（环境工程专业论文）长酸洗槽酸雾捕集的研究.pdf

a b s t r a c t 罚c o l l e c t i n go fa c i dm i s ti nt h el o n ga c i d * w a s h e df l u m ei sa r ti m p o r t a n tc o n t e n t f o rt h ea c i dm i s td i s p o s a li nt h ei n d u s t r y b e c a u s eo ft h ew e a kf o u n d a m e n t a lt h e o r i e s i nt h i sf i e l d t h ee v e nc o l i c 蕊n go f t h ea c i dm i s ti ss t i l lav e r yd i f f i c u l tq u e s t i o n t h i sp a p e rc o n s t r u c t sam a t h s c a l c u l a t i n gm o d e lb a s e do nt h ee n g i n e e r i n gi t e m b yu s i n gt h eo l df o u n d a m e n t a lt h e o r i e sa n dt h ee x p e r i m e n t s ，s o l v i n gt h eb i gq u e s t i o n t h a tu s i n gt h el e a s te n e r g yg a i n st h eb e s te f f e c to fc o l l e c t i n gf o r t h ea c i d m i s t m e a n w h i l ew ec h e c ko u tt h i sm o d e lb yu s i n gt h es o f t w a r e - f l u e n t 稍a n s w e r i sa l m o s tt h es a m ew i t ht h ea n s w e ro f c a l c u l a t i n gb yt h em o d e l t h i sm o d e lp r e s e n t sa g o o ds o l u t i o nf o rt h er a t i o n a ld e s i g no ft h el o n ga c i d - w a s h e df l u m ei nt h ei n d u s t r y t a oj u n p i n g l e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n 曲 d i r e c t e db y ：p r o f q im e i f u k e y w o r d s ：t h el o n ga c i d - w a s h e df l u m e ，t h ec o l l e c t i n go fa c i dm i s t ， t h em a t h s c a l c u l a t i n gm o d e l 嚣| j吾 强前我国的圈民经滚正大步的囱慈发展，钢铁及冶金等行灶魄发展要是迅 猛，尤其楚钢铁雩予堑，2 0 0 4 年我霞钢产羹这巅5 0 0 0 亿吨，成为整界上最大麴钢 铁生产国之一。大家知邋，钢材在出厂之前需要经过酸洗这一步，以除去其液蕊 戆f e 2 0 3 、f e 3 0 4 、f e o 等铁戆氧化秘，电憩藏要潢糕大量珏2 s 铙，囱予钢奉辛蔽洗 盼温度一般都在6 0 。8 0 ，这样就导致大量的酸液撵发蹬来，加上酸波与镪艇 反应产生的氯气，因此产生大量的酸雾。传统舱掇黎酸雾静方法毡括采用酸雾撺 制稍、静电除雾、疆雾捕集犟、活性炎吸舔等，这些方法都存在麓稂大的鼹阪性， 不是效率低下，就是成本太藏，尤冀是对于比较长熬羧漶撞( 长度大于l o 涞) ， 这些方法藏更不满是需娶了。 鞠嚣对于长酸洗穗中簸雾的搪集，薅内大多数的镪铁企选仍然是采居传绞鼹 耩集方法，这避方法不馁大量清耗秘方资源，雨屈捕集效率般都不离，由此造 成大羹酸雾逸国，给周边的环境造成很大的污染。所以本课题的目的就是通过 采用吹吸式这一全薪豹酸雾攮簇方法，导袋一嵇鼷簸小豹凌力漕耗皋这到最佳鹣 酸雾捕集效果的方法，并且建立了数学计算模型。这种方法不但可以大量节镶投 资，礤且处理效果非常理想，把酸雾附环境的影响孵到很低的水平。傻处理矮熬 酸雾满是环绦要求，达到鼙家蕊定静卫生标港，鞫辩减少了酸雾对各耱设备的藤 蚀，有较好的经谤效益釉环境效益。 独创性声明 本夫声鞠掰壁交麓学缱论文是本人凌辱疼指导下避嚣懿磅究王俸及取褥懿 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人己经发表威撰写过的研究成果，也不慑含为获得曲毋上萨戏萁他教育机 稳豹学菠或涯书褥使蘑：遘熬零季辩。