颗粒与反向气流的相对速度都大于气流速度。对于 气一固体系撞击流，加速管中的气流操作速度一般在1 0 m s 以上，有时甚至可高 达2 0 m s 以上。传统塔设备操作的相间相对速度显然不能与之比拟。 ( 2 ) 颗粒在相向气流间往复渗透延长了它们在传递活性区中的停留时间， 使强化传递的条件在一定程度上得以延续。e l p c r i n 在实验研究中观察到颗粒往 复振荡运动可多达5 , - 一8 次。对于瞬间进行的过程，如煤粉或油滴燃烧，停留时 间延长的幅度具有非常重要的意义。往复振荡运动延长颗粒停留时间的宏观表 现是撞击区单位容积拥有大得多的相界面积。 ( 3 ) 两股流体的连续相相向撞击，加上颗粒的往复振荡运动，导致撞击区 强烈混合，造成温度和组成均化。在某些情况下，这有利于提高平均推动力， 促进传递过程。 ( 4 ) 在气一液体系撞击流中，高的相间相对速度和颗粒碰撞促进液相表面 更新，减小液膜阻力，从而增大总传质系数。 1 2 2 撞击流的主要特性 了解撞击流的基本性质，对于撞击流的开发应用具有指导意义。根据前人 以及现代国内外学者的研究，从撞击流的工作原理及其可能的应用途径的观点 来看，撞击流有如下的重要性质h 1 ： 1 中等的流体阻力 因涉及高速流动，所以撞击流中的流体阻力是人们关注的问题之一。我国 学者吴高安和伍沅对气一固系在水平撞击流接触器中进行了研究。结果表明：( 1 ) 只要装置结构设计合理，阻力并不大：( 2 ) 压降主要消耗在加速固体颗粒，对 于粒径约1i i l f l l 的油菜籽或黍粒空气体系，采用约l m 的长加速管，气速在2 0 - - - 3 0 m s 之间，总压降仅4 0 0 - , 5 0 0 p a ：加速颗粒引起的压降约占总压降的8 0 。 因此，对于粉粒状物料，流体阻力不应当成为撞击流应用的障碍。然而，对于 过大、过重的颗粒，因为加速需要的能量相当高，所以采用撞击流处理则是不 恰当的。 2 很高的传递系数 撞击流最具吸引力的一个重要性质是可以强化相间传递。以色列学者t a m i r 等对各种物系和多种单元过程的试验研究的结果表明，撞击流中相间传递系数， 特别是对于两相密度差很大和外扩散过程的传质系数，可以比传统过程提高数 倍到十几倍。 3 混合强烈的撞击区 对于固相、液相和液一固相体系，混合情况对加工过程往往有重大影响。 对于固体混合，t a m i r 利用撞击流使固体混合，试验结果表明撞击流大大增强了 颗粒运动的随机性，使得撞击区成为颗粒的理想混合区。对于液相或以液相为 连续相的多相体系中进行的液相和液固相的混合过程，b r a u e r 以及我国的陈煌 等研究证明：撞击流对液相和液固相混合有重大影响，对于促进混合过程很有 效。 近3 0 年来，微观混合问题引起人们的普遍关注，撞击流的微观混合性质也 引起研究者的广泛兴趣。中外学者的研究表明，撞击流可以有效地促进微观混 合，这是极有应用潜力的特性。 4 很短的颗粒停留时间 l u z z a t t 等和吴高安、伍沅等采用不同的方法研究了气一固撞击流接触器中 颗粒停留时间分布，一致的结果是：撞击区中颗粒平均停留时间很短，仅约l s 。 由于有很多过程即使在强化传递和混合的条件下也需要很长时间，这一特性使 得撞击流的单独应用受到限制。 5 破碎、分散和雾化 气固撞击流装置中气流携带被加速的颗粒相向撞击可导致或( 和) 颗粒与壁 面剧烈的碰撞，产生粉碎研磨作用，这一特性可用来制取亚微米超细粉体，事 实上已成功开发了撞击流研磨机，例如t r o s t 射流磨机。 1 2 3 撞击流的研究进展 迄今为止，撞击流的研究与开发大致经历三个阶段h 1 。 第一阶段从概念提出到2 0 世纪7 0 年代中期，是撞击流研究的初创时期， 工作基本上集中在前苏联。1 9 6 1 年，前苏联的学者e l p e r i n 首先提出了撞击流 的概念，1 9 7 2 年，他以俄文出版的专著反映了此阶段研究工作的深度、广度和 主要成果。该阶段研究的对象集中在气体连续相撞击流( g a sc o n t i n u o u s i m p i n g i n gs t r e a m s ，简记为g i s ) ，尤其是关于运动以及强化传递等基本规律方面 的研究。 