（化工过程机械专业论文）燃煤电厂烟气脱硫塔内搅拌流场研究.pdf

i - 。一 0 at h e s i ss u b m i t t e dt o t h ef a c u l t yo fg r a d u a t eo fs h a n d o n gu n i v e r s i t y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ri ne n g i n e e r i n g r e s e a r c ho fm i x i n gf l o wf i e l di nf l u eg a s d e s u l f u r i z a t i o nt o w e ro fc o a l f i r e dp o w e rp l a n t c a n d i d a t e ： y a n gx i n z h e n s p e c i a l t y ： c h e m i c a lp r o c e s sm a c h i n e r y s u p e r v i s o r ：吐鱼盟唆血l s h a n d o n gu n i v e r s i t y , j i n a n ，e r c h i n a a p r i l8 ，2 0 1 0 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对论 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。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：妇岔拯 e l 期：丝：立：丝 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或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；本人授权山东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、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 敝作者签名：榴嫠丝导师签名：避日期：型 目录 目录 摘要i a b s t r a c t 符号说明v 第1 章绪论1 1 1 研究背景和意义1 1 2 国内外研究现状3 1 2 1 搅拌装置应用及研究进展3 1 2 2 射流技术研究现状5 1 2 3 射流数值模拟技术研究进展9 1 3 本文研究内容1 0 第2 章旋转射流搅拌系统1 3 2 1 旋转射流搅拌系统组成1 3 2 2 旋转射流搅拌系统工作原理1 5 2 3 旋转射流搅拌系统优点1 5 2 4 旋转射流搅拌器喷嘴结构1 6 2 5 非自激脉冲喷嘴1 7 2 6 自激脉冲喷嘴1 7 2 6 1 自激脉冲喷嘴工作原理1 8 2 6 2 自激脉冲喷嘴结构尺寸1 8 2 7 两种搅拌器性能对比分析2 0 2 8 本章小结2 1 第3 章数值模拟方法2 3 3 1 模拟工况2 3 3 1 1 侧进式搅拌装置模拟工况2 3 山东大学硕十学位论文 3 1 2 旋转射流搅拌装置模拟工况2 4 3 2 控制方程2 4 3 2 1 侧进式搅拌装置控制方程2 4 3 2 2 旋转射流搅拌装置控制方程2 6 3 3 计算域及网格划分2 9 3 4 数值计算方法3 1 3 4 1 侧进式搅拌装置数值计算方法3 1 3 4 2 旋转射流搅拌装置数值计算方法3 l 3 5 本章小结3 2 第4 章数值模拟结果分析3 3 4 1 侧进式搅拌装置数值模拟结果分析3 3 4 1 1 宏观流场模拟结果分析3 3 4 1 2 搅拌槽中心轴线上速度分布3 4 4 1 3 搅拌槽竖直平面内速度分布3 6 4 1 4 搅拌槽水平面速度分布4 1 4 1 5 搅拌槽内气相分布4 6 4 2 旋转射流搅拌装置数值模拟结果分析4 7 4 2 1 搅拌槽内宏观流场分布4 7 4 2 2 搅拌器喷嘴中心轴线速度分布4 8 4 2 3 搅拌槽竖直面上流场分布5 2 4 2 4 搅拌槽水平面上流场分布5 4 4 2 5 气相分布5 7 4 3 两种搅拌装置搅拌效果比较分析5 8 4 3 1 竖直面内速度分布5 8 4 3 2 水平面内速度分布6 0 4 3 3 气相体积分布6 2 4 4 本章小结6 3 第5 章旋转射流搅拌器喷嘴内部流场数值模拟6 5 i i 5 1 3 空化模型 5 1 4 数值计算方法 5 2 数值模拟结果分析 5 2 1 非自激脉冲喷嘴内流场分析 5 