高精度混合器内气体湍流扩散过程的CFD数值模拟*

郭　波　胡德栋　单文砚　许思思

(1.山东省计量科学研究院，济南 250014；2.青岛科技大学机电工程学院，青岛 266061)

0　引言

本文对于用于气体报警器检定的自动配气系统的混合精度进行了理论模拟。气体由于具有较小的密度和粘度，其混合过程比液体和固体的混合简单很多。气-气混合过程看似简单，实际机理和过程却非常复杂。气-气混合的应用非常广泛，例如反应器中物料进料时的混合，工业中气体燃料的混合，气态烃类氯化过程中气态烃与氯气的混合，环氧乙烷工艺中乙烯与空气的混合[1-4]等过程都是气-气混合的重要工业应用。国内外诸多学者也对此做了很多研究，希望能通过设计更加高效合理的混合设备获得更优的混合速率和混合均匀度[5,6]，以此提高传质系数或者传热系数，从而促进物理过程或者化学反应的进行。虽然如前所说气体具有低密度、低粘度、易混合的特点，但是要在极小的空间里、较短的时间内，让两股或多股气体达到十分均匀的混合，目前在技术上仍然存在很大困难[6,7]，对混合器的结构设计和工艺操作条件要求十分高。

对于射流混合器的研究，国内外也有过相关报道。Forney等[8]研究了管流中主流与横流射流的混合，通过数值模拟发现，较大的横流与主流的动量比可以减少混合均匀所需的时间，同时可以获得更加均匀的混合。Aklilu T.G.Giorges等[9]研究了管道中湍流主流与横流射流的混合过程，采用不可压缩Navier-Stokes方程和标准k-ε。湍流模型对混合过程进行了数值模拟，分别探讨了单孔横流射流和多孔横流射流的混合效果。俞丰等[10]介绍了一种新的气体射流快速混合技术，利用两股气体射流的激烈碰撞和射流卷吸作用产生的流动特性促进两股气体的快速混合，分别研究了结构参数和工艺参数，例如进料动量比、混合器开孔直径、混合器开孔面积及混合器长径比等对混合均匀程度的影响。吴民权等[11]利用流体高速射流与多孔板发生碰撞，形成了强烈的湍流流场，湍流和撞击极大地促进了气体之间的混合。

本研究采用CFD商业软件FLUENT来模拟混合器的内部流场和组分浓度场，探讨了混合器结构对模拟结果的影响。

1　物理模型及网格划分

混合器模型如图1所示，错流射流混合器能使通过小孔后的流体被最大程度地分散和破碎，很大程度地提高混合效果，因此在空气入口处设喷射管，在CO入口处设置CO分布器，并使喷射管喷出的空气与CO分布器流出的CO呈错流混合。其中混合区长为140mm，混合器直径20mm，空气喷射管直径为1mm，CO分布器孔径为2mm。

图1　错流射流混合器模型

采用结构化网格进行划分，共25556个四边形网格。

2　控制方程及边界条件

2.1　控制方程

物料混合需要依靠主体扩散、湍流扩散和分子扩散。主体扩散能形成大规模的主体流动，湍流扩散能将流体破碎成很小的微团，能极大促进分子扩散的进行，从而提高混合速率，改善混合均匀度。因此，微观上的均匀混合需要强烈的湍流流场。CFD数值模拟计算的控制方程为质量守恒(连续性方程、组分浓度方程)、动量守恒方程和能量守恒方程。本系统中气-气混合过程不涉及传热，不需要计算能量守恒方程，只需建立上述三个守恒方程，控制方程如下所示：

其中，动量守恒方程即著名的二维不可压缩流体的Navier-Stokes方程：

式中：ux为x方向的速度分量，uy为y方向的速度分量，fx为x方向的单位质量力分量，ρ为流体密度，p为流体压强，μ为流体运动粘性系数。

由于气体射流为湍流射流，附加湍流模型选用标准k-ε湍流模型，k表示湍流动能，ε表示湍流动能耗散率。k守恒方程和ε守恒方程分别为：

其中，C1，C2，σk和σε都是模型经验常数。

标准k-ε湍流模型应用十分广泛，无需针对具体情况逐一调整模型参数。

2.2　边界条件

空气和CO入口均为速度入口，空气流量为172.8m3/h，CO流量为0.1m3/h。

出口为自然出流；湍流强度水力直径按相应公式计算。

3　求解方法

本模拟采用标准k-ε模型，模拟混合过程求解时所采用的速度压力藕合方式是SIMPLE算法，选用二阶迎风格式以提高模拟计算精度。计算进行30000步以上，残差收敛至10-6,认为计算结束。

4　模拟结果及分析

4.1　错流射流混合器模拟结果及分析

由图2可以看出，错流引起的强烈湍流流场，加上两股气体的激烈碰撞，大大提高了混合效率和混合均匀度。

图2　速度矢量图

由图3可以看出，由于形成了强烈的湍流，在接近出口方向CO浓度分布趋于稳定但在出口处还没有达到稳定状态，出口处CO浓度极差较大。

图3　出口处CO浓度分布

对混合效果可能会有影响的参数包括混合器结构参数和工艺操作条件。其中，混合器结构参数有以下几个:混合器的开孔分布(孔径、孔间距、开孔数、开孔面积等)、混合器长径比和混合器形状;工艺操作参数包括以下几个:两股气体的流速、动量比和雷诺数等。因此可以通过进一步改变入口气体分布、混合器长径比以及工艺操作条件，以达到预期的混合效果。

4.2　改进结构后的混合器模拟

4.2.1模型建立

加长混合器混合部分长度至300mm，为了改善空气流量过大而引起的CO浓度分布集中于混合器壁面附近的问题，在混合器中间部分设置CO入口管，空气入口分布于两侧，侧面仍然保留CO入口管，以保留错流效果。在混合器中增设挡板，挡板的作用能够使混合过程中的气体更好的形成湍流作用，以达到更好的混合效果。改进后的混合器模型如图4所示。

图4　改进结构后的混合器模型

4.2.2模拟结果

改进后的速度矢量图如图5所示，出口处CO浓度分布如图6所示。不同截面上CO浓度分布如图7所示。

图5　改进后的速度矢量图

图6　改进后的出口处CO浓度分布

图7　不同截面上CO浓度分布

由图6和图7可以看出，CO入口浓度为5.77×10-4mol/mol时，出口截面上浓度极差为0.03×10-4mol/mol，误差为0.52％，此时混合均匀性误差小于1％，能达到非常好的混合效果。

5　结论

本文中的错流射流混合器能满足气-气混合均匀性误差低于1％的混合要求，通过对混合器结构和操作参数的调整和优化，获得了满意的混合均匀度。混合器的长径比、射流分布器的分布、折流挡板的布置以及气体流量等因素对混合过程都有较大影响。

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