三维丝网网胞特征参数的数值模拟

2021-05-18王晓静樊俊晓

化工机械 2021年2期

王晓静樊俊晓王菁

（天津大学a.化工学院；b.环境科学与工程学院）

随着我国社会的发展，工业废气的排放量日益增加，而未经处理的废气直接排入大气不仅会严重威胁人类的身体健康，同时较差的空气质量也会影响人类的心理健康［1］。因此，加强工业废气治理，落实环保理念，提高工业废气防治技术，实现可持续发展已刻不容缓［2］。

有色烟羽中含多种污染物，其中可溶性颗粒物和盐类是导致雾霾天气的原因之一，还可能含有可凝结颗粒物，这种颗粒物停留时间长、扩散距离远、毒性强、危害大［3］。挥发性有机物（VOCs）是工业废气的主要产物之一，也是导致雾霾天气的主要因素。目前，人们主要从两个方面解决大气污染问题：一是提高工艺水平，升级环保设施；二是生产高质量产品，以减少污染废气的排放［4］。主要的工艺脱白方法有3种，包含：直接加热法、先降温再加热法和降温混风法［5］。然而，这3种脱白方法对于大风量脱白处理而言成本较高。目前常见的VOCs治理技术，传统的主要有直接燃烧法和催化燃烧法，新兴的主要有活性炭纤维治理技术、生物治理技术及蓄热式热力氧化技术等［6］。直接燃烧法对操作有严格的要求，如果焚烧温度不达标，容易产生其他污染物；催化燃烧法使用成本高，投资量大；活性炭纤维治理技术的使用环境如果过于潮湿会影响处理效果；生物治理技术尚未确立明确的使用方法；蓄热式热力氧化技术可能会产生碳氧化合物，造成大气二次污染。

装备是化工行业组织生产的基础，提高化工设备性能，对提高化工生产过程和化工技术与产业整体水平至关重要［7］。三维网胞形式的立体丝网是一种立体编制的复合结构丝网，可通过捕集微小液滴并使之凝聚，达到脱白的效果，进而在丝网上烧结附着催化剂，实现催化分解有害污染物的目的。

笔者主要研究不同丝网参数对水滴的捕集效率和对流体阻力的影响，为立体丝网工业化应用提供参考依据。

1 模型构建及网格划分

三维丝网是V形结构在经、纬方向上垂直交叉构成的。利用NX12.0建立三维丝网模型，通过参数驱动的功能，输入不同丝网直径D、目数M（丝网水平投影，每英寸含有的丝网个数）和层数N，自动生成不同的模型，从而大幅减少模型的构造时间。由于三维丝网具有对称性，因此笔者选择四分之一结构进行建模，得到的三维丝网模型如图1所示。

对气体流过丝网的区域建立流场区域，对进、出口进行一定的延长，以达到稳定气流的目的。对丝网模型均采用非结构化网格划分，对丝网接触部分进行局部加密处理（图2）。

图1 三维丝网模型

图2 三维丝网模型网格划分

2 模拟方法

2.1 控制方程

流体流动需要满足物理守恒定律，包括质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律，其控制方程分别为连续方程、运动方程和能量方程［8］。

2.1.1 连续方程

连续方程是质量守恒定律以数学表达式的形式在运动流体中的运用，其表达式为：

式中 t——时间；

ū——速度；

ρ——流体密度。

对于不可压缩定长流动，且密度没有发生变化的流体，其连续方程为：

由于本模拟不涉及传热过程，几乎没有温度变化，因此不涉及能量方程。

2.2 湍流模型选择

Fluent提供的湍流运动计算方法主要有雷诺时均法和大涡模拟法［9］。使用雷诺时均法计算湍流运动的模型主要有Spalart-Allmaras模型、标准k-ε模型、RNG k-ε模型及Realizable k-ε模型等。其中Spalart-Allmaras模型的稳定性较差，尚无成功的案例；标准k-ε模型是由Launder和Spalding提出的，主要用于高雷诺数的湍流模型计算，稳定性高，但对于非均匀湍流的计算，有较大的误差［10］；RNG k-ε模型是对标准k-ε模型的优化，强于标准k-ε模型；Realizable k-ε模型使用的是新的湍流粘度公式，在雷诺应力上和真实湍流保持一致，在复杂的湍流模型中更出色。由于本模型是一种多孔介质模型，湍流流动比较复杂，因此笔者选用Realizable k-ε模型。