2 2 自激脉冲喷嘴内流场分析 5 2 3 喷嘴中心轴线速度分布 5 3 本章小结 总结与展望 总结 展望 参考文献 攻读硕士学位期间发表的学术论文 致谢 i 7 8 9 9 0 7 8 9 9 9 1 5 7 6 6 6 6 7 7 7 7 7 7 8 8 8 一 c h i n e s ea b s t r a c t i a b s t r a c t i i i s y m b o l si n f o r m a t i o n v c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo f t h ei t e m l 1 2s t a t u so ft h ei t e mi nh o m ea n da b r o a d 3 1 2 1s t a t u so f a p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to fm i x i n gd e v i c e s 3 1 2 2s t a t u so fj e tt e c h n o l o g yr e s e a r c h 5 1 2 3s t a t u so fp r o g r e s si nn u m e r i c a ls i m u l a t i o no f j e t 9 1 3c o m e m so ft h ep a p e r 10 c h a p t e r2r o t a r yj e tm i x e rs y s t e m 13 2 1c o m p o s i t i o no f r o t a r yj e tm i x e rs y s t e m 1 3 2 2t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fr o t a r yj e tm i x e rs y s t e m 15 2 3t h ea d v a n t a g eo fr o t a r yj e tm i x e rs y s t e m 15 2 4t h es t r u c t u r eo fr o t a r yj e tm i x e rn o z z l e 16 2 5n o n s e l f - e x c i t e dp u l s e dn o z z l e 17 2 6s e l f - e x c i t e dp u l s e dn o z z l e 17 2 6 1t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fs e l f - e x c i t e dp u l s e dn o z z l e 18 2 6 2t h es t r u c t u r es i z eo fs e l f - e x c i t e dp u l s e dn o z z l e 18 2 7a n a l y s i so fm i x e rp e r f o r m a n c e 2 0 2 8b r i e fs u m m a r yo ft h ec h a p t e r 21 c h a p t e r 3n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d s 2 3 3 1s i m u l a t i o nc o n d i t i o n 。2 3 ：；1 1s i m u l a t i o nc o n d i t i o no fs i d ee n t e r i n ga g i t a t o r 2 3 ：；1 2s i m u l a t i o nc o n d i t i o no f r o t a r yj e tm i x e r 2 4 3 2g o v e r n i n ge q u a t i o n 2 4 v 山东大学硕十学位论文 3 2 1g o v e r n i n ge q u a t i o no fs i d ee n t e r i n ga g i t a t o r 2 4 3 2 2g o v e r n i n ge q u a t i o no f r o t a r yj e tm i x e r 2 6 3 3c o m p u t a t i o n a ld o m a i na n dm e s h i n g 2 9 3 4n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d