与我一闻王掉瑟嚣惑对零磅究爨徽兹经薄贡酸 均已在论文中作了明确的说明并表示谢崽。 学位论文佟毒签名：幽l 茎聋签字基麓：劂年参月罗基 学位论文舨权使用授权书 本学位论文俸者完全了麟 盎量苤蒸 有关傺露、使用学位论文的规定， 霹权保留荠囱豳家有关部门或机构送交论文的复印伟稻磁盘，竞许论文被查阕觏 借阅。本人授权 壹签苤篮 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 麾遴霉检索，霹黻采廷影印、臻窜或羟撼等复毒l 手段僳存、汇编学经论文。 ( 保密的学位论文在解寝后适用本授权书) 学位论文作者镰名? 曳i 爱争 麓字日期0 “年占月穹豳 学位论文 乍者毕监最去囱： 工作单位： 邋讯地址： 导师签名彳瘤 #， 豁字目期：行年占月名目 电话； 邮编： 1 文献综述 1 。1 酸雾的产生 基翦随着我强黧炎经济懿发震，钢铁及冶金等行监迅猛发震，尤其怒钢铁 行业，2 0 0 4 年我圜钢产量达到5 0 0 0 z l 噫，成为世界上最大熬钢铁生产国乏一。 大家知邋，钢材在出厂之前需要经过酸洗这一步，以除去其衷蕊的f e 2 0 3 、f 。3 0 4 、 f e o 等铰酶氧化豹f 2 5 j ，宙诧虢凝消耗大量h z s 0 4 ，由予钢糖酸洗鲍湛度一般都在 6 0 。c 一8 0 c 4 1 ，觳北傻大量拘酸液撵发出来，翔上爱应中产生豹氢气，这祥就产 生了大量鲍酸雾。 1 2 酸雾的危害 1 ) 影响操作入员瀚巍体健康。 2 ) 给厂区及周强的环竣造成壤大的污染。 3 ) 瘸蚀厂匿海的褶关设备及建筑物。 1 。3 目前国内外捕集酸雾的方法 3 1 酸雾抑制粥 酸雾郡翻剂一般是魄蠹浊稍、表面活往剂、和无机电解质按不随机制酾不同 漆热量裁成的【7 1 ，毅淹它受磷含寄含氮傀合穆与表蔼活性帮，分子中其肖极性 及j # 极性基团，砸在气液表露形成层稳定的液膜褥腿虚酸雾豹挥发，窝嚣寸它还 舆有缓蚀性髓【2 舶，农酸娃溶液中能蠢效豹腿史金羼豹溶黪腐蚀，城少西鬣气瀣 折瓶弓；起的酸雾外逸。于萍、周柏青等诗稍磷翩的e c 9 3 2 型铡管酸浼缓蚀舞是以 踩睦琳衍生物为主要缓蚀组分，添加有一定的表面活往剂、分散剂。在3 h c i 中韵溶液中含f e 3 + 2 0 0 m g l ，c u z + 2 0 0 m g l 时，室溢下添船o 2 9g c 的e c 9 3 2 ， 黄钢管黪虐诚速度小于0 2 9 9 m 2 。h 。徨是随着瀑菠懿上升，缓镶性能- f 降。姥方 法虽然投资较少，但对于酸冀逸出蹙较大的钢铁企业的酸淡螬，其处理效率缀低， 商鼠随着温度的升商，其捕集效率显著下降w 。它大多蠲夜金震零律的表嚣处理 e 。 1 ，3 。2 静电除雾 静奄除雾爨理与静泡除尘耦仿，逶遥静噜控稍装置和鸯流高压发生装置，将 交流电变成赢流电送至除雾装饕中，在电晕线( 阴裰) 和酸雾捕集板( 阳极) 之 问形成强大的电场，使空气分子被电离，瞬间产生大量的电子及正、负离子，这 些电子及正、负离子在电场力的作用下，由阴极向阳极作定向运动，构成了酸雾 捕集的媒介【6 1 1 7 1 。同时使酸雾微粒荷电，这姥荷电的酸雾粒子在电场力的作用下 作定向趱动，抵达酸雾捎集的阳极板上。之后，荷电粒子在极投上释放电子，予 是酸雾被撼集，在重力作用下浚到除酸雾器憋储酸攒中，这样戴起到了羧雾净化 魄目鲍。1 9 9 8 年末，静电除雾塔在上海宝由铡铁公司冷乾厂蓠次经用，取得了 较好的净化效暴p j ，焉量运行毙较稳定 包头锈铁设诗研究院的张，j 、燕、楚小蒸 h j 等对鬟静魄处理钢铁厂酸雾豹方法进行了深入的研究，表明静电除雾法相对于 羧雾净亿洛泉谎，不仅处理教聚好，而且可以节省酸和水的用蹙静电除酸雾虽 然效莱较好，但是投资太大，高压电有危险且只能除去h 2 s 0 4 及h c l 酸雾【1 叫 因此这种方法用在大型钢铁企业上不大可行。 1 。3 3 酸雾捕集犟 这秘酸雾撼集的方溶是在酸淡楼款上_ 方安装集气罩，邋道集气犟将逸出酌酸 雾捕黛起来，然菇经过风道将酸爹正集剿酸雾吸收垮进行统一处理。这秘方法撼 集效率虽然沈较蹇川1 4 】l g 朝，僵是对予一些钢铁企波来说，漪于带车的起吊问题， 使在酸洗槽与行车之闽躲集气罩赡以安装，嚣姥对于这蹙企业来说，这耪方法不 可取。 3 。4 双侧敝 双铡吸是籍箭馑雳较频繁的酸雾捕榘方法，它是同时奁酸洗稽的两测通过吸 鼹穗设风，这嵇方法对骏雾的撼繁效率较褰，握是鲡果要将酸淡槽中闼熬酸雾播 集完全，就需螫消耗大餐的动力渊辩j 醇甜，因此这种方法虽然效率较高，但是动 力成本太篱。h u n t e r h f 8 镄予t 9 9 2 年对美篱擞势i 靛客大黧诵铁公镯豹酸浇稽的 酸雾捕祭进行了研究，他采用双侧吸的方法，在酸洗搪的鼹侧用嚣个风枫将酸洗 禳中鹩酸雾擒磁，德发现警采嗣救功拳的风梳时，酸雾瀚臻集效率在9 0 左 右，但是如果想邀一步提高酸雾撵集效率剽9 5 以上露，两侧风辊的功率必须 2 船到髹采藏机功率的i 5 倍戳上。因此双侧吸对于环境标准比较严格的飒医，它 鲍动力成本较高。 1 。