射流作用下槽边集气罩轴向速度分布规律分析

2022-06-25田晋平杜飞鹏王梦娜

能源环境保护 2022年3期

田晋平，杜飞鹏，魏倩，王梦娜，张佳

(太原科技大学环境科学与工程学院，山西太原 030024)

0 引言

在工业生产过程中，为控制气态与颗粒污染物，通常在污染物排放位置安装集气罩，将有害气体吸入罩内。污染气流进入净化系统，经处理达到排放标准后排入大气。集气罩的合理设计将直接影响局部通风的效果[1]。槽边集气罩距污染源较近，其优点是在运行时不影响工艺操作，且有害气体不经过人的呼吸区，但吸气流方向与污染物逸散方向呈一定夹角，污染物收集效率较低。

吹吸式槽边集气罩利用吹吸气流的协同作用控制污染物的扩散，具有风量小、控制效果好、抗干扰能力强等优点[2]。Waston等人通过添加外部射流改善集气系统的气流流动分布，使得污染物的捕集效率普遍提高90%[3]；王志丽通过数值模拟方法确定了不同吹吸流条件下槽边射流吹吸罩控制面的位置[4]；González等人利用烟雾可视化与SF6示踪两种技术方法研究了集气罩宽度对捕集效率的影响[5]；房俊格在实验条件下研究射流作用下集气罩控制速度的变化规律，结果表明，在相同的控制风速下，吹吸式集气罩可使吸风量降低76%～86%[6]。上述研究主要针对顶吸式集气罩的流场特性进行分析，吹吸式槽边集气罩的轴心速度变化规律仍然缺乏深入研究。本文通过CFD方法，在分析无射流时汇流场轴向速度分布规律基础上，研究射流与吸气流夹角和送风口长度对无量纲轴向速度的影响，相关结论可对局部通风设计方案的优化选择提供理论依据。

1 数值模型

1.1 几何模型

计算空间长X=4.5 m，宽Y=3.5 m，高Z=3.5 m，底部中心设置工作台(长a=1.5 m，宽b=1 m，高c=1.5 m)。集气罩内壁扩张角θ=60°，罩口尺寸长l=1 m、宽w=0.3 m，距地面高度H=1.5 m[7]。送风口产生的射流与回风口产生的吸气流夹角Aj在-10°～10°之间变化，以远离工作台表面为射流正方向。为减少污染物的扩散范围，均匀送风口(长Ls∈[1/5b,b]、宽Ws=0.05 m)底部设固定支架，支架高h=0.15 m。集气罩与送风口分列工作台两侧，根据实际情况，省去管道与风机等部件。建立模型如图1所示。

图1 吹吸式槽边集气罩模型Fig.1 The model of blowing and suction slot side gas-collecting hood

1.2 控制方程

初始时刻射流特征速度v=0.5 m/s，送风口特征长度L=0.2 m。空气动力粘度μ=1.79×10-5Pa·s，密度ρ=1.29 kg/m3。此时雷诺数Re远大于临界雷诺数Rec≈2 300，流体的流动状态为湍流。

目前常用的湍流模型是Standardk-ε模型，是基于湍流动能k及耗散率ε的输运方程。Realizablek-ε模型对湍流粘度和湍流耗散进行了修正，适用范围更广，对平面射流、管道与边界层流动等工况模拟较精确[8-10]。

雷诺数：

(1)

式(1)中：ρ为流体密度，kg/m3；v为流体特征速度，m/s；L为特征长度，m；μ为动力粘度，Pa·s。

流体运动的基本方程如式(2)～(4)所示。

连续性方程：

(2)

由于射流的马赫数Ma远小于0.3，在数值模拟中为低流速流体，将其视为不可压缩流体。连续性方程简化为：

(3)

动量方程：

(4)

式(4)中：vi与vj为速度分量，m/s；xi为坐标，m；p为压强，Pa；τij为应力张量，Pa；Fi为质量力，N。

Realizablek-ε方程中k及ε，由以下输运方程得到：

(5)

(6)

式中：

Gk为由平均速度梯度产生的湍动能；Gb为由浮力影响产生的湍动能；YM表示可压速湍流脉动膨胀对总耗散率的影响；μt为湍流粘性系数；C2和C1ε为常数；σk，σε分别为湍动能与耗散率的湍流普朗特数；对于流动方向与重力方向相同的流动C3ε=1，对于流动方向与重力方向垂直的流动C3ε=0。

1.3 边界条件

利用ICEM在计算空间生成非结构化网格。集气罩、管道及送风口进行局部网格细化，同时在管道壁面生成棱柱边界层，更好地模拟边界层效应。对模型进行网格无关性验证，确定网格数为5.18×106，模型网格如图2所示。

图2 模型网格划分Fig.2 Mesh generation of model

数值模拟边界类型设置如表1所示。集气系统气流速度场由槽边集气罩的吸风速度与送风口的射流速度协同作用产生。为精确确定控制点位置，送风口射流速度Vj在0.5～3.0 m/s之间变化，增量为0.5 m/s。排风口设置于集气罩管道尾部，由于集气罩局部阻力与开口处涡旋的存在[11]，排风量Qe由594 m3/h增至3 456 m3/h。外流场四周边界设为自然进风口模拟无限空间，排风罩及管道壁面为无滑移壁面。