s 31 3 4 1n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d so fs i d ee n t e r i n ga g i t a t o r 31 3 4 2n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d s o f r o t a r yj e tm i x e r 31 3 5b r i e fs u m m a r yo f t h ec h a p t e r 3 2 c h a p t e r 4a n a l y s i so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s 3 3 4 1a n a l y s i so f n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t so fs i d ee n t e r i n ga g i t a t o r 3 3 4 1 1a n a l y s i so f t h es i m u l a t i o nr e s u l t so f m a c r o f l o w 3 3 4 1 2v e l o c i t yd i s t r i b u t i o no nc e n t r a la x i so fs t i r r e dt a n k 3 4 4 1 3v e l o c i t yd i s t r i b u t i o ni nv e r t i c a lp l a n eo fs t i r r e dt a n k 3 6 4 1 4v e l o c i t yd i s t r i b u t i o ni nh o r i z o n t a lp l a n eo fs t i r r e dt a n k 。41 4 1 5g a sd i s t r i b u t i o ni ns t i r r e dt a n k 4 6 4 2a n a l y s i so f n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t so fr o t a r yj e tm i x e r 4 7 4 2 1a n a l y s i so f t h es i m u l a t i o nr e s u l t so fm a c r o - f l o w 4 8 4 2 2v e l o c i t yd i s t r i b u t i o no nc e n t r a la x i so fm i x e rn o z z l e 4 9 4 2 3v e l o c i t yd i s t r i b u t i o ni nv e r t i c a lp l a n eo fs t i r r e dt a n k 5 2 4 2 4v e l o c i t yd i s t r i b u t i o ni nh o r i z o n t a lp l a n eo fs t i r r e dt a n k 。5 4 4 2 5g a sd i s t r i b u t i o ni ns t i r r e dt a n k 5 8 4 3a n a l y s i so fe f f e c to fm i x i n g 5 9 4 3 1v e l o c i t yd i s t r i b u t i o ni nv e r t i c a lp l a n e 5 9 4 3 2v e l o c i t yd i s t r i b u t i o ni nh o r i z o n t a lp l a n e 6 1 4 3 3g a sd i s t r i b u t i o ni ns t i r r e dt a n k 6 3 4 4b r i e f s u m m a r yo f t h ec h a p t e r 6 4 c h a p t e r5n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f i n s i d ef l o wo fr o t a r yj e tm i x e r 6 5 5 1m e t h o do f c a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o