喷雾降尘对旋式轴流风机射程的有效界定研究

张立祥,詹涵钊,郑娃

(安徽理工大学 机电工程学院,安徽 淮南,232001)

大气中的污染物颗粒对人类的生产和生活危害很大。一般在空气中漂浮的粒径≤100 μm的颗粒物叫作总悬浮颗粒物,颗粒粒径≤2.5 μm的固体颗粒或液滴叫作PM2.5,也叫作细颗粒物。PM2.5在呼吸时会直接进入肺部,对人体呼吸系统造成损害。车辆交通排放、化石能源燃烧、道路扬尘、工业生产和煤烟等都是PM2.5的主要来源。喷雾降尘风机能有效地降低局域空气中PM2.5的浓度,为人们的生产和生活提供一个良好的空气环境[1-5]。近年来,国内外学者针对喷雾风机内部的气动性能展开了研究。

目前,喷雾降尘风机射程的界定方法为风机出口风速高于2.0 m/s即可携带雾滴进行远距离输运,且采用气流单相仿真的模型进行分析风机出口外流场的喷雾有效射程。针对这一现象,本文通过建立流体域对喷雾降尘风机进行气流单相仿真分析和气液双相耦合仿真分析,通过仿真结果的对比来确定喷雾降尘风机的有效射程和有效界定,为设计喷雾降尘风机的结构参数提供理论依据。

1 喷雾降尘对旋式轴流风机结构参数的设定

挑选轴流风机的主要结构参数:叶轮直径、叶轮轮毂比、叶轮叶片数、叶顶间隙、轴向间隙、入口集流器和流线罩、出口锥形风筒和锥形导流体、导流叶片等,轴流风机主要结构参数见表1,几何模型见图1[6-10]。

1—集流器;2—I电机;3—I级导流叶;4—I叶轮;5—II叶轮;6—II电机;7—II级导流叶;8—喷嘴分布区域图1 喷雾降尘对旋轴流风机三维模型Fig.1 Three-dimensional model of a dust reduction counter-rotating axial flow fan

表1 初始轴流风机主要结构参数Table 1 Main structural parameters of the initial axial flow fan

雾化喷嘴是喷雾降尘风机的主要组成部分,考虑到降尘效率和用水量,选用出口直径为1.2 mm的喷嘴较为合适。图2是由出口直径为1.2 mm的喷嘴实验测量所得出的在不同压力条件下压力和喷雾长度的关系图。

图2 不同喷嘴压力下喷雾距离Fig.2 Spray distance at different nozzle pressures

雾化喷嘴的压力增加,会增大出口的雾滴初速度、减小雾滴的粒径,从而提高雾滴的拦截和捕尘效果[11]。

根据图2中不同喷嘴压力与喷雾距离的关系可以得出,随着喷雾压力的增大喷雾圆锥段的喷雾距离减小,原因是喷雾压力的增大使得喷嘴出口的液态水加快成为了雾态水滴。过大的喷雾压力使出口处的雾滴颗粒粒径过小容易气化消失,因此,要合理地选用喷雾压力,提高雾化降尘效率。选择压力雾化喷嘴孔径为1.2 mm,喷嘴最大压力为8 MPa。

在相对湿度为80%,温度为20 ℃时,粒径为60 μm的雾滴能停留14.2 s的时间[12]。本次喷雾降尘风机的喷嘴选用压力喷嘴,喷嘴最大压力为8 MPa,喷嘴孔径为1.2 mm,喷嘴出口粒径为60 μm。

2 喷雾降尘对旋式轴流风机的流场仿真

2.1 仿真方法

分别采用气流单相仿真和气液双相耦合仿真两种方法进行对照分析,分别从出口射程、截面压力和截面速度3个方面进行分析,从而确定合适的数值模拟仿真方法。

气流单相仿真分析是指不将出口喷嘴雾滴加入风机外流场,只考虑气流在外流场的分布情况,这与喷雾降尘轴流风机的真实工作原理不符。此种方法的流程主要有计算流场的建立、网格划分、设置边界条件与求解参数。

气液双相耦合仿真分析是将风机出口处的喷嘴雾滴加入到出口外流场进行研究,风机出口气流与喷嘴雾滴相互作用,模拟了真实喷雾降尘的过程。采用DPM离散相模型对喷嘴雾滴的运动路径跟踪,从而直观地反映了风机外流场的雾滴分布情况。

FLUENT中离散相模型(DPM)是在拉格朗日参考系中跟踪分散相的多相流模型,连续相使用欧拉方法,离散相使用拉格朗日方法[13]。DPM模型常被用来解决追踪颗粒的运行轨迹,因此,适合用来查看轴流风机出口喷雾在外流场的分布情况。

2.2 建立流体域

根据初步确定的对旋轴流风机结构参数,使用三维建模软件SolidWorks建立三维实体,建立模拟仿真需要的流体域。流体域主要包括3个部分,分别为集流器前的进风场、风筒筒体包裹一二级叶轮的旋转区域和与出风口连接的外部流道。计算流体域模型见图3。