表1 边界类型设置

局部集气系统采用ANSYS﹣CFX 2019 R1进行流场计算，模拟过程采用稳态求解。控制方程对流项离散格式采用high resolution，压力-速度耦合采用SIMPLE算法。最大求解步数为250，速度、压力、湍动能及耗散率的残差值均低于10-5，监控的出口压力趋于稳定时认为计算结果收敛。

1.4 模型验证

为保证上述模拟结果的准确性，选取Zhang中Qe=486 m3/h,Aj=90°,Vj=2.0 m/s时集气罩的轴向速度分布实验数据[12]，与CFD计算结果进行对比验证，实验数据与模拟值对比如图3所示。通过对轴心速度分布规律的比较，模拟与实验数据具有较高的一致性，因而本文的模拟结果可作为局部通风设计的理论依据。

图3 实验与模拟的轴心速度对比Fig.3 Comparison of axial velocity between experimental and simulated results

2 结果分析与讨论

2.1 排风量对轴向速度的影响

轴向速度是衡量集气系统性能的一项重要指标[13]。图4为不同排风量下无射流槽边集气罩轴心速度分布。为消除回风口尺寸对轴心速度变化规律的影响，对轴线上点距罩口中心距离L、轴心速度V分别进行无量纲处理。L/d与V/Ve分别为x轴与y轴变量，矩形罩当量直径d=2lw/(l+w)[14]，Ve为罩口风速。

由于罩内风机形成的负压场，外流场气流被吸入集气罩内。汇流场气流来自于各个方向，导致随L/d的增加轴心速度迅速衰减，在L/d=2.5处轴心速度趋近于0。随着Qe的增加，轴心速度增大，但不同排风量下V/Ve随L/d变化规律基本一致。表明排风量的大小只影响槽边集气罩轴心速度的大小，而不影响无量纲轴心速度的变化趋势。

图4 无射流下轴心速度分布Fig.4 Axial velocity distribution without jet

2.2 控制风速的确定

对Ve∶Vj=1∶1下5组吹吸气流组合模拟计算。图5为集气系统流线图，图6为不同吹吸流下轴心速度分布图。由图5和图6可知，集气系统气流形成稳定的流态后，可形成三个区域：(1)L∈[1.0 m,1.5 m]为射流核心区，此区域内由于湍流的脉动速度，高速运动的平面淹没射流向前推进时与静止空气发生剧烈的动量交换，在交界面引起了附加的剪切应力，形成卷吸效应后的气流掺混向前运动[15]，使射流断面持续扩大的同时流速不断降低，在气流边界形成剪切边界层；(2)L∈[0.42 m,1.3 m]为过渡区，气流处于射流与汇流共同作用下，剪切边界层厚度逐渐变小，气流混合过程中流场风速趋于稳定；(3)L∈[0 m,0.42 m]为汇流核心区，此区域负压场对气流的作用力占主导地位，气流依靠罩口的抽吸作用加速流入集气罩内。以轴线上风速最低点处为控制点，该点风速为控制风速Vc，则Vc参数如表2所示。

图6 不同吹吸流下轴心速度分布Fig.6 Axial velocity distribution under different blowing and suction airflow

表2 控制风速参数

2.3 射流角度对轴向速度的影响

结合实际工况以Qe=1 782 m3/h，Qj=270 m3/h为目标风量。图7为不同射流角下槽边集气罩轴心速度分布，图8为Aj=-10°(a)与Aj=10°(b)下集气系统流线图。由图7和图8可知，汇流核心区附近轴心速度衰减速率在各射流角度下基本一致。高速射流将集气系统内部气流与外流场气流隔开，形成风幕的屏蔽效应[16]，Aj∈[-10°,0°]时，集气系统内部气流的流动空间被压缩，气流向外动量耗散减缓，因而轴心速度的衰减较缓，在Aj=-10°时达到最大Vc=0.76Ve；Aj∈[0°,10°]时，射流出现了明显的弯折，需要一定的能量抵抗吸风口的抽吸作用，同时气流沿程的增加使射流卷吸范围扩大，轴心速度衰减较快，在Aj=10°时达到最小Vc=0.34Ve。

图7 不同射流角下轴心速度分布Fig.7 Axial velocity distribution under different jet angles

2.4 送风口长度对轴向速度的影响

图9为不同送风口长度下吹吸式槽边集气罩轴心速度分布，由图可知当Ls=1/5b时，从送风口喷出的气流一部分被直接卷吸进入吸风口，在过渡区负压场作用力起主导地位，因而轴心速度衰减较快，此时有最小Vc=0.52Ve；当Ls=2/5b时，射流核心区全部在集气系统有效范围内，此时控制风速Vc=0.57Ve；当Ls>2/5b时，虽然初始断面增大，但有效控制范围仍保持不变[17]，控制风速不再增大。因此，Ls=2/5b可在很大程度上减少通风系统能耗。