ns y s t e m s 6 5 5 1 1c o n s t r u c t i o no fs o l i dm o d e 6 5 5 1 2g o v e m i n g e q u a t i o n 6 6 5 1 3c a v i t a t i o nm o d e l 6 7 5 1 4n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d s 6 8 r e f e r e n c e s 8 1 d i s s e r t a t i o n sd e l i v e r e dd u r i n gt h ep e r i o ds t u d y i n gf o ram a s t e rd e g r e e 一8 5 a c k n o w l e d g e m e n t 8 7 摘要 摘要 现阶段电厂脱硫塔搅拌装置均为侧进式搅拌器，受工况条件限制，侧进式搅 拌设备具有许多缺点。本文将自激脉冲旋转射流搅拌装置应用于脱硫塔中，并对 旋转射流搅拌装置内外流场进行数值模拟，与侧进式搅拌流场相对比，比较其搅 拌效果。 首先，根据工况条件确定侧进式搅拌器及旋转射流搅拌器安装参数，确定非自 激脉冲喷嘴与自激脉冲喷嘴的结构尺寸。建立流场模拟实体模型，对其进行网格 划分，确定边界条件以及数值计算方法，进行流场数值模拟。 其次，对数值模拟的流场结果进行分析。分析不同平面、不同位置处速度分布 曲线，射流速度衰减及分布规律，考察射流对搅拌槽内流体搅拌效果；分析水平 面与竖直面氧化空气体积分数分布，考察射流对氧化空气的扩散作用。分析两种 搅拌器相同位置、相同平面的速度分布及气相体积分数分布，比较两种搅拌器搅 拌效果。 最后，建立非自激脉冲喷嘴与自激脉冲喷嘴实体模型，对旋转射流搅拌器喷嘴 内部流场进行数值模拟。分析两种喷嘴内压力分布、速度分布，自激脉冲喷嘴内 压力、速度及汽相体积分数存在的周期性变化：比较两种喷嘴中心轴线上速度分 布及变化情况，分析射流打击力。 关键词：旋转射流搅拌，自激脉冲喷嘴，烟气脱硫，数值模拟 j e tm i x e ri n s t a l l a t i o np a r a m e t e r s ，a n dt h es t r u c t u r es i z eo ft h en o n s e l f - e x c i t e dp u l s e d n o z z l ea n ds e l f - e x c i t e dp u l s e dn o z z l ea r ed e t e r m i n e d m o d e l so ft h ef l o wf i e l da r e e s t a b l i s h e dw h i c ha r eu s e df o rm e s h i n ga n dt oi d e n t i f yb o u n d a r yc o n d i t i o n sa n d n u m e r i c a lm e t h o d sf o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s e c o n d l y , t h i sp a p e ra n a l y z e st h er e s u l t so f n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ef l o wf i e l d ， t h a ti n c l u d e st h ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o nc u r v e so fd i f f e r e n tp l a n e sa td i f f e r e n tp o s i t i o n s ， t h ea t t e n u a t i o na n dd i s t r i b u t i o no fj e ti no r d e rt os t u d yo ft h ej e tm i x i n ge f f e c to nt h e f l u i di nt a n k a n a l y s i so ft h ea i rv o l u m ef r a c t i o nd i s t r i b u t i o no fo x i d a t i o na i ro f h o r i z o n t a la