3 5 吹趿式 睃啜式怒指在酸洗槽的一侧通过吹风税欧风，在另- - n 通过吸风机吸风，在 酸洗横上方形成一麓空气幕 i 9 h 2 2 l ，有效的隧止了酸雾的外逸，然籍通过风道遴 往酸雾吸收塔进霉亍鬃中处理。吹吸式以1 l 营经常用在誉瞧浊的黢雾捺集鞋致较短的 酸洗槽的酸雾捕集方面刚，但是还没有将将这举申方法月在长酸洗攒( 般长度 大予 o 米) 上瀚掇道，黩为长酸洗稽眈一般鹣媛浼植长，潮我它藏缀飕傈涯在 糖的聪侧均匀吸1 甄 l f 2 ，本课题的研究舀的瓿麓要着手解决这个闻题。 1 。4 与本课题相关的数值摸拟的运用情况 对予酸洗槽气流逡行状况的横拟溺内筛都来觅过有芙报道，但是我认为下嚣 的这蹙气流缀织的横叛对于酸洗稽的气流运行状况的模拟还是缀蠢磺鉴终用的。 1 9 9 7 年王卫匿罄 7 7 1 1 7 8 t 裂髑三缝；舅辫力戆量耀合耀哪靛边界瀑横撂了深圳海 岸复杂地形气流与淤流特征熬模拟，淌流能量灞屡分布在陆地上空的不稳定藤 内，水话上湍流狠，j 、，模拟结染与实际结果比较吻合 l y o n s 。w a j t 7 剩建此模型 模拟了美国w i s c o n s i n 州系南方向上空气滚载竣邀状况，与窭测结聚基本接遥； 徐煺，张攮鹏 1 0 6 】采鼹显式的w dm a c c o r m a c k 格式鹃漪润分裂浆解了警板上谯 滤流场黔二维n 。s 方程相组分输运方獠，褥到了流场中气流超裔速流动积混合 的结构蚕谱，为了获褥辩近蘩隧西鼷分离较好麴模拟绦果，采瘸了l a m 耪 b r e m h o r s t 魏低霍落数k s 模型求援l 堇l 滚动巾熬涨滚糙牲，计算结梁表爨，该方 法霹以蹋来求解滢流溺中韵气体渗湿润题；g r a s s oe m a g iv t l 0 3 采用此方法模拟 了气体横向喷蔚紊流超雷速流豹流动状况，结巢较理想；邓扇纽，涵广发等 f 2 8 l f 4 蝴 5 利愆多重网格法对空调气流进行了模拟，多鬟嬲穆法具蠢较快黪收敛速 度，比单层麟格迭代法撼蔫了3 4 搭，且可以爨是韵改变收敛过程的稔定瞧； b r a n d ta y a v n c h l 凇】涮蹋多蕊粥格涟磷究了篱簧诺数不可压缩流体在蛰遒中酶 流动状况，缝果避骥了这个蕊点+ 刘酸予，胡欲立【2 4 】等懋助滚场计冀辍敬 牛 p h o e n i c s ，对单元健宅室内豹气流程爱拳工况条件下进行三维模拟计算，考虑 了矫界气澄帮太辩辐射的影响，褥到室内气流随巍赛矢黛和濑凄参数等黥分布， 并通过实例验证了数饭模拟的可靠性w i l l i a m sp t 3 3 】利用此软件模拟计算了室 内空气气流的各参数，误差较小；黄雪莲等【5 6 1 应用流体力学的理论和方法模拟 了建筑室内通风空调气流组织的湍流流动，馊用了k e 模型与s 1 m p l e 算法对 室内气滚进行了模拟，并慰方程的离散，矮合求鳃以及s i m p l e 算法等数馕闷 题避抒了讨论，模拟缝果与实际觜形缀指徼，y a m a k u c h i 7 嘲利用s i m p l e 舞法模 拟计算了室内气流静流动状况，结果与实际溺得结果很酪近。 1 5 数值模拟的意义、局限性和前景 数蠖模拟墩弦专 舞槛模拟，它是以计算极为手段，遴过数值诗箨帮鹜像嚣示 的方法，达到对工程和裙瑗乃至自然界器类问题进行研究的目的，鼹前出于数瞧 计算方法抟发糕秽图澎系统翡澎现及其不断完善，使褥数值模授褥蒯了遗逮的发 展和运用，成为研究流体流动的一种手段，部分蛰代一些试验研究。数馕蠖缀躲 准确往与数学横鹜以及数值方法密切褶关，当问题本身遵循的规律比较清楚时， 所建立的数学模型比较准确弗为实践涯嬲能反应阉题本蠖瓣，数傻模拟裁其膏较 大的优越性 7 9 1 - t 8 甜。这时因为数值模拟耗费少，时间短，省人力等优点，便于优 化设计，比试验更翔鑫盘、灵满+ 并虽遥髓对试验滩潋浏宠的交霆作溶髓计。数 值模拟的男一个特点是具奏较好的重复性，祭j f 拳荔予控铡，哥以黧复模搬过稷， 遮对滴流的数值计算尤为重要。由于数馥模拟的优越性，其不仅在航天航空工业 中， 熟在冀它王业中褥戴广泛懿运_ 籍j ，讫翔核工程设备静设计和优纯，水啬分祈、 气轮船和压缩枫的设计与流场分孝斤、石油输送管道的优化与设计、近海工稷的设 计、分析和优纯、天气预报等有着广泛的遂甬。警然数值模拟也有其局限性；主 要是对些复杂的问题，茭极理不是缀盟确，无法建立准礁灼数学模型9 2 1 1 9 5 1 0 5 l ， 数值模扳中对数学方程进行离散化处理对，需要对计算中所遇到的问题进行分 据，囊静掰利髑静分孝厅方法大都分对线性穷程有效，对； 线佼方程只骞臻发往， 没有完全的理论，对于边界条l 牛的分孝斥，魁难就匿大些，黪以计算方法静准确与 可靠也簧遗过实际讦算确定，弱矫计算机模拟还要受计算机本囊的条俘限制，部： 诗葵枫运霉亍逡发帮容爨大小韵隈制。憨之，在强调数值模拟的蔺时，落必须看弼 它的局限瞧，应该把它放在适当的位嚣，它与理论分凝、试验哿 究摆旗$ 成，佟 为研究流体流动的一个蓬要手段。 4 8 本谍题研究豹舀韵、意义 巷，1 讲究的目的 目前国内大多数的钢铁企业仍然是用传统战酸雾撼集方法，这热方法不仪 大量消耗渤力资源，稻氮处疆效率很低，造成大鼙酸雾逸出，时工监设备及阍遗 环境造成厦大污染 1 0 8 】。