蒸汽消烟型火炬引射结构的数值模拟

焦云南 韩宗捷 李泓达 庞宗占

（北京航化节能环保技术有限公司）

工业火炬作为装置安全生产最后一道安全保障， 广泛应用于国内外石油化工、 煤化工、炼化、焦化及精细化工等行业，是减少环境污染必不可少的一项环保措施［1～3］。随着全球对环境保护的要求越来越高，为了保证火炬头燃烧区域氧气充足，使火炬气燃烧尽可能完全，不产生炭黑，火炬燃烧区域亟需一种空气供给装置。

引射器具有结构简单、没有运动部件、基本不需要维护的特点，广泛应用在燃烧器、制冷器、航空及船舶等领域［4～6］。大量的试验和数值模拟表明：引射器的结构参数和操作参数对其性能均有重要影响。 VARGA S等［7］、SRIVEERAKUL T等［8］分别采用实验和数值模拟的方法分析引射截面比对引射性能的影响，得出同一工况下改变引射器截面比可以得到最佳引射结构，且不同介质和操作参数下最佳截面比不同的结论；RUSLY E等得到了当喷嘴与等截面混合管入口距离等于混合管直径的1.5倍时引射比最大［9］，而ZHU Y H等［10］、YAPICI R等［11］分别得到喷嘴与等截面混合管入口距离为混合管直径的－3.4～－1.7和0.55时，引 射 效 果 最 佳；PIANTHONG K 等［12］、VARGA S等［7］研究了圆柱形混合管长度与直径比值对引射比的影响，前者认为lm/D为4～22时，对引射比影响很小，最佳混合管长度取决于其他参数，后者认为lm/D为2.3～5.1时对引射比没有影响， 且最佳混合管长度与Pianthong的不同；除了对结构参数的研究外， 还有操作参数变化对引射器的影响规律，丁学俊等利用数值模拟方法分析了工作蒸汽压力、引射蒸汽压力和混合蒸汽压力的变化对喷射器内部流场的影响，得出了一种最佳选取范围［13］。

近年来， 对多喷嘴引射器的研究也越来越多。 王锁芳和李立国研究得出在相同工况条件下（lm/D＜7）， 多喷管引射系数比当量收缩单喷管的引射系数大，且lm/D越小，两者相差越大，理论计算和测试结果符合越好，当lm/D＞2.4时，其引射系数呈现下降趋势［14］；兰健等利用数值模拟研究了结构参数对多喷孔引射器性能的影响，得到了一种结构尺寸匹配最佳的多喷孔引射器结构［15］。

综上所述，无论在单喷嘴还是多喷嘴引射器的研究均已成熟。 笔者研究了一种工业火炬蒸汽消烟用的引射结构，通过改变其结构参数和操作参数，模拟对引射性能影响的规律。

1 计算模型及边界条件

1.1 计算模型

蒸汽消烟型火炬引射结构如图1所示， 主要尺寸参数列于表1。 工作过程为：高压蒸汽由喷嘴喷出，在混合管中形成负压，将常压空气卷吸进入混合管中，混合后形成富含一定氧气浓度的混 合气，送至燃烧区域。

图1 火炬引射结构示意图

表1 引射结构主要尺寸表

这里用引射比来表征引射结构的性能，定义引射比n为次流引射空气的质量流量Q空与主流工作蒸汽质量流量Q蒸的比值，即：

1.2 计算内容及边界条件

笔者研究了结构参数（喷嘴形式、多喷嘴入射角度、喷嘴缩口直径）和操作参数（喷嘴入口压力）对引射结构性能的影响规律。

采用Gambit软件进行结构化网格划分， 根据网格无关性验证， 网格数在280万左右即可获得网格独立性。 采用Fluent进行数值模拟，湍流模型采用k-epsilon模型；流动采用组分输运模型；连续性方程、能量方程、湍流动能和湍流耗散率方程均采用二阶迎风差分格式离散； 压力耦合采用PRESTO!；速度耦合采用SIMPLEC算法。进出口边界条件设置见表2。

表2 数值模拟进出口边界条件设置

2 计算结果分析

2.1 喷嘴形式对引射结构性能的影响

不同喷嘴形式引射结构引射性能的对比情况列于表3。 由表可以看出，在相同操作条件下多喷嘴结构的引射比略低于单喷嘴结构，且多喷嘴结构工作蒸汽量也略低于单喷嘴结构，使得多喷嘴结构引射的空气量要低于单喷嘴结构；拉法尔喷嘴结构的引射比明显高于渐缩喷嘴结构，拉法尔喷嘴引射结构工作蒸汽量和引射空气量均高于渐缩喷嘴结构。