第二阶段从2 0 世纪7 0 年代中期e l p e r i n 去世后到9 0 年代前期，工作主要 集中在以色列( 前苏联也还有些工作) 。t a m i r 于1 9 9 4 年出版的专著是此阶段工 作的系统总结。此阶段应用开发研究涉及面非常广泛，几乎遍及所有的化工单 元过程。 最近十年关于撞击流的研究可以认为是处于第三阶段，从事该研究的地域 已扩展到包括中国、美国、加拿大、德国等在内的2 0 多个国家和地区。我国学 者伍沅从1 9 9 2 年开始撞击流的研究，并获得国家自然科学基金和浙江省自然科 学基金资助。2 0 世纪9 0 年代以来该领域研究最重要的进展是发现了液体连续 4 相撞击流( l i q u i d ，简记为 ) 显著强化微观混c o n t i n u o u s i m p i n g i n gs t r e a m s l i s 合。该性质使得撞击流可能有效应用的领域大大扩展，尤其是向化学反应体系 方面扩展。 至少有一个连续相是实施撞击流的必要条件，连续相可以是气体或液体。 两种撞击流分别称为气体连续相撞击流和液体连续相撞击流。 近十多年来，撞击流领域的研究有明显的转向以液体为连续相的趋势。这 种研究重点的转移有其深刻的背景。气体或液体性质上有重大差异，这种差异 几乎完全改变了分别以气体和液体为连续相的撞击流的性能。与气体相比，液 体相对密度和黏度分别大3 个和2 个数量级，致使两股相向流体撞击时发生强 烈的动量传递和相向流体的流团间相互剪切、挤压等作用，还在撞击区产生波 动。其结果有效地促进了微观混合。并有可能促进动力学过程和促使流团破碎。 对于液相和以液体为连续相的过程，这些作用具有重要意义。液体连续相撞击 流的可应用性质远高于气体连续相撞击流。撞击流连续相研究重点的转移预示 着撞击流的工业应用将有长足的进展。 1 2 4 撞击流开发应用的主要方向 最近十多年来，国内外有关撞击流应用的开发研究有增长的趋势，最有希 望获得成功、因而也最引人关注的有如下几个领域心5 1 。 1 撞击流干燥 干燥是以相间热质传递为基本特征的加工过程。作为强化相问传递最有效 的方法之一，撞击流在干燥中的应用是很有吸引力的，干燥也是撞击流应用开 发最多的领域之一。 2 撞击流的粉碎和研磨 利用气固两相撞击流破碎和研磨固体颗粒的突出优点是装置没有研磨部 件，可以有效防止摩擦产生热而损坏热敏性物料，避免磨料污染产品。 3 撞击流反应制取超细粉体 由于撞击流具有促进微观混合的特性，瞬间完成的反应沉淀过程可以单独 在撞击流中完成，因而近十多年来倍受重视。 4 撞击流燃烧 撞击流强烈的微观混合对气体燃料燃烧和强化传质以及液体或固体燃料的 燃烧都是十分有利的。多股火焰相互倾斜撞击的方式已用在较新型的民用燃气 灶具中。最近的研究主要集中在改进燃烧室结构和喷燃器的安排方面，以期进 一步提高燃烧效率。 5 撞击流技术应用于燃煤烟气脱硫 在撞击流技术应用于燃煤烟气脱硫方面，国外具有代表性的研究是以色列 5 的b e r m a n 和t a m i r 用同轴圆筒撞击流吸收器作为新型湿法脱硫吸收器，用 c a ( o h ) 2 或n a o h 溶液作为吸收剂，对烟道气中s 0 2 的吸收进行的实验和模型 研究。实验结果在理论上是不错的，但要想应用于工程实际还存在许多问题： 首先，研究中采用气流雾化喷嘴，从工业实际应用的观点看，气流雾化所需能耗 相当高，在操作费用中占有相当大的比例：其次，吸收装置结构复杂，容易结垢。 伍沅提出燃煤烟气湿法脱硫过程或许是撞击流技术的一个非常恰当的应用 对象。国内目前也已有将撞击流技术应用于烟气脱硫实验研究的报道。 大量试验研究结果已经证明，撞击流对强化传递与混合有显著的效果，在 包括燃煤烟气脱硫在内的多种加工过程中应当有广阔的应用前景。只要对撞击 流的性能、优点和局限性有清醒的认识，注意扬其所长、避其所短，努力解决 应用中的工程问题，在开发研究中加强国内外同行间的合作与交流，成功将指 日可待。 1 3 计算流体力学与数值模拟 撞击流的研究手段主要集中在实验研究，但是由于实验研究耗费巨大，设 计周期较长，实验研究还受到实验条件、实验设备、实验时间的限制。