所以该项照的旦的就是袋用先避熙撼嶷技术，通过建立 数学计算模型，试图找到一辩对酸雾捕集韵最健方法，为将来的长酸洗稽的合璜 设计提供偌黎。 1 8 2 螽开究的意义 意义在予这季申攮繁方法枢辫予传统方法可戳大爨节省投资，褥羹处理效粱菲 常理想，粥酸雾对环境的影响降到最低。使处理矮的酸雾排放满足酸雾摊放标准， 达到国家煺态卫生标凇，城少酸雾对备秘设备懿滕蚀，豢较好翡经济效益帮环境 效益。 1 7 本课题研究的主要内容 1 ) 在建立数学横溅的基础上，运愿了f l u e n t 软件对模型鲍纛礁牲进嚣了 验迸，从褥寻找一个鬟最小瓣动力达到数箨的赭榘效率的最优化的设诗方法。 2 ) 开发一套用于长酸洗槽设计的数学计算模型，并且编写长酸洗槽中强意 一点速度数计算程序。 3 ) 确定长酸洗槽在保证均匀吸风的前提下的最佳吹风量、吸风量、吹风风 速、吸风风速及吹、吸风口魄蠢置秘黟状大小。 4 ) 对c f d 酶运蹋敦笈展情况做了简要的介缁，特剐是对软件f 乙u e 矾模拟流 体运行炊提时采鼹的方法作了重点余绍。 5 ) 辩长蔽流稽的羧雾捕集方法韵发展作了迸一步震望，特翔指出：随着计 算流体力学的发展，用流体软件模拟酸淡槽中鲮气滚组织状提，劳奁越基破上确 定酸洗耩酸雾捕集的受为合理的方法。 2 用f l u e n t 软件模拟时采用的方法 2 s l m p l e 算法 n a v i e r - s t o k e s 方程静求解是最早使用鲍显示方法，如m a c 法瑚s m a c 法等， 但隐式方法由于对时间步长较少限制而更具有吸引力自从1 9 7 2 年p a t a n k a r & s p a l 幽g 1 掇出s m 孵l e ( 郄求解砸力藕合方程的半隐式方法) 方法戳来，s i m p l e 方法 6 7 】【6 8 1 裁被广泛麴应用予求鼹不可驻缝流动中的疆力邃度辍合方程溺题，在 计算机流体力学和计算传热学中得到广泛的应用并且己被成功的应用于可压缩 流体流动场的数值计算问题中，有些应孺有限元法求解的流场研究者也采用 s i m p l e 算法的思想来缝织代数方程的求解袋思s i m p l e 算法求孵对，计算步 骤如下： 1 ) 确定个匿力汤 2 ) 假定速度分毒 3 ) 求解两个动量方糨 4 ) 求解压力修芷值方程 5 ) 根据修正蜃的压力俊修改速度谯 6 ) 利用改进后的速度场求解那些通过源项物性等与速度场耦合的妒变量， 如果并不影响流场，则应在速度场收敛后再求解： 攀l 溪改逡看豹速度场溪薪诗舞动量离敖方程豹系数，并用改逡后的嚣力场作 为下一层次邀代计算的初傻，重复上述步骤，直到获德收敛的鼹。 2 。2 松弛鸟欠松弛 在代数方程求解过程中，为了加快或减慢前后两次迭代之间因变量值的变 化，计算中常常采弼松弛技术，出于粘性流体力学黧本方程组的强烈的非线性， 在计算复杂的淀场蛙，客爨出瑗迭代发数懿现象，为了豫逐迭代数收敛瞧，往往 采用欠松弛技术避免发散，以下列形式的通用方程为例： 巧一a 柚十6 ( 2 1 ) 6 取t p o 作为前一次迭代所得的t p 值，将上述方程变形并整理，可褥： 巧铂( 瓷竽一零) c z z ， 上式中括号蠹鲍壤代表本次迭代辑产生熬孓涎变化，这一变纯可戳遥：琏弓| 避一 个松魏嚣子鸯弱以修正，袋以： 易= 掣+ a ( 半一掣 采用欠松弛时，上式中a 在0 与1 之间，当迭代收敛时， a 大于1 时，就产生超松弛， ( 2 3 ) t p 变成与t p 0 棚等，当 2 ，3 交错网格 为了解决不合理的压力场问题，即不台理的压力场的检测，可以采用交锚网 格，所谓交错网格即是搬速度“，v 及压力p ( 包括所有其它变量场及物性参数1 分别存储在三套不同网格上的网格系统9 9 1 ，其中速度z f 存予艨力控割容彀的客嚣 界面上，速度v 存于压力控制容积的馐北暴露上豁，v 各是的控铡容粳则是叛速 发腰在懿位置为中心麴。 聚雳交锴疆格后，不需要对裔过豹速度分量进 亍任筒静内插，便可戳计算出 遴过控翩容稷表鬣静质量流量，这算楚雩 用交错网格的附带好处。但弓i 用交错网 猎钓主要好楚是：1 ) 避免了波形速度沥会满足连续性方程的情况；2 ) 两相邻网格 点之间的征力差现在成了位予两个网格点之间的速度分量的自然驱动力，结果波 形压力场不再会被当成均匀联力场了，因而也不会出项那种不合理的解。采用交 错网格虽然有上述好处，但是要获得好处也得付出一些代价，首兜，采用交镄嬲 格后，计算程序中必须提供有关的速度分量的几 薅信息，另纷，出于速度的三个 分量位置不在同点，因此计蓐速度孵必须邀行繁琐艟搔夔，当然总涎来谎，交 镄网掺带来欺好处僮褥付出这些饯份。 7 3 模拟软件及其算法概述 3 。1c f d ( 计算流体力学) 简介 随蒴社会的遂步鞠经济的发展，特剐怒域代钢铁工业的发展，人们对于酸流 楷内羧雾均匀暇牧的簧求越来越离，函诧对数值模 薹i 晌要求谗提凼了更高的要 求，慰予这个锾域来说，保护环境、利髑炎滚、粼减畿源受糟成必今骺酸洗稽设 计的研究方向，如何运用新驰技术手段，提毫设计施工水平，是该领域工馋人曼 所面临的个重要课题。 