2.3 除雾机理

除雾机理［11］主要有以下3种：

a. 惯性碰撞。液滴保持原来的运动状态，在气体绕过丝网时，由于液滴的惯性会撞击在丝网表面，从而实现捕集。

b. 布朗扩散。当气流较低或液滴粒径较小时，液滴做不规则运动从而碰撞到丝网表面。

c. 直接拦截。粒径较小的或者气速较小的液滴随着气流绕过丝网，当液滴的半径大于液滴圆心到丝网的距离时将被捕集。

本课题选用的水滴直径为10μm，惯性碰撞是主要的影响因素，布朗扩散和直接拦截影响非常小，可忽略不计［12］。当水滴与丝网表面发生碰撞，即认为是捕集到了水滴。

压降△p的计算式为：

2.4 边界条件设置

进口处设置为速度入口，入口速度5m/s，DPM设置为液滴入口；出口处设置为压力出口，静压为0，DPM设置为逃逸；相邻两个矩形面设置为壁面，DPM设置为反射；另两个相邻矩形面设置为对称面；丝网表面设置为捕集。本课题选用的气体为空气、液体为水。

3 模拟结果与分析

3.1 丝网直径对压降和捕集效率的影响

丝网直径的变化会对压降和捕集效率产生较大的影响。对3种系列（D×31.8×10-D×31.8×10、D×25.4×10-D×25.4×10和D×21.2×10-D×21.2×10）不同直径的丝网进行模拟研究，数据绘制成曲线如图3、4所示。

图3 丝网直径与压降的关系曲线

图4 丝网直径与捕集效率的关系曲线

由图3、4可以看出，随着丝网直径的增加，压降呈现线性增加的趋势，这是因为随着丝网直径的增加，V形边上相邻两个丝网之间的气流速度变大，丝网表面附近的流体湍动能增加，湍流强度增加，进而导致对空气产生的阻力有所增加。同时，由于丝网直径的增加，提高了对水滴的有效拦截面积利用率，使得水滴的捕集效率得到了提高。当D≥1/M时，丝网对水滴的捕集效率几乎不发生变化，但是压降继续呈现线性增加的趋势，这是由于随着丝网直径的增加，湍流强度还会逐渐增加，但是对水滴的有效拦截面积利用率却不再发生变化。对于D×31.8×10-D×31.8×10系列丝网，当丝网直径D=1.5mm时，压降发生了剧烈的变化，达到了83.3Pa。这是因为倒数第2层相邻的两个丝网距离非常近，间隙非常小，导致对空气的粘性阻力很大，进而造成整个模型的压降迅速增加。

当D≥1/M时，虽然三维丝网的捕集效率变化已不大，但压降还在继续变化，因此笔者对D=1/M的三维丝网进行进一步模拟分析。对于D×25.4×10-D×25.4×10系列丝网，D=1/M时直径与压降和捕集效率的关系曲线如图5、6 所示。由图5、6可以看出，当D=1/M时，随着丝网直径的增加，压降大幅变小，捕集效率整体呈下降趋势但变化不大。说明水滴的有效拦截面积利用率不变时，三维丝网对水滴的捕集效率也不会产生大的变化。

图5 D=1/M时直径与压降的关系曲线

图6 D=1/M时直径与捕集效率的关系曲线

3.2 丝网目数对压降和捕集效率的影响

丝网目数的变化也会对压降和水滴捕集效率产生影响。对3种系列（0.8×M×10-0.8×M×10、1.0×M×10-1.0×M×10和1.2×M×10-1.2×M×10）不同目数的丝网进行模拟研究，数据绘制成如图7、8所示曲线。

图7 丝网目数与压降的关系曲线

由图7、8可以看出，随着丝网目数的增加，压降也是呈现增加的趋势。当1/M＞D时，水滴捕集效率随着目数的增加而增加；当1/M≤D时，目数的变化对水滴捕集效率的影响较小。这是因为随着目数的增加，丝网的密集度增加，孔隙率减少，导致压降增加，而水滴的有效拦截面积利用率先增加然后不再发生变化。

图8 丝网目数与捕集效率的关系曲线

3.3 丝网层数对压降和捕集效率的影响

丝网层数的变化也会对压降和水滴捕集效率产生影响。对3种系列（0.8×31.8×N-0.8×31.8×N、1.0×25.4×N-1.0×25.4×N和1.2×21.2×N-1.2×21.2×N）不同层数的丝网进行模拟研究，数据绘制成如图9、10所示曲线。可以看出，随着丝网层数的增加，压降逐渐减小，而捕集效率变化不大，主要在98%～100%之间波动。这是因为随着层数的增加，丝网的孔隙率增大，流过相邻网孔的气流干扰性降低，有助于气流的稳定，利于湍流的扩散，从而使湍流强度降低，整体压降降低；而丝网层数的增加并没有改变对水滴的有效拦截面积利用率，同时由于模拟产生的系统误差，所以捕集效率仅产生小幅的波动性变化。