n dv e r t i c a lp l a n ei su s e dt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c to ft h er o t a r yj e tm i x i n g d e v i c ed i f f u s i n gt h eo x i d a t i o na i r a n a l y s i so ft h ev e l o c i t ya n dd i s t r i b u t i o no fg a s v o l u m ef r a c t i o ni nt h es a m el o c a t i o na n dp l a n eo ft w om i x e r si su s e dt oc o m p a r et h e r e s u l t so fm i x i n g f i n a l l y , t h em o d e l so fn o n - s e l f - e x c i t e dp u l s e d n o z z l ea n ds e l f - e x c i t e dp u l s e d n o z z l eo fr o t a t i n gi e tm i x e ra r ee s t a b l i s h e df o rf l o wf i e l dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n a c c o r d i n gt o t h ea n a l y s i so fp r e s s u r ed i s t r i b u t i o na n dv e l o c i t yd i s t r i b u t i o ni nt w o n o z z l e s ，t h ep e r i o d i cv a r i a t i o no fp r e s s u r e ，s p e e da n dv a p o rc o n c e n t r a t i o ne x i s t si n s e l f - e x c i t e dp u l s e dn o z z l e ，t h ec e n t r a la x i sv e l o c i t yo ft w on o z z l ei sc o m p a r e dt o d e t e r m i n et h ec h a n g e so f j e tc o m b a tp o w e r k e yw o r d s - r o t a t i n gj e tm i x i n g ；s e l f - e x c i t e dp u l s e dj e t ；f l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o n ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 一一喷嘴接管直径，m 一一自激腔直径，m 一一喷嘴直径，m m 一一上喷嘴直径，m 一一下喷嘴直径，m 一一液位高度，m 一一搅拌器安装高度，m 一一湍流强度 一一射流湍动能，m 2 s 2 一一喷嘴长度，m 一一上下喷嘴间距，m 一一湍流长度尺寸，m 一一射流搅拌器进口流量，m 3 s 一一倒角半径，m 一一倒角半径，m s 丁 坼，d 0 ，“z “0 “m a p p s 咖 i p 社蠛 p c o 一一广义源项 一一浆液池直径，m 一一速度分量，m s 一一射流出口速度，m s 一一射流轴心速度，m s 一一喷嘴收缩角，。 一一搅拌器安装角度，。 一一搅拌器安装角度，。 一一射流湍流耗散率，m 2 s 3 一一通用变量 一一广义扩散系数 一一浆液粘度，p a s 一一有效粘度，p a s 一一密度，k g m 3 一一射流搅拌器旋转速度，r a d s v d 砬d 盔畋h乃，七三t，9 1 吃 第1 章绪论 1 1 研究背景和意义 第1 章绪论 近二十年来，中国的电力工业取得了迅猛的发展，仅次于美国，居世界第二 位。根据国家电力公司的规划，到2 0 1 0 年，装机容量可达到4 5 0 g w ，2 0 1 5 年装 机容量可达到5 5 0 g w 。中国燃煤发电为主的格局在很长的一段时间内不会有很大 的变化，火电厂是我国大气污染物排放大户，2 0 0 3 年排放s 0 2 约1 1 0 0 万吨，占全国 s 0 2 排放总量的5 0 以上。