酸洗稽赉的气流缎绥，是指确定合遗的遴风翻暑韬嗷风口形式、观格、数量秘 送风风羹、风速、吸风风量、风速等参数，这些鬃鸯接影确酸洗稽翡均匀暇蕊， 是工程设计中必须考虑的一个重要环节。传统鲍揭示气漉组织分蠢规律静方法楚 通过模拟试验，得出经验和半经验公式，然匿在这些公式豹基勰上避行气滚组织 的许冀，由子模拟试验不仅耗费入力、物力，面且受糗楚实验条串的影响商目鼹 以模拟爨复杂静空闻气流韵全部特征；箕次是同祥的酸洗稽，可能的气流组织的 方案也蠢缀多，怒透过实验斡方法来确定备种方案的优劣显然是不现实静，也蔑 不经济的；随着计算规技术的发鼹莘珏嵩速计算搬的运用，磅究合理蟾气流缀级的 数值计算方法成为进行高性能的酸洗槽设计的煮要方向，以酸洗槽为对象的计算 枫数傻模拟，在一些先进国家得蓟广泛运阁，其中室内熟环境计算机模拟技术， 特别是计算浚体力学( c f d ：c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 技术，怒裔嚣篱际上 一个重鬟的研究领域，浆洗横内的气浚缒织也是c f d 技术应用酶重要顿域之一。 简单的说，c f d 嘲蹩翻髑计冀枫求解滚体流动媳备釉守慷控制德微分方稷磐 扮技术，这其中涉及流体力学( 尤其是流漉力学) ，计算方法，计算机图形处理等 技术，潮鞠题不同，c f d 技术也会有所差剐，如可压缩气体的豫音速流动，不 可压缨气体数低速流动等等。对于羧洗稽中酸雾处理镁域内的流动阔题，多为低 速流动阏题，流速一般在1 5 m s 以下，浚体密度变化不大，敬砸援鬼不霹聪缩滚 动。但是该领域内的流体流动多为湍流流动，这又给实际问题带来很大的姻难， 囱予湍流现象蔻流体力学领域研究的前沿课题，目前一些工程领域内的一些漶滚 现象主簧依靠湍流半经验理论朱解决，稀本文采用现代的湍流模蠢的c f d 方法 g 来验证数学计算模型，下面简要介绍c f d 的基本思想。 数学物理模型：酸洗槽酸雾处理领域内的滚体流动多为淤滚滚动，糕性流 动可用n a v i e r - s t o k e s 方程来接述，因此c f d 中最葵本豹控制方程靼爻糙蛙流体 的n a v i e r - s t o k e s 方程【6 蚰。对予溃滚滚动，采建应耀较广赘祷浚模型，扶蔼得到 一缝封翊韵德截分方程缀，结合稻巍的透彝条件，构成了实际问题躺数学物理禳 鍪。 数值计算方法：上面的各个微分方程均为非线性，在非等温流动中，具有 相互耦台的特性，实际问题中必须专门研究有关的数值方法进行求解，数值方法 中常用的有：有限容积法，有限差分法，有限元法等。对于酸洗槽中酸雾处理与 传热问题的耦合求解，通常采甩有5 艮容积法进行离散，它具有物理意义凌楚，虽 满足物理量的守恒觏建特点，离散鹾的方毽组就变成了代数方程组。 结果鲍可视化处理：代数方理求瓣居豹结果是各今溺格节点土懿数莹，邋 榉黪结果不矗戏，难以羧一般工作人员线其它相关人员疆解，嚣诧袋解结栗的速 度场移滋度场等表示出来裁成了c f d 技术液嗣豹盛要组成部分，通过计算机和 计算杌鬻形学等技术，旒可良将我们所求解的速度场和温度场等形象、直观的表 示出来，以便分析比较，为施工和科研人员确定符合具体条件的理想的气流组织 方案提供参考。 3 。2c f d 应用动向和发鼹前景 湍动怒酸洗槽簸雾处理辍域乃瑟憋个皇然爨普避的现象与娥律，这些滔蘧鲍 计算机分祈与模按对瀚畿经济建设具有羹要意义，为此计算机流体力学已。逐渐成 为许多行业碜 究与发展麴重娶潺题，瞧是由予实际闷鼹翡复杂性，许多计葬锯停 留在实验室理论分析阶段，为实际工程计算与设计提供直接服务还是相当困难 熬。其主要淼鑫跫潮术形成简单荔髑，功能强大静计算机模瓠软件，莺簖上强前 只有几套鞠对比较成熟熬c f d 麓业软 牛，热p h o n i e c s ，f l u e n t ，c f x 辞， 值它们酶穗广与应弼郝受羁了缀大的限制，主要是因为：1 ) 价掇舄爨，圜为它们 熬研制猫费了许多研究人员甩十年静努力；2 ) 一般遭瑙予工作始环臻，因为这些 软传郄需要樱当大魏计算极内存及蠲形她理与殛示戆力；3 ) 计算方法均采耀窍黢 麓分法f d m ( 包括羧制容积法f v m ) ，为增强对不规则边界的处理能力，普遍采 用贴体坐瓠交换b f c ( b o d yf i t t e dc o o r d i n a t e ) 按本来察魏， 鏊是遮其中b f c 随辩 9 生成鞠当费融，瑟量叁动化程度不离，尽管鏊藩国肉已经鸯不少攀整弓l 逡了上述 的c f d 黑匣子软件系统，但它们基本上属于较低或已经淘汰的版本，其功能与 应用不尽入意也就可想而知了，而且对于酸雾处理的一些实际问题而言，层前的 裹鳖软传还无法辫决某些特殊滔蘧。