某型真空出铝抬包引射器的流场模拟及优化

黄安宁， 郑宇阳

(1. 重庆旗能电铝有限公司， 重庆綦江 401420； 2.西南石油大学机电工程学院， 四川成都 610500)

引言

真空抬包是冶金行业常见的周转容器，依靠气体引射器作用产生负压使抬包内达到一定的真空度，利用负压把铝、镁等液态金属从电解槽内吸出并转运至后续生产工序。气体引射器是真空抬包中关键部件，在引射器中压缩空气经过变截面的喷嘴后形成高速射流，由于高速射流的紊动扩散作用，流动过程中对抬包中的气体进行卷吸，使之被吸入接受室，高速压缩空气与被吸入气流在混合室内混合，进行能量交换，流动过程中其速度场逐渐分布均匀，随后混合气体进入扩散管，流速逐步降低，最后以一定流速和压力进入消音室， 经消声和净化后排入大气。而抬包中的气体被不断抽吸，包内产生的真空度达到一定后，就可在大气压的作用下将电解槽中的铝液通过吸铝管抽取到抬包体内，完成吸铝作业。气体引射器形成负压的过程是复杂的物理现象，气流掺混、卷吸、膨胀波系与压缩波系的相互干扰。国内外虽有较多的学者对各类气体引射器进行了研究[1-8]，但是针对大型出铝抬包的气体引射器研究较少[9]，进一步对真空抬包吸铝情况进行分析的更不多见。随着大型铝电解槽的出现，生产对抬包的盛铝容积要求越来越大，因此有必要对抬包的气体引射器结构以及在较低引射压力状态下抬包吸铝情况进行科学合理的分析，为设备的升级改造提升其吸铝能力提供相关依据。

1 模型建立及求解

1.1 几何模型建立

真空出铝抬包的气体引射器主要由喷嘴(喷射器)、接受室、混合室、消音室等组成，其结构示意图如图1所示。

图1 抬包引射器剖视图

徐海涛[10]研究表明，引射器的二维和三维模型在数值计算结果上相对误差在3%以内，在工程计算允许范围内。为了减少模拟计算的时间，利用ANSYS前处理软件对某型号真空出铝抬包引射器进行简化和实体建模， 生成二维的流体计算域， 如图2所示， 并进

图2 抬包引射器几何模型

行网格划分等前处理。根据生产现场实际情况，设定喷嘴端部与收缩管端面重合。

1.2 求解方程及边界条件

为了减少运算量，忽略气体在流动中的温度变化，且假定其不可压缩。由于引射器内部气流为完全湍流的流动状态，采用标准k-ε方程模型建立方程，经简化的方程如下[11]：

(1)

(2)

式中,ρ—— 流体密度

μ—— 动力黏性系数

k—— 湍动能

μ—— 平均流速

ε—— 耗散率

Gk—— 平均速度梯度引起的湍动能

c1ε，c2ε—— 分别取常数1.45和1.92

在Fluent软件中，设定引射气流采用压力入口条件(Pressure-inlet)，根据生产现场实际情况，压力设置为0.50 MPa；被吸气体入口也采用压力入口条件(Pressure-inlet)，压力设置为0；出口采用压力出口(Pressure-outlet)；因为考虑到消音器的封闭阻隔，根据实际测量数据设置出口压力表压值为0.08 MPa；固壁处采用无滑移边界条件(Wall)；近壁面采用标准壁面函数进行修正；采用压力和流速耦合(Coupled)的算法，选用二阶迎风格式(Second Order Upwind)进行运算求解。

2 仿真结果与分析

将划分好网格的流体域模型导入Fluent软件中进行模拟计算，获得引射器内部流体压力及流速等分布情况，如图3所示。

从图3a中可以看出，压缩空气流经喷嘴后，压力下降较快，在接受室已经产生了负压，尤其是在收缩管内部，负压最小值达到-0.23584 MPa，此时吸入口顶部附近的平均负压值为-0.05835 MPa。与生产现场实际情况基本相符，说明采用Fluent软件对其进行数值模拟的可行性。从图3b中可以看出，混合气流速度沿引射器中心轴线呈阶段性变化，引射入口处平均速度为588.7 m/s，在喷嘴端部速度达到最大，气体流速已超过音速，故喷嘴极易因高速气流冲刷而损坏，与实际使用情况相符。混合气流最后以平均速度 231.2 m/s从扩散管尾端流出。由图3b、图3c可得知，混合气流在扩散管尾端出现了较大区域的漩涡回流，这将影响气体顺利流动，造成较大的能量损失，不利于提高抬包的真空度。

