三菱形静电消除器的优化设计

2021-03-02董炎胡又平梅雪飞杨胤铎

船海工程 2021年1期

董炎，胡又平，梅雪飞，杨胤铎

(武汉理工大学 a.理学院；b.自动化学院，武汉 430063)

高闪点喷气燃料是航母补给舰等现代大型舰船储运的重要油品[1]。喷气燃料属于易燃易爆危险品，在舰船储运过程中，由于流动、过滤、混合、喷雾、喷射、冲洗、加注、晃动等工况，会产生和积累静电，成为油气储运的重要危险源。解决这一问题的唯一办法是加装静电消除器。传统史密斯静电消电器采用的是在绝缘内管上加装圆形集流放电针进行电荷消除，这类消电器存在针尖磨损、绝缘内管污染导致消电效率急剧下降，以及无法满足大流量的管路静电消除等问题[2-5]。为此，针对现代舰船油品储运的大流量、高流速条件，“输油管道静电消除器”[6]提出一种基于三菱锥形消电针的新型管道静电消除器，在文献[7]的基础上，采用有限元分析法对新型静电消除器内部的电场和流场进行仿真模拟，以静电消除器出口的平均电荷密度为依据，评价集流放电针的消电能力，探讨消电针的结构及布局对消电的影响，对三菱锥形静电消除器结构进行优化。

1 静电消除器

管路静电消除器一般布置在油料过滤器后和油料入舱管前，以消除油品中的静电。新型的静电消除器结构见图1。

新型静电消除器结构见图2。

图2 三菱形集流放电针

新型静电消除器的特点为：①在三菱形集流放电针的尖端和侧锋均能形成较强的感应场强，在该区域内进行静电中和；②通过管道扩径，减小流体的流速，形成绕流，流体中的静电充分混合，使每一根针均能形成较强的感应场强对流体中的静电进行消除。

2 静电消消除器建模分析

2.1 静电消除器数值建模

为简化模型，省略管道入口，阀门，感应式球状电极、螺栓等导致静电消除器形状不规则和局部场强增加的结构，构造简化三菱锥形油品管道静电消除器单针模型，在COMSOL Multiphysics软件中构建管道静电消除器的模型，见图3。其管道内径40 cm，长88 cm，三角针为正三菱锥，顶角为6°，高20 cm，设定喷气燃料的流速为3 m/s，从左端入口流入，将模型中管道中轴线的中心设置为坐标原点，管道中轴线与x轴重合，放电针中轴线与y轴重合。

图3 静电消除器结构

输油管道的材料为金属材料，集流放电针为特制合金材料，具有良好的导电和抗磨损能力。

2.2 电荷注入原理和模拟条件

当喷气燃料处于静止状态时，呈电中性，燃料流动破坏了这种平衡，将双电层中的电荷带入燃料中，从而使燃料带有电荷。紊流状态下喷气燃料中的电荷分布满足如下关系式[8]：

(1)

输油管道中雷诺数Re=4 000，设定油流为不可压缩，基于Navier-Stokes方程得出流场分布。

▽·v=0

(3)

式中：ρm为喷气燃料密度；v为速度；P为压力；η为黏度；F为体积力。

模拟仿真中，选定流场入口为速度入口，管壁无滑移。电场分布基于高斯定律得出，公式为

▽·εE=q

(4)

E=-▽U

(5)

式中：E为电场强度；ε为喷气燃料的介电常数；q为产生静电场的空间电荷密度；U为电势。

集流放电针是管道静电消除器内的核心部件，喷气燃料中的静电是通过其尖端和侧峰产生电晕放电进行中和。集流放电针附近的电场在大于尖端放电的阈值电场时，会产生电晕放电注入电荷对喷气燃料中的静电进行消除。注入的电荷密度与电极表面上电场强度的依赖关系式为[9]

ρin=α(E-Ethree)

(6)

式中：α为实验拟合得到的比例常数；E为金属电极表面的静电场；Ethres为金属表面上能发生电荷注入的电场阈值，放电针表面上静电场强度大于Ethres的位置才能产生电荷注入。