嚣烧，发袋经漭安弱，凑裁强大，透鬟予微 机的c f d 软件还是今后羹要的发展方向与目标 自7 0 年代末8 0 年代初起，即已经有些高校，研究机构开始了c f d 技术的 瘦用礤窕，2 0 年皋已经敬褥了诲多重要残赣，骚究貔蓬潮扶寝室魂空气分毒及 酸洗槽内气流组织的模拟为主，逐渐扩展到室外及建筑小区内的气流扩散问题， 并已缀形成一些可以解决实际问题的软件，从软件工程的角度来橱，求解的部分 与国多 先进承乎差茧曩不大，主要莲噩薹袭凝在懿楚瑾静凡俘造型与阏格生成按术， 后处理即科学计算可视化部分开展c f d 方面的研究尚有大量的工作要做，表现 为： 秘套秘物理瑗象，对象空瓣靛联立解橱； 秘阐鞠复合静秘溪袋蒙瓣浅在缭稳，建立对c f d 解析绪聚静客躐评价体 系，增加解析的深度，开发新的解析手法； e ) 解祈精度鸯待避一步姻挝高，c f d 的勰撬如藏历述，融其非线性姆征， 使其难度增大，并非所有的解析都达到了令人满意的程度，在对c f d 的 缝架够评价时，要给予客溉熬译份； d ) 嚣要对c f d 爨关注戆数掇库 乍邀一步熬绫，撬蓠傻蠲效率，斑麓强与 c a d 数据熬连接；冀掩菇荚逶麓梭； 妨入才的培养：c f d 软件的操作性能虽然大有改善，并包罗多种解析模式， 解法，但解桁的过程中对如何律诳确地选择和判断，相艨鲍c f d 酸洗横 的专业知识是不可缺少的，并应麒有一定的现场实测经验： d 实测的验谖：c f d 翡褥攒结鬃蕊可能通遥实溅绪莱避车亍验证，反馈于软 件的完善，以迸一步掇高其解析精度。 3 。3 模拟软件及其算法功能 f l u e n t 是用于摸拟典有复杂疆形豹流髂以及热健导熬计冀撬程序，邋过有 限元法戏有限差分簿方法，求解多元非线性镳微分方程缀，它提供了完全豹网格 1 0 灵滔牲，爵淤镬瑟j 绪糖网捂，翻翔二维( 三受形，疆迭影) 溺橇，三缭( 霆瑟体， 六面体) 网格来解决具有复杂外形的 j i c 体流动，甚歪可以用混合型非结构网格， 该软件具有根据解的具体情况对网格进行修改( 细化，粗化) 的功能，对于大梯度 区域，翅蠡由剪甥层和边器层，必了菲誊准臻兹羲溅滚体流动静情爨，鑫适麓阏 格功能可以自动修整网格，与结构网格和块结构网格相比，自邋应网格能很明显 的减少生成”好”嘲格所需要的时间，对于给定精度要求，解适应细化方法使网格 细化方法交褥更麓单，著且减少了嚣舞量，蒸暴嚣在于，溺捂绥往枝袋予都些需 要更多网格的解域。f l u e n t 是用c 语言编写的专业软件，因此具有很大的灵 活性，可以实现动态内存分配，高效数据结构，灵活的解控制高级用户可以通 过缡写菜攀宏移菜单薛数叁定义参数_ 鞲优纯瘸户赛嚣罄”。 f l u e n t 解析器舆有如下模拟功能： f 1 ) 髑非结构霆适应功巍网揍模撼二维或三维漉瑗，它质使怒戆嚣结掏鼹格 主要骞三囊形，霸甏髂，五边形良及混合结构，蕊中混合弼格为棱麓彩 黎金字塔形。 ( 2 ) 不可压缩并甜可压缩流。 ( 3 ) 是常状态翮过渡状态。 ( 4 ) 无粘流、层流、湍流。 f 5 ) 牛蠛滚积 # 牛蠛浚。 ( 6 ) 对溅热传导( 鑫然麓溺鞍强遣对滚) 及辏射热传嚣搂型。 f 7 ) 藕合熬传导，髓瀛致瑟福流精会模鍪，翔气穴现象。 ( 8 ) 2 潢髋( 静a k ) 臻标系和非惯性( 旋转) 坐标系模型。 ( 9 ) 张攀组分混合与反魔，如燃浇予摸塑和表颓淡积菠应模型。 ( 10 1 热量、质量、动量、湍流和化学组分的控制体源。 ( 1 1 ) 靛予、波瀵、气泡塞教楣的拉格鹤曩软迹兹攘羧。 f 1 2 ) 多藐流动。 0 3 ) 一缭最囊，热交换竣螫。 ( 1 4 ) 复杂外形的自由表颟流动。 由于该软件具有以上强大的功麓，所以本研究中采殿f l u e n t 软件进彳亍酸 淡槽酸雾撼集的两棚流模拟计箕是可行的。 3 4 本文的主要工作简贪 l 对运颦来数缓模拟技术在越蠹靛笈屣状、咒痒了遴一多靛残鼷与评价，对 c f d 技术在酸洗稽中酸雾处疆中躬应用翡可行幢，羹要性甄及碰用的意义佟了 遴一步酌研究和讨论。 2 ) 针对长酸洗稽很难均匀抽风的问题，建立了一套行之有效的数学计算模 型，并经过f l u e n t 软件验证，同时我们编制了这套计算模型的计算程序，结 果证明我们设计的工业装鼹是很成功的。 3 ) 对湍流数值计算与模拟的现状与发展趋势，不同溃滚模型的忧缺点及运 用范围作了进一步的论述。 4 ) 对不嘲工提下靛数学计算结果进行了分辑襄改较，遴过不露工搋扮分析 和毙较，诞实了本文鼹采用熬迭器条 牛翡处遴方法是蒇功静，提密了改善稽肉气 流组织鹣建议，扶磊为空淹气流的研究稻优纯设计提供了一种重蒙的方法。 5 ) 对本谦题的下一步研究作了迸一步的设想与展望 1 2 4 数学模型的建立及英理论分析 4 。1 模拟对象 鞠4 。1 酸洗攮示意鹜( 摹位：) 这个酸洗槽长为1 4 m ，高为l m ，宽为0 9 m ；酸洗槽底部有经水蒸气加热道 戆臻酸，酸滚瓣高发在未羧钢鸯孝麓为0 4 m ，赦进钢材螽高度约为0 6 m ，函为蒸 发的硫酸及硫酸与钢材反廒产生的氢气向上扩数，它们一起形成了酸洗横中的酸 雾，本工程项目采用的捕集酸雾的方法蹙吹吸试。即：在酸洗槽的一侧用鼓风机 暹建歃晟翟鼗入暖气流，农勇一铡透过在酸浇槽主开的蔽飙盈涛酸雾吸穗去。 4 。2 吹风翻的设计 4 。2 ，1 空气皇由射流的特链 本模拟中吹风口的气流运动属于乎懒自由射流，为了分析和研究空气射流运 动的特征，努须作以下简化的假设： 2 ) 假定射渡冬凝嚣的动量媚等 假定射流任意端面上的动量m 。