理论分 析的方法目前还只能解决一些简单问题，对于撞击流这种复杂的流体流动仅靠 理论分析还无能为力。所以，有必要借助于计算机进行数值模拟研究。 1 3 1 计算流体力学 计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 是通过计算 机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统做 出分析。c f d 的基本思想可以归结为：把原来在时问域及空间域上连续的物理 量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替， 通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组。 然后求解代数方程组获得场变量的近似值。 c f d 可以看做是在流动基本方程( 质量守恒方程、动量守恒方程、能量守 恒方程) 控制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟，我们可以得到极其复 杂问题的流场内各个位置上的基本物理量( 如速度、压力、温度、浓度等) 的分 布，以及这些物理随随时间的变化情况，确定旋涡分布特性、空化特性及脱流 区等。还可以据此算出相关的其他物理量，如旋转式流体机械的转矩、水力损 失和效率等。此外，与c a d 联合，还可以进行结构优化设计等。 6 c f d 方法与传统的理论分析方法、实验测量方法构成了研究流体流动问题 的完整体系，图1 2 给出了表征三者之间关系的“三维”流体力学示意图1 。 图1 2 “三维”流体力学不惫图 理论分析方法的优点在于所得结果具有普遍性。各种影响因素清晰可见， 是指导实验研究和验证新的数值计算方法的理论基础。但是，它往往要求对计 算对象进行抽象和简化，才有可能得出理论解。对于非线性情况，只有少数流 动才能给出解析结果。 实验测量方法所得到的实验结果真实可信，它是理论分析和数值方法的基 础，其重要性不容低估。然而，实验往往受到模型尺寸、流场扰动、人身安全 和测量精度的限制，有时可能很难通过试验方法得到结果。此外，实验还会遇 到经费投入、人力和物力的巨大耗费及周期长等许多困难。 而c f d 方法恰好克服了前面两种方法的弱点，在计算机上实现一个特定的 计算，就好像在计算机上做一次物理实验。例如，机翼的绕流，通过计算并将 其结果在屏幕上显示，就可以看到流场的各种细节：如激波的运动、强度、涡的 生成与传播，流动的分离、表面的压力分布、受力大小及其随时间的变化等。 数值模拟可以形象地再现流动情景，与做实验没有什么区别。 采用c f d 方法对流场进行数值模拟，通常包括几个方面的工作：建立反映 问题本质的数学模型：寻求高效率、高精度的计算方法，离散控制方程，建立坐 标，处理边界条件：编制与调试程序；显示计算结果。数学模型的建立主要依据 各种流体理论，由理论工作者完成。寻求计算方法部分是c f d 的核心。通过 c f d 计算求解问题的过程如图1 3 所示。 7 1 3 2c f d 软件 建立控制方程 上 确定初始条件和边界条件 上 l 划分计算网格，生成计算节点( 区域离散化) 一 建立离散方程( 方程离散化) 上 初始条件与边界条件离散化 上 给定求解控制参数 上 求解离散方程 多 ， 结束 图1 3 求解框图程序 所有的商用c f d 软件均包含三个基本部分：前处理器( p r e p r o c e s s o r ) 、求解器 ( s o l v e r ) 和后处理器( p o s t p r o c e s s o r ) 瞳lz s 。 前处理器一般是提供给用户一定的对话框，用来完成对所求问题的描述和 定义，另外也包括网格的生成。 求解器用来对问题进行求解，主要包括数学模型的离散和代数方程的求解。 后处理器用来显示数值计算的结果，如显示计算区域几何模型和网格，显 示流场内各物理量的矢量图、等值线图、填充型的等值线图( 云图) 、x y 散点图 以及颗粒的运动轨迹图。另外，后处理器常常还包括一定的图像处理功能。后 处理使计算结果更加直观，便于对问题的分析与研究。 