图3 计算模型的三维实体Fig.3 Calculation of 3D entities of the model

边界初值的设定直接影响到模拟情况的准确性和真实性,因此,需要针对实际工况来设置。气流单相仿真和气液双相耦合仿真的边界设定一样,结合对旋轴流风机实际工况边界条件设定如下:

1)风机入口边界条件。与集流器的前端相接触的为直径10 m、长度5 m圆柱体流场区域,将此流场区域设定为压力入口。

2)风机出口边界条件。在出风筒处放置一个直径为10 m、长度为120 m的圆柱形流场区域,便于观察出口外流场气流和雾滴的分布情况,出口流场为环境大气空间,将其设置为压力出口边界。

3)旋转叶轮流体区域边界条件。对旋轴流风机的两级叶轮处于旋转区域,根据DM中的流体域三维模型,将旋转区域设置为动参考系模型(MRF)。

4)区域间过渡面边界条件。将流场流体域划分为入口流场、一级叶轮前区域、一级叶轮区域、一二级叶轮间区域、二级叶轮区域、出口区域以及出口的外流域七个部分。面切割分为有接触与非接触两种方式。非接触面切割的两个面都设置为边界面,两个接触的流体域得以实现数据传递。非结构网格划分的区域采用接触面切割的方式,相邻的两个流体域共用一个面,边界类型为内部面。

边界条件设定见图4[14]。

图4 流体域边界条件Fig.4 Fluid domain boundary conditions

2.3 喷雾降尘对旋式轴流风机气流单相仿真分析

2.3.1 出口射程

射程说明了降尘轴流风机的有效喷雾距离,是考量喷雾降尘轴流风机的重要性能参数。欧亚明等[15]研究发现风机出口风速达到2.0 m/s时才可以输运液态雾滴,因此,将速度大于2.0 m/s的区域视为风机携带雾滴的有效射程。初始模型整个流体计算域的速度云图见图5。

图5 气流单相全流域速度云图Fig.5 Airflow single-phase full-basin velocity cloud

由图5可以看出,原始模型中速度高于2.0 m/s的有效射程(深色区域)为82.86 m。风机在出风口处流道开始逐渐扩大,在距离出风口50 m后流道宽度逐渐收窄,流体流速衰减。

2.3.2 截面压力

出口截面压力的大小直接影响到喷雾降尘对旋式轴流风机的射程的远近,因此,需要着重分析。 截面压力云图见图6。

图6 风筒出口截面压力云图Fig.6 Pressure cloud diagram of blower outlet section

克服风流阻力的压力为静压。出口截面最大静压值为266.87 Pa,截面平均静压值为127.03 Pa。气流流动的动压转换成的压力称为动压。动压值的大小能够反映出风机对气流做功的大小,出口截面最大动压值为1 197.80 Pa,通过计算可以得出截面平均动压为753.72 Pa。

风机的全压是指风机的全压增加量,即全压=静压+动压。风机出口全压值的大小代表了出口气流能量的大小,能够反映出风机对气体的做功大小。出口截面最大总压为1 348.37 Pa,通过计算可以得出截面平均总压为880.75 Pa。

2.3.3 截面速度

轴流风机的轴向速度决定了流体能够到达的真实射程,而轴流风机的射程是评价喷雾降尘对旋式轴流风机性能的重要指标。图7为轴流风机出口截面的轴向速度云图。

图7 风筒进出口截面轴向速度云图Fig.7 Axial velocity cloud of wind cylinder inlet and outlet section

由图7可以看出,速度分布呈现一定的规律性,最高轴向速度达到41.89 m/s,中心处和6个叶片形状的区域轴向速度较低是由于二级叶轮的后方出口设置有出口导流筒和导流叶对气流产生了一定的阻挡作用,在6片导流叶之间的区域处的轴向气流速度较高,在接近锥筒筒壁处速度梯度变化较大,贴近壁面的轴向速度逐渐降低到零。出口轴向速度与出口动压存在紧密的联系,出口动压的大小直接影响到出口轴向速度的大小。

2.4 喷雾降尘对旋式轴流风机气液双相耦合仿真分析

2.4.1 出口射程

双相耦合模型将高压喷嘴喷出的雾滴加入到流体域中,连续相气流和离散相雾滴之间相互作用,从而得出出口外流场速度云图和雾滴的分布情况,进而评估喷雾降尘轴流风机的性能,见图8。

图8 气液两相耦合全流域速度云图和雾滴分布Fig.8 Gas-liquid two-phase coupled whole-basin velocity cloud and droplet distribution

由图8可以看出,原始模型的流速超过2.0 m/s的有效射程(深色区域)达到76.12 m。从图8雾滴分布可以看出,有效距离可以达到98.24 m。从雾滴在外流场的分布范围可以看出,风速在0.5～1.0 m/s之间的区域依然有少量雾滴的分布,因此,并非只有速度大于2.0 m/s的气流才可以携带雾滴进行降尘,风机的真实有效射程并不局限于流速大于2.0 m/s的区域。因此,根据轴流风机和喷嘴雾化水滴的联合仿真,可以得出,在气液双相流相互作用的情况下,风机在标准大气压下出口顺风向的气流速度高于1.0 m/s就可携带雾滴远距离输运。