按照目前的排放控制水平，到2 0 2 0 年，中国火电厂排放 的s 0 2 将达到2 1 0 0 万吨以上i l j 。如果火电厂排放的大气污染物得不到有效控制， 将直接影响到中国大气环境质量的改善和电力行业的可持续发展，火电厂脱硫已 成为控制我国大气污染的关键1 2 j 。 烟气脱硫( f g d ) 技术中，几个必须考虑的基本原则是：技术成熟、设备运行可 靠、安全；投资较省且具备足够高的脱硫率；工艺简单、运行成本低；脱硫吸收 剂要有稳定可靠的来源等。结合电站运行情况和工程结果，石灰石湿法烟气脱硫是 相对最为成熟、应用面最广的方法p , 4 】。湿法“石灰石一石膏烟气脱硫技术工作 原理如下：用磨细石灰石粉制备石灰石浆料，用石灰石浆料在吸收塔中清洗除尘烟 气中的二氧化硫，吸收二氧化硫时，先生成亚硫酸钙，亚硫酸钙再氧化，结晶成 为细粉状的二水石膏浆体，浆体经脱水处理成为含水约1 0 的粉状石膏( 称为“烟 气脱硫石膏”) 。脱硫介质石灰石的成本低，其副产品烟气脱硫石膏对环 境无害，而且有使用价值，因此，该方法是目前应用最广的一种烟气脱硫方法，占 湿法烟气脱硫的7 0 。该工艺突出优点是：脱硫率大于9 0 ；吸收剂利用率可超过 9 0 ；设备运转率高；可适合高、中、低硫煤。缺点是设备庞大，占地面积大，投资 和运行费用高。 在石灰石一石膏湿法烟气脱硫工艺中，石灰石浆液在吸收塔内对烟气进行逆 流洗涤。在吸收塔内，位于浆池部位的侧进式吸收塔搅拌器是维持湿法烟气脱硫 系统正常运行的重要部件。安装搅拌器的作用是：防止固体颗粒在浆液池中沉淀， 确保浆液能够均匀地输送到下一个工艺过程中去；加强氧化空气的扩散，促进亚 山东大学硕十学位论文 硫酸钙的氧化、石膏晶体的成长和石灰石的溶解。如果吸收塔搅拌器的选择和设 置不当，会使亚硫酸钙氧化不充分，石灰石利用率低，严重影响脱硫效率及所生 成的石膏品质；另一方面，搅拌器搅拌不均匀，造成罐底的局部沉积，特别是泵 入口处的沉积，容易造成泵的气蚀，高浓度的浆液可能进入泵中，造成泵的损坏。 吸收塔侧进式搅拌器是机械搅拌的一种，从电动机向搅拌轴伸入端看，搅拌 器顺时针旋转，搅拌器在转动过程中，对流体的推力是向前的。由于搅拌桨叶的 推动，使液体产生三个基本流：轴向流、旋转流和湍流( 见图1 1 ) 。由于液体的 螺旋作用，螺旋型高速液流使低速流动区域的液体被携带进入高速液流区，从而 起到混合作用。同时由于螺旋桨式搅拌器除有轴向推力形成轴向流以外，还有法 向力形成的非轴向流，因而造成液体的上下翻腾，使浆液池达到混合均匀的同时 也兼有阻止罐底沉积物堆积的作用。 图1 - 1 侧进式搅拌器流体的流动曲线 受工况条件限制侧进式搅拌设备【5 】具有以下缺点：( 1 ) 工作时罐壁有震动，密 封处可能泄漏：搅拌器属于动设备，工作时由于电机等设备转动引起储罐罐壁振 动；罐壁叶轮搅拌器通常采用的机械密封和填料密封都不能保证零泄漏，泄漏问 题比较严重 6 1 。( 2 ) 存在搅拌死角：在使用过程中桨叶搅拌不均匀，罐内存在搅拌 _ 死区( 如图1 - 1 所示) 。( 3 ) 设备安装工作量大，费用较高：罐壁需安装三台侧搅 拌器，设计繁琐，安装工程量大，需安装电机，电缆线长，需要支撑；成本高， 使用年限较旋转射流搅拌设备短，费用高。( 4 ) 由于使用电机，增加安全隐患： 侧搅拌器都直接由电机带动，电机虽然做了防爆处理，但经过长时间运转后，电 机部分存在发生故障、产生火花的可能，加之无法避免的泄漏问题，安全存在隐 患。( 5 ) 运行成本高，需经常维修保养：在运行过程中需要经常检查搅拌器轴承 2 第1 苹绪论 的发热情况，还要注意观察其振动情况及泄漏情况，需要不问断地巡检；需定期 补加润滑剂及更换轴承密封，从而增加了操作工人的日常工作量。此外，侧搅拌 器角度定位的调节不好调，耗电多，噪音大，影响环保。 由于脱硫吸收塔内位于浆池部位的侧进式吸收塔搅拌器存在上述缺点，现将 一种新型搅拌装置旋转射流搅拌器应用于脱硫吸收塔中。旋转射流搅拌器是 国外成功研制的新型搅拌设备，最早用于原油储罐中解决油泥沉降问题，不仅克 服了原来桨叶式搅拌设备存在搅拌死角以及安全性等方面的不足，搅拌效果也十 分显著【刀。目前，国内在这方面的研究还处于起步阶段，设计制造同类设备的关键 技术还有待于深入研究。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 搅拌装置应用及研究进展 搅拌设备是现代工业生产过程中不可或缺的重要组成部分，在化工、石油、 生物技术、食品、医药卫生等行业中应用广泛。常用搅拌设备有压缩空气搅拌、 侧进式搅拌器、皮托管射流搅拌器、环形射流搅拌法、喷嘴搅拌器等。 ( 1 ) 压缩空气搅拌 在油品罐中，压缩空气搅拌是将压缩空气从罐顶或罐壁通入罐内。利用压缩 空气的压力，使罐内油品上下翻动。压缩空气接入罐内后可设环形或十字形分布 管。管上开孔，以利于压缩空气的均匀分布；也可将压缩空气直接通入，不设分 布管。环形和十字形分布管分别见图1 2 、图1 3 。 采用压缩空气搅拌方式受到一些限制：由于空气进入储罐易使油品氧化，因此 易氧化、闪点低的油品都不宜使用压缩空气搅拌方式。空气中含有水分，对水含， 要求严格的成品油也不适宜使用。只可用在质量要求一般的油品调和操作中，如 轻柴油、重油和普通润滑油，不适用于以防止罐底油泥沉积为目的的操作中。受 到压缩空气的压力限制，该方式对大型储罐也不适用。因此，压缩空气搅拌方式 有很大的局限性，现在已不常采用。 3 山东大学硕十学位论文 孔4 , 3 面 2 - 2 图1 - 2 环形分布管图1 - 3 十字形分布管 ( 2 ) 侧进式搅拌器 这也是目前国内使用较多的搅拌方式【引，搅拌器从储罐的侧壁伸入罐内，通过 法兰与罐体的开口法兰相连接。搅拌器的叶轮一般是采用单螺旋桨型，由于螺旋 桨的转动，使罐内液体产生沿螺旋桨轴向和周向两个方向的运动，这样罐内液体 得到充分的搅拌，防止了沉积物的堆积，罐体直径较大时可设置两个或多个搅拌 器。然而这种搅拌装置有许多不足之处，如电机放置在油罐附近造成罐壁振动， 电缆线太长，耗电量大，同时也存在安全隐患；安装搅拌器使用的大孔口径大多 数情况需要支撑，致使角度定位的调节不方便且有搅拌死角，噪音大，需定期保 养，浪费了大量的时间、人力、物力，搅拌轴有可能过热等。其中最突出的问题 是搅拌轴的密封问题，不管采用机械密封还是填料密封，都不同程度的存在漏油 问题。 ( 3 ) 皮托管射流器 皮托管射流器f 9 l 是由美国b u t t e r w o r t h 公司开发的搅拌器，对油罐淤渣的扩散 效果好，且结构合理，该设备在许多国家被采用。标准的皮托管射流器主要由连 接法兰、主体、涡轮、喷嘴、机械主体等部件组成。1 9 8 4 年日本石油精制公司曾 采用皮托管射流器对储油罐进行了清除淤渣工作，射流器均采用单一喷嘴，有两 个罐使用该设备，应用结果表明没有淤渣沉积。 ( 4 ) 环形射流搅拌法 环形射流搅拌法首先是由原苏联提出的。它是利用输送原油时的能量产生 射流，使沉渣悬浮于原油之中并随油一起排走。该方法的优点是：结构简单，制 造方便；液流能量在罐底分布均匀，死角少；操作简单。缺点是：当发生喷1 2 1 堵 4 第1 章绪论 塞或上阀板卡滞现象时，需要清罐后人工进罐修理，故需要备用罐，设备结构较 为复杂。 ( 5 ) 喷嘴搅拌器 典型的喷嘴搅拌器是美国b u t t e r w o r t h 公司开发的p - 4 3 喷射器及英国的储罐淤 泥清除器，由下壳体和上壳体以及与上壳体连为一体的两个喷嘴所组成，壳内的 涡轮系统高速旋转，并通过减速齿轮机构使喷嘴缓慢旋转，通常是2 3 小时旋转一 周，两个喷嘴交替打开或关闭。此设备安全可靠，容易操作，检修方便；缺点是 结构比较复杂，仍需要备用罐。 _ 1 2 2 射流技术研究现状 流体自孔口、管嘴或条缝向外界流体空间喷射所形成的流动叫射流。根据流 动是否受外界固体边壁的限制可分为有限空间射流和无限空间射流，根据射出流 体与周围流体是否为同种介质可分为淹没射流和非淹没射流，根据射流所处流动 状态可分为层流射流和湍流射流【i 。 如图1 4 所示，以半径为r 的喷嘴湍流圆射流【1 2 】为例。设出口断面上速度分 布均匀，皆为u d ，则出口断面上平均速度也为u d ，由于存在速度差及湍流脉动， 射出流体与周围静止流体之间不断发生质量、动量交换，不断把周围流体卷吸进 来，使射流的横断面积、质量流量沿程不断增加，而速度沿程不断衰减，形成了 向周围扩散的锥体状流场。喷嘴附近速度保持u d 区域称为射流核心区，核心区消 失的横断面称为过渡断面。过渡断面之前具有核心区的部分称为射流起始段，其 中速度小于u d 的部分称为起始段边界层。湍动充分发展以后的部分称为射流的主 体段，主体段中任一过流断面上轴心速度最大，边界处速度为零。主体段与起始 段之间有过渡段，过渡段较短，在分析中常被忽略，只将射流分为起始段和主体 段。 ( 1 ) 水射流技术应用现状 水射流技术的应用【1 3 出1 范围和领域十分广泛。