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射流曝气器专题:8、搅拌效果的数值模拟

发布时间:2020-04-22 19:46 浏览量:193

射流曝气器搅拌效果的数值模拟

 
射流曝气器的安装方式对浆液的氧化起着重要作用。从搅拌的角度看,应尽可能地避免在脱硫浆液罐中出现死角。现场实际测试所得到的结果真实可信,但本实验受到现场模型的限制,试验方法需要耗费大量的人力、物力,且很难得到理想结果。因此,本文采用数值模拟实验得出现场搅拌效果最佳时的安装方式。本研究根据循环浆液泵流量大小及射流曝气器出口流速大小,选择安装 2~3
个射流曝气器,模拟常温(20℃)浆液流处于恒定不可压状态下,浆液罐中的流场状况。只安装一个射流曝气器,难免浆液罐中出现搅拌死角,射流曝气器安装数量过多,其出口流量变小,流速也相应减小,则对浆液罐搅拌提供的动力变小, 搅动范围也随之变小。因此,选定射流曝气器的安装个数分别为 2、3,比较两者的混合搅拌效果。
 

4.1 几何模型的建立与网格划分

以安装三个为例,按照浆液罐的结构尺寸进行三维建模,现场浆液罐高度为1.4m,直径 1.5m,出口直径 80mm,入口直径 50mm,采用 UG 建立几何模型, 三维实体模型如图 4.1 所示。

 
 
 
图 4.1  浆液罐三维实体模型
Fig.4.1 Three-dimensional entity model of slurry tank
 
 
本模拟实验采用 CFX 软件,CFX 是全球第一个通过 ISO9001 质量认证的大型商业 CFD 软件,是英国 AEA Technology 公司为解决其在科技咨询服务中遇到的工业实际问题而开发,是目前处于世界领先地位的 CFD 软件之一,广泛用于模拟各种流体流动、传热、燃烧和化学反应等问题。目前,CFX 已经遍及航空航天、

 
旋转机械、能源、石油化工、机械制造、汽车、生物技术、水处理、火灾安全、环保等领域,为其在全球 6000 多个用户解决了大量的实际问题。
除了一般工业流动以外,ANSYS CFX 还可以模拟诸如燃烧,多相流,化学反应等复杂流场。先进的全隐式耦合多网格线性求解器,加上其他网格技术,其收敛速度快和稳定性较传统方法提高了许多,它在生成网格时,可实现边界层网格自动加密、流场变化剧烈区域网格局部加密、分离流模拟等,这大大提高了数值仿真的精度。而且 ANSYS CFX 拥有从几何到网格到流体计算及后处理的整体解决方案,尤其在三维流场领域有其独到的优点。
本研究采用 ICEM CFD 将几何模型划分为四面体单元,系统自动对已有的几何模型生成拓扑结构,并提供丰富工具使用户能够对网格质量进行检查和修改, 以保证生成高质量网格。考虑到浆液罐入口附近的流场较为复杂,对入口边界层网格自动加密,网格划分如图 4.2 所示。
 

 
 
 
 
图 4.2  浆液罐网格划分
Fig.4.2 Mesh generation of slurry tank
 

4.2 数学模型的建立

4.2.1 控制方程

流体流动要受物理守恒定律支配,基本的守恒定律包括:质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。在射流曝气器的扩散管段,空气被浆液粉碎为微小气泡,分散在浆液流中,成为分散介质,实际上进入浆液罐的浆液射流为两相流, 但由于气相对液相的垂直速度分量影响很小,而射流曝气器对浆液罐内流场的影响主要来自液相的水平动量分量[53],因此进行数值模拟时可将其简化为单相流。浆液罐内浆液流动的控制方程如下:

 

连续方程:
r + ¶(ru) = 0


 
(4-1)

txi
运动方程:

¶(ru) + ¶(rui) = - p
 


é(m + m ) ¶ù
 

tx j
xi
xë
t ú
 û
(4-2)

2 ¶ é
æ ¶u  öù ¶
 


 
 
 
 
- êmç ÷ú - (rui¢u¢j )

3 ¶xê
ç ¶÷ú
j

ë  è øû
标准k - e 湍流模型:

¶(rk)
 

¶(rku)
 

¶ éæ

 

mö ¶ù

 
 
 
 

t +
xi
= ¶x
êç m +

ëè

÷
ø ¶x
ú
j úû
(4-3)

Gre
 

¶(re )
 

¶(reui )
 

¶ éæ
 

mö ¶e ù

 
 