目前，世界上比较著名的c f d 商用软件有f l u e n t ，p h o e n i c s ，c f x ，s t a r c d ， a n s y s 等。这些软件功能强大，通用性强，可以求解工程领域的各种复杂问题： 前后处理功能强，能与c a d c a e 接口，便于用户完成造型和网格的生成：可在多 种计算机系统和操作系统中运行。商用c f d 软件的这些优点使更多的工程人员 8 都可以使用c f d 方法进行流动的数值模拟，完成工程的设计与优化。 本文使用的c f d 商用软件是f l u e n t 6 0 。 1 3 3f l u e n t 的基本用法 f l u e n t 是目前处于世界领先地位的c f d 软件之一，广泛用于模拟各种流 体流动、传热、燃烧和污染物运移等问题。f l u e n t 是一个c f d 求解器，在使 用f l u e n t 进行求解之前，必须借助g a m b i t , t g r i d 或其他c a d 软件生成网 格模型啪1 。 1 求解方案 在使用f l u e n t 前，首先应针对所要求解的物理问题，制订比较详细的求 解方案。制订求解方案需要考虑的因素包括以下内容。 ( 1 ) 决定c f d 模型目标。确定要从c f d 模型中获得什么样结果，怎样使 用这些结果，需要怎样的模型精度。 ( 2 ) 选择计算模型。在这里要考虑怎样对物理系统进行抽象概括，计算域 包括哪些区域，在模型计算域的边界上使用什么样的边界条件，模型按二维还 是三维构造，什么样的网格拓朴结构最适合于该问题。 ( 3 ) 选择物理模型。考虑该流动是无粘、层流，还是湍流，流动是稳态还 是非稳态，热交换重要与否，流体是用可压还是不可压方式来处理，是否多相 流动，是否需要应用其他物理模型。 ( 4 ) 决定求解过程。在这个环节要确定该问题是否可以利用求解器现有的 公式和算法直接求解，是否需要增加其他的参数( 如构造新的源项) ，是否有更 好的求解方式可使求解过程更快速地收敛，使用多重网格计算机的内存是否够 用，得到收敛解需要多久的时间。 一旦考虑好上述各问题后( 当然个别问题只能等到计算结束后才有明确答 案) ，就可开始进行c f d 建模和求解。 2 求解步骤 当制订了求解方案后，便可按下列过程开展流动模拟。 ( 1 ) 创建几何模型和网格模型( 在g a m b i t 或其他前处理软件中完成) 。 ( 2 ) 启动f l u e n t 求解器。 ( 3 ) 导入网格模型。 ( 4 ) 检查网格模型是否存在问题。 ( 5 ) 选择求解器及运行环境。 ( 6 ) 决定计算模型，即是否考虑热交换，是否考虑粘性，是否存在多相等。 ( 7 ) 设置材料特性。 9 ( 8 ) 设置边界条件。 ( 9 ) 调整用于控制求解的有关参数。 ( 1 0 ) 初始化流场。 ( 1 1 ) 开始求解。 ( 1 2 ) 显示求解结果。 ( 1 3 ) 保存求解结果。 ( 1 4 ) 如果必要，修改网格或计算模型，然后重复上述过程重新进行计算。 1 4 本文的主要工作 正确建立撞击流吸收器的三维几何模型和相应的数学模型，在此基础上采 用商用f l u n e n t 软件实现撞击流吸收器的三维数值模拟，比较系统地研究撞击 流吸收器中的空气场和颗粒场，通过把数值模拟的结果与现有实验数据和理论 进行比较，证明把数值模拟用于撞击流研究的可行性，为今后进一步利用数值 模拟开展撞击流研究以及撞击流吸收器优化设计打下坚实的基础。 1 5 本章小结 本章首先了介绍本文研究的背景和将要进行的工作，然后介绍了目前国内 外撞击流研究与应用的情况。在指出实验研究和理论分析在撞击流研究中的局 限性的同时，提出了本文的c f d 研究方法一三维数值模拟的方法并简单介绍 了本文用到的数值模拟工具f l u d 汀软件。最后，指出了本文工作要达到 的目标。 1 0 第二章撞击流吸收器的数学模型研究 流体流动要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：质量守恒定律、 动量守恒定律、能量守恒定律。如果流动包含有不同成分的混合或相互作用，系 统还要遵守组分守恒定律。如果流动处于湍流状态，系统还要遵守附加的湍流输 运方程。