图3 抬包引射器仿真分析结果图

根据文献[12]，选取电解槽中高温铝液密度ρ=2.3×103kg/m3，真空出铝抬包吸铝高度h=2.1 m。由伯努利方程p=ρgh可知，在出铝时真空抬包中的绝对压力低于0.04738 MPa才能将铝水吸入抬包中，在一个标准大气压下折算为表压其值应达到-0.05395 MPa。在引射压力为0.50 MPa且抬包整体密封完好的情况下，某型号的出铝抬包可以将铝水从电解槽吸取至抬包中，但一旦有泄漏点，抬包中的真空度将急剧下降，会出现由于真空度不够导致铝水抽取时间长，甚至无法抽取的情况。

3 结构优化仿真分析

3.1 仿真结果分析

由图3中获知气流在扩散管尾端出现了涡流，主要原因是吸入口为单入口结构且位于引射器下部，当吸入的低速气体进入收缩管混合进行动量交换时，对整体气流流动方向有扰动。针对不足之处，将吸入口设计为上下对称分布同等直径2个吸入口，用于消除漩涡现象。结构优化后仿真模拟所采用的求解方法、边界条件等设置与原结构仿真时相同，仿真结果如图4所示。

图4 结构优化后的引射器仿真分析结果图

从图4a压力云图可看出，同等条件下，双入口结构形式的引射器在吸入口顶部平均负压值为-0.08029 MPa，远优于单入口引射器。从图4b速度云图及流线图也可看出，结构优化后的引射器扩散管尾端出口处速度梯度分布均匀，流线顺畅且清楚可辨，无漩涡回流现象。

3.2 引射压力选取

在采用对称双入口结构形式的引射器后，吸入口平均负压值远小于吸入铝水所需负压值，说明引射入口压力值可以适当进行调整，具备节能降耗的空间。在不同引射压力条件下，对优化后引射器进行模拟计算，便于获得更加合理的生产技术参数。具体对比如表1所示。

表1 不同引射压力条件下的对比表 MPa

由表1可知，随着引射压力的增加，在吸入口产生的负压值越低，即出铝抬包中的真空度越大，更容易将铝液吸取进入抬包中，但单位时间内压缩空气的消耗量也将大幅增加。当引射压力为0.40 MPa时，产生的负压值与吸铝所需最低负压值相差不大，考虑到现场实际存在泄漏情况，实际生产过程中引射压力建议选取为0.45 MPa。

3.3 抬包吸铝模拟分析

假定真空抬包密闭条件完好，取用引射入口压力为0.45 MPa时抬包吸入口顶部平均负压值作为压力入口的初始条件；采用瞬态计算，流体体积(VOF)模型，启用k-ε湍流方程，PISO算法进行求解。其中铝液动力黏度μ=1.196×10-3Pa·s，表面张力系数σ=0.72 N/m[13]。经模拟计算后，铝液被吸入抬包中的流动和体积分数分布情况见图5所示。

图5 不同时刻铝水体积分数图

由图5得知，在出铝真空抬包整体密封条件较好的情况下，铝水在1.3 s左右就能被吸入抬包中，此时铝水进入抬包的平均速度为0.475 m/s，折算为铝液流量即为0.527 t/min。若单台槽出铝量为3.2 t，则单台槽吸铝时间能控制在7 min以内，满足生产实际需求。

4 结论

(1) 可利用Fluent软件对抬包引射器流场分布情况、抬包吸铝瞬态过程进行有效模拟分析，发现其不足之处便于针对性的改进，对生产实际具有一定的指导作用和参考价值；

(2) 在相同喷嘴、喉嘴距、拉尔管尺寸以及同等入射压力的情况下，对称的双吸入口结构形式的引射器相比单吸入口引射器在整个流体区域压力和流速分布都更加较均匀，出口未出现漩涡回流现象，整体速度流线顺畅。出铝抬包可获得更高的真空度，从电解槽中吸取铝液的初速度更快，可减少操作人员劳动时间，降低工人的劳动强度；

(3) 安装有对称双吸入口结构形式引射器的出铝抬包，在入射压力仅为0.45 MPa的情况下产生的真空度就可满足现场工况需求，可减少压缩空气的消耗，具有一定的节能降耗空间。