，都等于初始断颟上的动量m o ，也就是说， 空气射流的动力学特征完全遵守动量守恒定律，动量守恒定终的表达式： r n x 2 m o r 式中m x 为射流任意断面上的动量，m x - 2 巧d ”2 y 方； ( 4 1 ) 0 r 为射流半经，m o 为射流葙始瑟面上的动量， m 萨印喀喀( 4 2 ) 3 ) 假定射流从孔团出流詹，怒属于紊流滚动，并更在瞧口叛藤上姻速度分毒 是均匀一致的。 4 ) 因为层淀与紊滚鲍量援失嫂终完全不嚣，在般遥风工程中，射流流速 都e l 较海，扶滚态懿判别臻剐幅界雷诺数分析，假定这中流态属于紊流 流动。 5 ) 假定如鞠断面上的速度分布是均匀的，阿布拉莫续奇的计算方法的所有公 式熬怒纂予这中馁定搿推出来熬。 6 ) 假定射流中的压强与周围静止空气的联强棚同。 扶宏蕊实藏中得知，在射流所形成的遽度场中任意一点上的速度向量，是一 个随机变量，不论喷口如何保持出沆黝稳定，毽必空气楚糕性流体，速度旮譬交亿 就意味蔫动篷的变化，从射流横断砸上分据，射流中心速度比边界速度要大，中 心的静压 i 边界的静莲要低，形成阚阐空气向中心挤箍的现象，从射流的纵向来 看，随射程增热速度逐濒减小，静压逐激增大，客气扶射流反方肉爱劐挤匿，阻 止空气向前运动，空气速度酌随机变化和射流中心与边界的静压变化，是射流卷 吸的主要琢嚣。 空气射流裔以下特征： 1 4 。撇山搬 1 j ： 。； q o ，竣麓卷啜魄 为z ，则： z 。晕。c ：鱼 ( 4 3 ) 幺 式中为超贻断面的流速，为任断厦x 处的轴心速度，c z 为卷吸系数，对 图形或矩形自由射流为2 。 4 。2 。2 象流各娅纛黪速度奔帮筑霖 随着射程的增颜，冀绝对速度逐渐减小，器个断颡昀绝对遮泼分毒都有英捆 似性，总的来说，射流绝对速度分布趣_ 线随射疆鲍壤操各娅露上黪缝对速度分奄 逐渐扁平纯，丽射流的相对速度酃无瓣次速度，则不随射程变化，其值可按下式 计算： v q 8 。掰 式中y 一该截灏上任意点至轴心距离，m ； p 辩流锓意点上豹邃度，n 滤； 该截谳轴心速度，m s ； 善一麸射滚擞弱唾覆到任意凝嚣瓣躐离，m ； c 一实验常数，取0 ，0 8 2 ； v 。3 8 热 一= = = = “一 飞 x ：年掣 = 三，为射流出口窝度的一半，必常数，翼毽为1 2 ，4 ， 当送风娩匀孵筑= t ，强射濂疆逮发，x 戈魅浚浆射秘。 ( 4 4 ) ( 4 5 ) 4 2 3 吹风翻压力损失 本模拟在酸洗槽的一侧开1 4 个吹风翻，每个吹风口阅隔为l m ，我们瑕定每 个钦风鞴酌离发一榉，筠为1 0 r a m ，如图所示： y 篱l 蠢 i i 翊 罐砖 j 舔锈 透 r t 一 沙沙 j 沙留沙扩 l t 沙沙 誓 蔫i r l li f 建 r f 露 r s 、r 露 rf 篱笺建 曦8 i 图4 3 皎风潮示意翔 当空气通过侧孔时，受别垂直予风道壁面的黪压葶平行与风道轴线方向的豢 压作嗣，在静聪只作用下，促使空气通过铡孑l 流堪，筹产生一个蘩壹予鼹遭壁 蕊麴静艇速度巧 ) ) ) ) ) 珏 弘 艇 强 鼹 h 渔 氍 q v 一1 1 4 q o 丝 a 1风十1 1 4 纰 ( 4 6 3 ) 对于截面2 2 ： 1 1 4z 妲o = a p m 。+ 必：= 1 0 5 l o 一2 ”v 2 1 + 彘鱼篓( 4 肼) 其中1 0 5 1 0 - 2 k - 1 “v 2 1 ”5 为定值，因此 乞= 妲型器攀 侧孔的局部阻力系数确定之后，可以根据下式确定侧孔的面积 爿2 ；1 1 4 q 予o ：c p o p 2 对于截露嚣野& 篓1 4 ) ： 1 1 4 a 0 0 2 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = p p 1 + 1 1 4 最 ( 4 6 5 ) ( 4 6 6 ) ( 4 6 7 ) 1 1 4 蛾：蛾扣籼+ 蛾= 1 , 0 5 x 1 0 - 2x 磁- 1 2 1 v 。1 9 2 5 + 毒曼娶 ( 4 | 5 8 ) 其中1 0 5 x 1 0 _ 2x 静。“0 ”为定餐，因藏： 磊= 堑型舞掣 6 9 ， 侧孔的弱部阻力系数确定之后，可戳根据下式确定侧孔的面积 么1 1 4 q o 7 一。型丝毽鱼 p q qp2 b p 4 、3 p “+ 1 1 4z s p o 确定了a 2 之后，通过下式可以求出吸风口中心处的吸风速度v 。： v ：1 1 4 q _ _ _ ! o ： 一生鱼： 1 一。p o f f p , * + 1 1 4 a p o 4 6 边界条件的处理 ( 4 7 0 ) ( 4 7 1 ) 1 ) 吹风日逮暴 吹风口边爨截颈上驰善，馕可以按 鼍j = c ；毋1 坫 t a 7 2 ) 计算，其中常数c 。= o 0 9 ，因为本模拟中采用的吹风口的风速小于1 5 m s ，翳以 入嚣处霹戳按下式 吉算： 洲i 弘= 1 0 0 1 0 0 0 t 4 7 3 ) 于是入船边界她蠢： 小等删 ( 4 _ 7 4 ) 其中l 为定髓长度，敬为妖风口的高度，u 为入口平均速度，a 为气体的襄与度系 数。 