表3 不同喷嘴形式引射性能的对比

图2所示为不同喷嘴形式引射结构的速度云图，图2a～d分别为渐缩-单喷嘴、拉法尔-单喷嘴、渐缩-多喷嘴和拉法尔-多喷嘴引射结构。

图2 不同喷嘴形式引射结构的速度云图

由图2可以发现，与渐缩喷嘴结构相比，拉法尔喷嘴的存在， 延长了引射结构中心速度区，增加了混合管内的湍流强度和出口流场的对称性，提高了蒸汽与空气的混合程度，因此提高了引射空气的量，增强了引射结构的性能；相同喉口面积下，由于多喷嘴结构各喷嘴之间的影响，使多喷嘴引射结构中心速度区长度减短，出口流场对称性减弱，流场强度减小，因此多喷嘴的性能较单喷嘴没有增强。

2.2 拉法尔-多喷嘴入射角度对引射结构性能的影响

图3所示为拉法尔-多喷嘴引射结构入射角度对其性能的影响规律。 由图可以看出，在相同操作条件下，随着入射角度的增加，不同角度喷嘴结构工作蒸汽量基本是一致的，而引射空气量是逐渐降低的，且降低幅度会越来越大，使得引射比是逐渐降低的。 不同喷嘴结构对比已经得出多喷嘴的引射性能略低于单喷嘴结构，主要是因为多喷嘴结构各喷嘴之间的影响，增加喷射角度后，各喷嘴之间的影响越来越大，因此引射性能越来越差。

图3 拉法尔-多喷嘴结构喷嘴-入射角度对其性能的影响

图4所示为拉法尔-多喷嘴引射结构不同入射角度的速度云图，图4a～d分别为入射角度0、5、10、15°。 由图可以看出，随着喷嘴入射角度的逐渐增加， 混合管中心速度区的抑制效果越加明显，导致中心速度区越来越短，混合管出口流场的对称性越来越差，空气与蒸汽的混合程度越来越低，尤其在喷射角度为15°时，减弱效果更加明显，因此引射空气量会越来越低，引射结构的性能也是逐渐降低的。

图4 拉法尔-多喷嘴引射结构不同入射角度速度云图

2.3 喷嘴喉口直径和蒸汽压力对引射结构性能的影响

综上所述， 相同条件下拉法尔-单喷嘴结构的引射性能最佳。 图5a、b分别为喷嘴喉口直径10～16 mm和蒸汽表压0.4～1.2 MPa拉法尔-单喷嘴引射结构性能曲线图。 由图5a可以看出，相同蒸汽压力下，随着喉口直径的增加，工作蒸汽量是逐渐增加的，引射空气量随之增加，引射比是逐渐降低的但降低幅度越来越小；由图5b可以看出，相同喉口直径下，随着蒸汽压力的增加，工作蒸汽量是逐渐增加的， 引射空气量随之增加，而引射比是逐渐降低的且降低幅度越来越小。

图5 拉法尔-单喷嘴引射结构性能曲线

图6所示为入口蒸汽压力1.2 MPa下，不同喉口直径拉法尔-单喷嘴引射结构的速度云图，图6a～g分别为喷嘴喉口直径10、11、12、13、14、15、16 mm结构的速度云图。 由图6可以发现，随着喉口直径的增加，入口流量是逐渐增加的，因此工作蒸汽量是等比增加的；喉口直径较小时，随着直径的增加， 引射结构中心速度区逐渐增长，增加了混合管内的湍流强度，出口流场对称性逐渐增加，因此引射空气量会逐渐增加；喉口直径较大时，引射结构中心速度区虽有所降低，但出口流场速度强度明显增强， 随着喉口直径的增加，混合管中出口流场也是越来越均匀的，可以看出混合气得到了进一步混合发展，因此引射空气量会继续增加。

图6 1.2 MPa下不同喉口直径拉法尔-单喷嘴引射结构的速度云图

图7所示为喉口直径Dh=13.75 mm下，不同入口压力拉法尔-单喷嘴引射结构的速度云图，图7a～e分别为入口压力0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 MPa结构的速度云图。 由图可以发现，随着入口压力的逐渐增加，喉口直径不变的情况下工作蒸汽量是等比增加的，混合管中心速度区逐渐增长，同时出口流场速度强度和对称性是逐渐增强的，增大了混合管中的湍流强度，空气与蒸汽的混合程度逐渐提高，使混合气发展的更加充分，因此引射空气量会逐渐增加。

图7 Dh=13.75 mm下不同入口压力拉法尔-单喷嘴引射结构的速度云图

3 结论

3.1 对比渐缩-单喷嘴、拉法尔-单喷嘴、渐缩-多喷嘴和拉法尔-多喷嘴引射结构的性能，发现拉法尔-单喷嘴引射结构引射比更高，内部流场更加均匀， 引射空气量更大同时工作蒸汽量也最大。

3.2 进一步对拉法尔-多喷嘴的喷射角度进行研究发现：多喷嘴引射结构各喷嘴之间存在相互抑制的作用，随着喷射角度的逐渐增大，引射比逐渐降低，引射空气量也逐渐降低。

3.3 对最优的拉法尔-单喷嘴结构喉口直径和入口压力的研究发现：相同入口压力下，随着喷嘴喉口直径的逐渐增加，引射空气量是逐渐升高的，但引射比是逐渐降低的；相同喉口直径下，随着入口压力的逐渐增加，引射空气量是逐渐升高的，但引射比也是逐渐降低的。