应用范围主要有：工业切割工 业切割和加工，是水射流技术应用的主要方面，它包括纯水射流切割和精密切割 ( 含磨料) ；挖掘、开采和钻矿，目前挖掘、开采和钻探系统中应用水射流技术， 5 山东大学硕十学何论文 图1 4 自由射流不恿图 在美国属领先地位的是高级采矿建筑系统公司、弗勒第尔和弗尔莫尔公司；岩石 切割和掘进，美国矿业局双城研究中心的乔治a 萨凡尼克博士和其他一些研究人 员最近进行了用磨料水射流在岩石上切割深槽的研究：射流清洗技术，可在船坞 码头对船体表面进行清洗，以清除水下海洋生物、油漆和铁锈，目前采用水射流 和磨料射流清洗，美国马里兰劳瑞尔的特拉索流体公司多年来在空化射流方面做 了大量的研究工作，近年来对自激振荡射流也做了不少研究工作：高压水射流应 用于材料破碎方面，还有很大潜力。密苏里一罗拉大学的最新研究表明，它可将 煤粉碎成细小颗粒以便进行清洗和生产清洁的燃料，还可用水力制浆法分离木纤 维。 ( 2 ) 冲击射流研究进展 冲击射流是指射流对固体壁面或液体表面等的冲击流动，即流体在压差的作 用下，通过圆形或窄缝形喷嘴垂直( 或成一定倾角) 喷射到被冷却或加热表面上， 如图1 5 所示，就单个圆形喷嘴而言，其主要参数有喷嘴直径、喷嘴到壁面间距离、 喷嘴轴线与入射壁面的夹角等。至于冲击射流的流动结构，一般可以分为三个区： 自由射流区、滞止区、贴壁射流区。壁面上正对喷嘴中心处称为滞止区，这里的 局部换热强度特别高，壁面上特别需要强化冷却的部位应位于该区。抵达壁面后， 射流沿壁面向四周流开，形成贴壁射流区【1 5 1 。 针对冲击射流，国内外学者进行了大量的研究。w o l f s h t e i n 1 6 】在1 9 7 0 年提出 了平面湍动淹没射流的若干方法，d o n a l d s o n 和s e e d b e d 1 刀则在1 9 7 1 年对自由淹没 射流做了相关的科研工作，b r a d b u r y 1 8 】在1 9 7 2 年研究了轴对称射流对一般地面的 冲击作用，b l e a t s ，r a j a x a t n a m 1 9 】和g u t m a r k ，w o l f s h t e i n ，w y g n a n s k i f 2 0 1 在1 9 7 3 年 6 笫1 章绪论 滞 射流区 图1 5 平板冲击射流不恿图 和1 9 7 8 年分别对平面湍动射流的倾斜淹没，平板湍动射流进行了研究，虽然这些 研究对象都不一样，但是却得到了共同的研究结果：在自由射流区，其流动特性 与自由射流相同，遵循线性扩散规律；在冲击区，流体改变流动方向，出现很大 的压力梯度，甚至有回流和旋流，冲击区的末端，流动开始贴近壁面；在壁面射 流区，流动贴底出射，是能量和物质的主要扩散部分。冲击射流在冲击区域内， 有很高的局部换热系数( n u 数) ，此被广泛应用到对传热、冷却、干燥速率要求 很高的工业过程中，关于这方面的研究，无论是通过实验测量还是理论分析都有 很岁2 1 之3 1 。 近年来，一些先进的测量仪器运用到射流的研究中来，使人们对射流有了更 深入的认识。2 0 0 0 年，华明等【2 4 】利用l d v 技术测量了圆射流流场，认为射流各断 面的流速分布具有良好的自相似性，均服从高斯分布。2 0 0 1 年杨永印等【2 5 1 利用p i v 技术对淹没冲击水射流的动力学特性进行了研究，在射流的起始段，射流边界处 的高速剪切运动诱导并产生尾涡，随射流向下游流动，涡的发展与合并导致射流 周围的扰动范围扩大；射流的轴向速度远高于径向速度，当考察射流的冲击作用 时，可以忽略射流的径向速度；射流的时均流场比较均匀，边界处的漩涡流动不 明显，射流内部的流动比较均匀，射流的边界处剪切速率较高，紊流脉动强度较 高。 ( 3 ) 自激脉冲射流研究进展 自激振荡脉冲射流是利用流体力学、流体共振、流体弹性学和水声学等原理 发展起来的一种新型高效脉冲射流，通过自激腔体，使流体产生振荡，将连续射流 7 山东大学硕十学何论文 变成振荡脉冲射流，它兼有脉冲射流、空化射流的特点。自激振荡脉冲射流发生 机理【艄】概述为：当上游剪切流动的雷诺数在一定范围时，腔内剪切流动中就存在 从低频到高频的许多涡量扰动；上游喷嘴中高速射流束的不稳定扰动如涡量脉动 在穿过腔内剪切层时，剪切层对其具有选择放大作用，它们之间的相关性增强，能 量逐渐集中在主频段，形成大尺度涡环结构，则在下游区就会形成强烈振荡；若剪 切流动中涡旋与碰撞壁相互作用，就会使碰撞区产生的压力扰动波向上游反射，诱 发上游分离区新的涡量扰动的产生；涡环频率与振荡腔固有频率接近时，即新扰 动与原扰动频率匹配且具有合适的相位关系时，射流上游就不断地被周期性激励， 其固有波形受到调制，就会使下游的振荡持续下去，腔内就产生流体自激振动并在 下游喷嘴出口形成脉冲射流；由于射流的卷吸作用使振荡腔内处于脉动负压状态， 靠射流边界的脉动贮存能量，真空度变化规律与振荡腔结构尺寸、涡旋频率和幅值 有直接关系。 1 9 8 3 年，c h o f i n e 3 0 j 研究了亥母霍兹自振腔式脉