2.4.2 截面压力

由图9可以看出,截面最大总压值为1 353.43 Pa,平均总压为895.76 Pa。气流单相仿真得出的截面最大总压值为1 348.37 Pa,平均总压为880.75 Pa。通过对比可以得出,两种仿真方法对于截面压力的数值影响不大。风筒材质为Q235,该材料的屈服强度为235 MPa,两种仿真结果的数值远低于该材料的屈服强度,风筒能够正常作业。

图9 风筒出口截面压力云图Fig.9 Pressure cloud diagram of the cross-section of the duct outlet

2.4.3 截面速度

出口截面的轴向速度决定了风送雾滴的有效速度,其数值越大,轴流风机的风送效果越好。进出口截面的速度云图,见图10。由图10可知,轴向速度在中心处存在一较低值的圆形区域,由于导流叶的干扰,高速区域呈现六角形,轴向速度在六角形导流叶的快速转动下,向四周以水波的形态扩散增大,后与六角形的速度分布云图结合,在六角形和风筒边界之间的区域速度达到最大值。在靠近风筒边处,形成了压力梯度变化极小的速度流层,边界层较难区分。在后锥筒体导流叶的作用下,速度云图呈现对称分布状况。截面区域的速度分布和数值大小,两者的差值越大说明风机对气流的做功效果越好。

图10 风筒进出口截面轴向速度云图Fig.10 Axial velocity cloud diagram of the inlet and outlet section of the duct

2.5 仿真结果对比

由两次仿真结果的风机出口速度云图图5和图8可以看出,单相仿真的风机出口速度为1.0 m/s,射程为109.87 m,而流耦合仿真的风机出口速度为1.0 m/s,射程为98.42 m。由此可知,并非只有速度大于2.0 m/s的气流才可以携带雾滴进行降尘,风机的真实有效射程并不局限于流速大于2.0 m/s的区域。因此,根据轴流风机和喷嘴雾化水滴的联合仿真,可以得出,在气液两相流相互作用的情况下,风机在标准大气压下出口顺风向的气流速度高于1.0 m/s就可携带平均雾粒直径为60 μm的雾滴远距离输运。

3 射程界定的验证

经过喷雾降尘对旋式轴流风机的流场仿真分析,风机在气流速度高于1.0 m/s时就可携带平均雾粒直径为60 μm的雾滴远距离输运。为验证数值模拟结果的准确性,通过圆断面射流运动分析理论验证仿真气体流速高于1.0 m/s时就具备携带气流的能力这一结论的有效性。

圆断面射流是紊流射流的一种,对旋轴流风机的出口属于圆断面射流,气流自半径为R的圆断面喷嘴喷出,出口断面上的速度认为均匀分布[16]。由于风机出口是与大气相连接,这属于无限空间射流,也称自由射流。无限空间淹没紊流射流的特征如图11所示。

图11 无限空间淹没紊流射流的特征Fig.11 The features of infinite space floods of a turbulent jet

自由射流包括几个重要的参数:射流核心、边界层、过渡断面、起始段、主题段、扩散角(极角)α和紊流系数a。根据喷嘴的不同,紊流系数见表2。

表2 紊流系数参考表Table 2 Turbulence coefficient reference table

扩散角与紊流系数有以下关系:

(1)

根据圆断面射流运动分析的主体段轴心速度理论公式:

(2)

式中:vm为主体段轴心速度,m/s;v0为风机出口处的初速,m/s;a为紊流系数;s为轴线离风机出口的距离,m;d0为风筒的出口直径,m。

由数值模拟的结果和轴流风机的结构参数可以得到:风机在出口处初速度为36 m/s,出口直径为760 mm,紊流系数根据表2选取0.12,主体段轴心速度为1.0 m/s,将这些参数代入式(2),得出气流射流轴线离风机出口的距离为Ld=109.87 m。气液两相流耦合仿真的风机出口速度为1.0 m/s的射程为98.42 m。根据文献[17]可知,风机在不携带雾滴的射程Ld要比携带雾滴的射程Lc要远8～10 m。

由此可以得出,携带雾滴的气流射程Lc=109.87-10.00=99.87 m,而这一结果与气液两相流耦合的射程98.42 m极为相近。可以得出,降尘风机在标准大气压下且风机出口朝向与空气流动方向一致的条件下,降尘风机出口气流速度大于1.0 m/s时就可以携带雾滴进行远程输送。

4 结论

1)气流单相仿真模型和气液双相耦合仿真模型的研究发现,两者在风机内部流场中风压、风速、出口风量和流线图等参数都较为接近,在出口外流场风速的分布和有效射程上有着较大差距。

2)对出口外流场风速分布和有效射程上的研究得出:喷雾降尘对旋式轴流风机在标准大气压环境中且顺风向时进行气力输送的气流速度达到1.0 m/s时,可携带喷嘴出口雾滴直径为60 μm的雾滴进行远距离输运。