《武汉工程大学学报》 2008年02期
108-110
出版日期：2008-02-28
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
气气混合器的三维流场数值模拟
0引言射流喷射混合器是实现气气快速混合常用的设备，其设计思想是将快速运动的流体（即射流或第一流体）以较高的速度喷射到缓慢流动或者静止的流体（即主流体或第二流体）中.射流流体的方向可以与主流体方向一致（中心射流或同轴射流），也可以与主流体成一定的角度（错流射流）.喷射流混合器与常用的机械搅拌设备相比，其能耗低，无转动部件，所以对于相同的处理量，喷射流混合系统的投资费用比机械搅拌混合系统低得多，而且由于喷射流混合系统的结构非常简单，特别适合于低粘度流体的快速混合.因此，喷射流混合器在工业上得到了广泛的应用［1］.随着计算流体力学（CFD）［2］的发展，数值模拟的优越性越来越突出.近几年，射流喷射混合器的数值模拟渐趋成熟.FLUENT软件是目前世界领先地位的CFD软件之一，针对每一种流动物理问题的特点，采用适合于它的数值解法，使计算速度、稳定性和精度等各方面达到最佳 ［3］.Fluent 提供了良好的网格特性，使用 Gambit 专用前处理软件，可以读入多种 CAD/ CAE软件的结构模型.某石化总厂新建104 t/年乙苯脱氢反应装置，在乙苯脱氢反应之前，乙苯与水蒸汽必须经过完全的混合.根据工艺条件，该厂引进Badger公司设计的喷射流混合器.本文利用Fluent软件对该混合器进行三维流场的数值模拟，分析其流场、压降及混合浓度的变化等.1混合器的物理模型为解决在大型工业装置中两种气体介质在很小空间及超短的时间内快速混合，设计了如图1所示的气体喷射流混合器，气流A（水蒸气）从进口2进入，气流B（乙苯）从进口1进入，这种设计的目的在于：①汽流B通过上端分布器射入锥形混合腔；②由于两股流体的工作压力不平衡，两股流体不能同时进入混合腔内进行混合，为此在进口管1内设置两块稀释孔板.汽流A通过两层稀释孔板的喷射孔，其压力降低，速度得提升，使得气流A在高速流动中能和气流B同时射入混合腔混合，两股气体在锥形混合腔内撞击后混合.模型不考虑壁厚，在计算中管壁和板厚被视为厚度为0的固体壁面.
图1混合器的物理模型
Fig.1The physical model of mixer2控制方程湍流模型采用RNG的kε模型，求解流动问题时，控制方程包括连续性方程、动量方程、κ方程、ε方程和组分质量守恒方程，用散度表示为［4］：（ρ）t+div（ρu）=div（Γgrad）+S（1）
式（1）中，为通用变量，Γ为广义扩散系数，S为广义源项.表1给出了三个符号与各特定方程的对应关系.表1通用控制方程中各符号的具体形式
Table 1Specific forms of the symbols in common control equation
控制方程符号ΓS连续方程100动量方程uiμ-pxi+Si能量方程TκcST组分方程CsDsρSs3计算方法网格生成由Fluent的前处理gambit完成.从图1可知混合器设置有两块稀释孔板，开孔较多，而且孔的布置不同，如果网格划分过细，网格数量会急剧增加；如果网格划分粗糙，计算精度下降且容易发散.另一方面由于混合腔侧壁开孔位置分布不均匀，孔径大小不一致，导致混合腔无法生成结构网格.这里采用的是四面体和六面体混合网格［5］.第2期刘玉华，等：气气混合器的三维流场数值模拟
武汉工程大学学报第30卷
假定该流体为不可压缩流体，给定速度进口、压力出口的流动边界条件，进口2水蒸汽的速度为110 m/s、温度为1 119.4 K，进口1乙苯的速度为70 m/s、温度为810.9 K，出口压力为0.动量、湍动能和湍动能耗散率方程均采用乘方格式离散，其它方程为默认值.控制方程的求解采用非耦合算法，分别求解离散了的连续性方程、动量方程、能量方程和组分方程.速度与压力参量的耦合计算采用改进的SIMPLEC算法［6］.流体介质为水蒸汽和乙苯，有关物性参数为：水蒸汽粘度ν=1.34×10-5 kg/（m·s）、导热系数λ=0.026 1 W/（m·K）、比定压热容cp=2 014 J/（kg·K），乙苯粘度ν=2×10-5 kg/（m·s）、导热系数λ=0.003 78 W/（m·K）和比定压热容cp=2 014 J/（kg·K）.4结果与讨论4.1混合器的压力降由于混合器内两股流体工作压力相差较大，使得两股流体不能同时进入混合腔，达不到混合的目的，为此在进口管2内设置两块稀释孔板，可以达到节流降压的作用.图2为混合器的静压力分布云图，从图2可见气流A经过进口管2内的两块稀释孔板后，壳体内气流A的压力和分布器内气流B的压力基本上达到平衡，这样两股流体就能同时进入混合腔内.通过计算汽流A在混合器中压降为75.02 kPa，汽流B在混合器的压降为6.082 kPa，汽流A、B的进口压差为68.939 kPa，可满足工艺设计要求.图2压力场分布云图