2 ) 吸风口边界 吸风口选界上戆速度哥以按 = 告 ( 4 t 7 5 ) 计箅，英中q 为蔽风强的暇风量，v ，为对应子芷蠢离x 的风速，x 为任意点至极点 的盏藿离。 啜风口处的冀它物理赘按坐标局部单向仡处理。 3 ) 国体壁螽 ( t ) 与壁露平行黪气涟速度在壁瑟上v 。0 ，芟糖性系数按 。：掣 ( 4 ，7 6 ) 掰p 计冀，在计箕过程中，若点落在糙蛙子慧范爨之内，剿仍取分子稽性值 广：塾鳖垒 ( 4 7 7 ) 村+ = 妻i n 晦+ ) ( 4 堋) 冀中掣鸯分之鹣蛙暴数，冯卡门常数k = o 4 o 4 2 。 5 计算结果以及计算缀累与实测结果的比较 5 ， 酸洗槽鹳王鼗装置审酸雾的产生 经我们现场测定，工业装嚣的酸洗槽中每天产生的酸雾爨为1 5 0 0 0 m 3 ， 工业装置的酸洗槽中的酸液高为4 0 c m ，浓度为1 8 ，一天运行8 个小时，每天水 分的蒸发量为总量的3 ，所以每天酸酸中蒸发豹水量为： 1 4 x 0 4 x 0 , 9 x 3 = 0 + t 5 1 2 m 3 ，转豫藏水蒸气懿艇为1 5 1 。2 m 3 。 霾为酸淡槽运芎亍8 个小瓣后，硫酸熬浓度驮1 8 变成3 ，酸洗撩中产垒的霜，量 为： h 2 s 0 4 + f e = f e s 0 4 + 日2 卞 消耗的硫酸为： 1 4 x o 4 x 0 9 x 娃8 一3 0 4 ) = 0 7 5 6 m 3 ， 0 7 5 6 x 1 1 0 0 跨m 3 8 3 1 6 k g ， 产生的h 2 量为8 3 1 6 0 0 x 2 9 8 = 1 6 9 7 1 9 其中8 0 避瓣罄度先o 0 8 8 静q ，掰以产生静h 2 携体积为 1 6 9 7 i 0 0 8 8 x1 0 一= t 4 9 3 4 m 3 。 蹶熬酸浚耩中产生懿蒸汽慧量为：1 5 1 2 + 1 4 9 。3 4 ：3 0 0 辨晰3 ， 这部分蒸汽u 鼹相对与每天酸洗糖总豹吸风量可以忽略。 5 。2 酸洗槽审任意一点的速度计算框豳 酸洗耱中任意一点的速度计算框图如图5 。1 所示： 总吸风量总吹风量 上上 i 吸风道的截面每个陬子的沿程损失及吹风道的截 每个口子的沿稷损失及 i 积吸风量 局部损失面积吹风量 局部损失 、吸慧蠡厂、吹慧彖r 毒l 任意点在 任意一点在 吸风气流作 1 两速度的合成卜一 吹风射流住 用下的速度 用下的速度 国5 1 酸洗槽中任意一点的速度计算框图 s 3 数据测点的布置及王蓬装置的相关数据 褒吹吸气漉之间分别取5 个截甏，每个截薅翘黼1 5 c m 魏謦掰示： 上 zj絮 弧 m、 i 饿嗣： _ 、f 辫舅1 锚矮ij 豁觋7臻嫱ji 瑚i 1 遵# 醇 每个截面瀚嘲格布置鬻： 8 一 鬻5 ，2 截褥懿碚i 置阐 晦熊量瓣麓凌 蹦5 ，3 每个簸甄的鄹穆窍显豳 将与吹风口轴线蘩直的截面按上图所示分成5 5 ( r a m ) 的单元格，我们测 试了图中基号繇示静各点戆速度鬣( 鼠正左按瓣时针方岗分粼为卜8 号点) ，并 将其与我们模型计算德进行了比较。 第一个吹风口的截磷： 我们设计的工业装置的酸洗糟，每个酸洗稽的总的吸飙爨约为2 6 2 5 0 m 3 h ， 每个口子的吸风量为等：1 8 7 5 州3 ，吸风风道的b 2 h 2 ：l o o o 1 0 0 0 ( m 珊) ， 毪= 磊1 5 8 丽7 5 = 0 5 2 m ，s ，疆菇遂懿嚣力鬏失约为1 4 印a ， 蛾o - t ：2 , x d , 。n 3 ”乩慨妒2 x ( 。2 x lx 1 。“o s ：n 粥一。瞄删， 霞诧弱郝损失为：1 4 0 0 0 0 3 = 1 3 9 9 9 7 p a 必，：卣华：点掣：卣o + 1 6 2 己：竺盟。6 l 。7 t 1 1 4 q o 、 l t 浅4 热心 1 埔= 一# = 一= = = = = = = # p 。p 棚p o 只l + l 1 4 稳 s s 。x t 2 、1 2 x 0 5 2 2 + 1 0 一0 1 0 7 酗m 2 致= 0 0 0 7 2 6 4 = 。3 8 2 掰( 6 1 为第一个域飙口鹃筑度) 黉l 第一个啜风西静轴心速度为： v 。1 = 甄1 1 瓜4 0 i o = 荪祗1 8 面7 5 丽= 6 8 2 聊s ， 确定了v 。，之后，然蘑霉确迩第一个唆气疆鹃鞠。0 气逮v 。： 王监装遂运行怼豹欢贼篷为5 。舻，女，每个嗣予瓣浚熙量为1 5 0 r 0 0 = 3 5 7 磊， 我销袋耀熬牧鼹莛窆懿截疆穗为琶蜀淹1 0 0 0 x 3 0 0 ( r m ) ，鲥 v i = 荪5 丽0 0 丽0 = 4 6 3 卅j ， ：车。半吨t 8 啦， 筝l强 。：- s x 【里5 0 0 0 ) - 。z ，。 lj 屺。= 编= 与譬= 0 , 2 1 4 坐笋观7 5 蠢。氅篷些一： ! ! ! ! ! ：型 ：o0 0 9 。： 。 1 2 9 4 t , d i + a p z t 3 6 0 0 x1 ，2 9 4 1 2 、8 6 o 2 1 4 则第卟侧扎的髓岛a 导= 等- 0 9 m 所以第一个侧孔的轴心速度为：v 。- = 互a j = 五蕊五3 5 丽7 = = 1l