选用航空煤油，电导率为86 pS/m，确定k=8×10-10C/Vm2，Ethres=2×105V/m。

分析喷气燃料中电荷的运输规律，选用摩尔体系，此时喷气燃料内电荷密度可由离子的摩尔浓度换算得到。

ρe=zFc

(7)

式中：z为单个离子携带的电荷数；F为法拉第常数；c为油品中带电粒子的摩尔浓度，mol/m3。喷气燃料中入口粒子带正电荷，集流放电针注入的电荷带负电，离子浓度分别为ce和cin。

管壁与集流放电针接地，油品流速为3 m/s，环境温度为300 K，此时，航空煤油的介电常数为1.7，黏度为6 mPa·s，密度为800 kg/m3，通过电导率测试仪测得航空煤油的电导率为86 pS/m。

3 模型计算结果与分析

设定静电消除器入口喷气燃料的电荷密度为300 μC/m3，计算其出口喷气燃料的平均电荷密度，作为静电消除器优化布局的依据。计算时，计算模型处于同一文件内，使用同一网格模型，避免因为参数不同而造成误差。

3.1 集流放电针长度对电荷分布的影响

对不同高度的针进行模拟时，保持顶角不变，改变集流放电针在管内的长度，0.1R～1.0R，R为管导半径。在此条件下得到管道中心径向截面的电荷分布。以针的长度为R为例，其电场分布见图4a)，计算出口的电荷密度见图4b)。

图4 静电消除器内电荷密度分布和电势分布

由图4可见，油品自然起电后的电荷离子往往集中在管壁附近，不易消除，通过扩径作用，使得电荷离子集中在静电消除器的中心区域，便于消除。计算不同集流放电针长度下出口的电荷密度，得到电荷密度与放电针长度的关系见图5。

图5 出口电荷密度与集流放电针长度关系

由图5可知，出口的平均电荷密度随集流放电针长度的增加而降低，在集流放电针的长度为R时最低，由于管道内部的电荷分布在紊流状态下分布不均匀，大部分电荷集中在管道中心，当集流放电针的长度发生改变时，因尖端效应，电荷在针周围激发的电场强度不同，导致大于阈值电场的区域大小不同。因此，在三菱锥形静电消除器中，单针的长度为管道半径时，大于临界电场的区域最大，集流放电针对电荷的捕获能力最强。

3.2 轴向上集流放电针的距离对电荷分布的影响

基于前述模型，选取针长为R，分析在管道轴向截面上2根集流放电针间距对出口平均电荷密度的影响，针的间隔增加步长为0.1R，间隔为0.5R时的电荷密度分布计算结果见图6，出口的电荷密度与集流放电针的关系见图7。

图6 静电消除器内电荷密度分布和电势分布

图7 静电消除器内电荷密度分布和电势分布

由图7可见，随着集流放电针间距的增大，出口的平均电荷密度减小。当集流放电针的间距为0.6R时，出口的平均电荷密度基本不变；当两针间距在0～0.6R之间时，两针相距越近，相邻放电针形成的电场相互影响越大，导致放电针周围的电场强度下降，大于阈值电场的区域面积减小。故间隔为0.6R时，出口的平均电荷密度越大。同时兼顾效率与经济性，集流放电针的间隔为0.6R时最佳。

3.3 静电消除器内集流放电针数量对电荷分布的影响

放电针在管内呈环状排布能效率最大地消除喷气燃料中的电荷，静电消除内放电针的数量决定了环状排布的夹角，选取6根针时进行电荷分布计算，见图8，放电针的数量对出口平均电荷密度的影响见图9。

图8 静电消除器内电荷密度分布和电势分布

图9 集流放电针的数量与出口电荷密度的关系

由图9可见，静电消除器内集流放电针数量增加，静电消除器出口的电荷密度逐渐减小。集流放电针的数量大于6时，出口的平均电荷密度基本不变。在实际的工程应用中，考虑实际工况与成本，消电器的管体长度有限，当放电针的根数为6时，出口的平均电荷密度接近最低值，静电消除器对电荷的消除能力趋近最强。因此，在三菱锥型消电器中，选择集流放电针的根数为6根。