Fig.2Contour of pressure4.2混合器内的流动混合器极大地改变了流场结构.从图3不同截面的气流A、B的速度分布可以看到，当汽流B从上端分部器射入，同时气流A通过二层稀释孔板的喷射孔，产生分层切割，进入壳体，在这一过程中气流A的速度得到提升.通过混合腔侧壁上的合理孔位，壳体内气流A射入混合腔，形成数股高速流体并以不同的角度冲刷分布器壁.由图3可以看出二股流体在高速流动中同时进入混合腔，形成数个漩涡，几乎占据整个流通区域，从而气流A和气流B之间形成良好的分散.（a）y=0（b）z=0
图3流道的不同截面的速度矢量图（m/s）
Fig.3Vector of velocity in different section of flow passage（m/s）从速度矢量图3中可见，计算得到混合器内总的流动趋势良好，没有出现大的流动分离，同时还可以很清楚的看流体质点在混合腔速度大小及流动方向.4.3混合效果混合效率的好坏需要有指标对之进行衡量，衡量的标准应该是样品液或检测液质量分数的均匀程度.S由下式计算
σ=∑Ni=1（wi-w）2/（n-1）/w（2）w=1N∑Ni=1wi
式（2）中，wi为统计区域的水蒸气质量分数；N为统计区域中被统计量的数量；w为统计区域中被统计量的平均值.测试同一载面上各点水蒸气的质量分数分布，以各点水蒸气质量分数的均方根偏差S表征该载面上水蒸气质量分数分布的不均匀性.对混合效果进行评价时，以S<0.05作为达到微观混合均匀的判据［7］.图4为出口处水蒸汽的质量含量比例，在出口处取10个半径不同的圆，在每个圆上分别取θ=0、 45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°上的点，表2列出了混合器出口处各点质量分数数据.通过计算，w=0.383 6，s=0.048 9，可见混合效果比较好.
表2混合器出口处浓度场数据
Table 2Concentration data in the inlet of mixer
直径
/mmθ/（°）04590135180225270315w1w2w3w4w5w6w7w8100.3750.3750.3750.3750.3750.3750.3750.375500.4250.4250.3750.3750.3750.3750.3750.3751000.4250.4250.3750.3750.3750.3250.3750.3751500.4250.4250.3250.3250.3750.3250.3750.4252000.4750.4250.3250.3250.3750.3250.3750.4252500.4750.4250.3250.3250.3750.3250.3750.4253000.4750.4250.3250.3250.3750.3250.3750.4753500.4750.4250.3250.3250.3750.3250.3750.4754000.4750.4250.3250.3250.3750.3250.3750.4754300.4750.4750.3250.3250.3750.3250.3750.475图4出口处水蒸汽的质量分数比例
Fig.4The percentage composition of mass in the outlet5结语a. 锥形混合腔侧壁上的开孔极大改变了流体的速度大小及方向，可以通过改变其上孔的大小及位置分布，可使混合效果达到最佳.b. 通过设置两块稀释孔板，气流A、B在混合器内压力降可满足工艺要求.c. 通过计算，两股流体经过此种结构的喷射流混合器后，取得了比较好的混合效果，混合相对均匀.d. 利用CFD技术对喷射流混合器进行三维湍流数值模拟，得到的流场结果和实际相吻合，计算结果能够有效反映混合器内的流动状态，同时又揭示了喷射流混合器内部流动的特殊规律和流动机理，弥补了实验方法的不足.