控制方程( g o v e r n i n ge q u a t i o n s ) 是这些守恒定律的数学描述。 2 i 撞击流吸收器的物理模型 本文采用的撞击流吸收器几何模型基本数据为：吸收器筒体直径1 2 0m m ， 高1 2 0m m ，总高2 0 0 唧，出口直径3 0m m ；加速管直径2 0 m m ，长1 2 0 r a m ，并可 以移动以改变两管出口面之间的距离。如图2 1 所示。两股气流以相同的流速进 入吸收器两侧的加速管，气流高速流经加速管后在吸收室中心相向撞击形成高度 湍动的撞击区，然后通过上、下两个出口排出。铁颗粒从距离加速管进口面2 0 m 处加入。 流体_ 出口 t 上 出口 图2 1 撞击流吸收器几何模型 卜流体 加速管中气流速度e h ：i ：程实际的需要确定。在一般的吸收器中，常用的气流 速度为5 - - - 3 0 m s 。所以，本文就选取了其中几个有代表性的速度作为考察对象， 它们分别是1 0 、1 5 、2 0 、2 5 、3 0 m s 。其质量流量与雷诺数分别由式2 1 和2 2 确定啪1 ： g = 删孚 ( 2 1 ) r e ：u d ( 2 2 ) 式中：伊一加速管管径( d = 2 0 m m ) 矿一空气的密度( p = 1 2 2 5 k g m 3 ) z r _ 空气的速度 矿一空气的动力粘度( = 1 7 8 9 4 1 0 。5 k g m s ) i 广_ 空气的运动粘度m 2 s 。 湍流强度可以用下面的经验公式计算陋们： ，= 兰0 1 6 ( r e ) 圳8 ( 2 3 ) “嘴 “ 在各速度条件下，气流的质量流量、雷诺数与湍流强度的计算值见表2 1 。 表2 1 各气流速度下的质量流量、雷诺数与湍流强度 气流速度( m s ) 质量流量( k g s ) 雷诺数湍流强度( ) 1 0 0 0 0 3 8 4 6 51 3 7 1 0 44 8 1 50 0 0 5 7 6 9 82 0 5 1 0 44 6 2 00 0 0 7 6 9 3 02 7 4 1 0 44 5 2 50 0 0 9 6 1 6 33 4 2 1 0 44 3 3 00 0 11 5 3 9 5 4 1 1 1 0 4 4 2 加入加速管中的铁颗粒的物理性质为：铁颗粒密度p p = 7 8 7 0 k g m 3 ，粒径 d = - 2 0 0 - - - 5 0 0 p m 。 2 2 流体相的数学模型 对于所有的流动，都需要解质量守恒方程和动量守恒方程。对于包括热传导 或可压性的流动，需要解能量守恒的附加方程。对于包括组分混合和反应的流动， 需要解组分守恒方程或者使用p d f 模型来解混合分数的守恒方程以及其方差。 当流动是湍流时，还要解附加的输运方程瞳引。 2 2 1 简化假设 在建立流体相的数学模型时，对气体流动做如下的假设： ( 1 ) 由于吸收器工作性能的影响主要是正常工作时的状态，所以本模型不 考虑启停情况，只研究稳定运行时的状态，因此假定流体流动是稳态。 ( 2 ) 尽管气体的可压缩性与液体相比大得多，在研究气体的时候，应该考 虑温度与压强对气体的体积和密度的影响，但当压强变化不大时，通常可忽略可 压缩性的影响，按不可压流体来处理，其结果也是足够精确的【驯。同时，由于流 动时间很短，温度的影响可以忽略。所以，为了简化计算，假设流体为不可压缩 1 2 流体。 ( 3 ) 由于重力引起的流体速度变化与流场中的流体速度值相比是很小的， 因此假设重力的影响可以忽略。 2 2 2 质量守恒方程 为便于分析，控制方程以张量的指标形式表示。根据张量的约定，这里的i 和，指标的取值范围是( 1 ，2 ，3 ) 。 任何流动问题都必须满足质量守恒定律。该定律可表述为：单位时间内流体 微元体中质量的增加，等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量。按照这一定 律，可以得出质量守恒方程( m a s sc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n s ) 汹1 质量守恒方程又称连续性方程，它的微分形式表达式为： 警+ 导沏，