 
 

t +
xi
= ¶x
C
êç m +
ëè
÷
e ø ¶x
e 2
ú
j úû

(4-4)

1e
k
GC2e r k

 

2
mt CmGk
 

æ
mt ç +
ö ¶ui
 


(4-5)

ç ju ÷ j
 
其中,Cμ=0.09;C1ε=1.44;C2ε=1.92;σk=1.0;σε=1.3
式中,ρ 为流体密度,kg/m3ui 为 xi 方向时均速度,m/s;为时均压强,Pa; μ 为流体动力粘性系数;μt 为湍动粘度系数; - rui¢u¢为雷诺应力,Pa;和 ε 分别为湍动能、湍动能耗散率;Gk 是由于平均速度梯度引起的湍动能 的产生项; CμC1εC2εσkσε 为经验常数。

4.2.2 边界条件与初始条件的设定

本文采用标准 k-ε 模型,模拟浆液处于常温(20℃)与恒定不可压状态下, 射流曝气器对浆液罐内浆液的混合搅拌状况,其中脱硫浆液密度为1.08×103kg/m3。边界条件及初始条件设定情况,具体见表 4.1。采用 CFX-Post 独有的全隐式耦合多网格线性求解器进行计算,在计算过程中,当湍动动能、湍流耗散率、速度场以及连续性方程的残差降低到 1.0×10-4 时,认为计算达到收敛。
设置计算次数为 1000 次,当计算结果在设计的误差范围内时,计算自动完毕,若

 
是误差在计算完 1000 次后仍大于设计范围,可换成另外的求解器,在原有计算的结果上继续迭代计算,直到计算结果在允许的误差范围内,停止计算。
 
表 4.1  边界条件及初始条件设定
Table 4.1 Setting of boundary and initial conditions
边界条件 设定 初始数值
入口 1
入口 2
质量流量
质量流量
1.6 kg/s
1.6 kg/s
入口 3 质量流量 1.6 kg/s
出口 相对压力 0[Pa]
壁面 无滑移 -
 

4.3 数值模拟的计算及结果分析

4.3.1 安装数量及角度的对比研究

首先假定射流曝气器的安装个数为 2 时,研究其进口平面的速度分布。本模型参数分别为:浆液罐高度为 1.4m,直径 1.5m,入口直径 50mm,出口直径 80mm,角度分别取为:0°、30°、60°、90°,入口平面对应的流动规律性见图 4.1。

 
 
 
 
 
 
0°时入口所在平面 30°时入口所在平面

 
 
 
60°时入口所在平面 90°时入口所在平面图 4.3  安装角度分别为 0°、30°、60°、90°时速度云图
Fig. 4.3 the speed clouds of the angles Installations of 0 °, 30 °, 60 °, 90 °
 
 
由图 4.3 可见,不同安装角度的流场情况都不同,0°搅拌效果较好,即两相切入口形成涡流,浆液运动范围较广;而 90°时较差,主要因为 90°时,两个入口的浆液产生对流,中间速度相互抵消,速度几乎为零。

4.3.2 安装个数为 3 时,浆液罐中流场情况

由上一节可知全部水平安装时,0°搅拌效果较好,同样比较安装个数为 3, 角度为 0°时,浆液入口所在平面流场情况。结果云图见图 4.4
 

 
 
 
 
图 4.4 安装个数为 3、角度为 0°结果云图
Fig. 4.4 The results of cloud under the condition of 3 Installation, the angle of 0 °
 
 
由图 4.4 可知,两者效果差异不明显,因此在同一水平面,选用两个相切 0° 的安装方式并不理想,为防止中间速度为零,竖直方向需再加一个射流曝气器。固定竖直方向为中间位置,分别对水平位置在同一平面与不同平面做了模拟,结果如图 4.5 所示。

 
 

 
不同平面、不同角度安装 同一水平面且角度相同与竖直安装图 4.5 安装个数为 3、三个入口速度流线图
Fig. 4.5 Three inlet velocity streamlines of 3 Installations
 
 
由上图知,不同平面、不同角度安装时,搅拌范围较广,三个入口中浆液流动时的相互作用更为明显,效果也较为理想。

4.3.3 安装个数为 3,不同平面安装时,内部流场情况

固定竖直安装的射流曝气器在顶部中间,调整水平方向上其中一个射流曝气器的角度与相对,再相应的调整另外一个水平射流曝气器的位置,对比它们的流动变化。本研究相对角度为 90°,参考高度分别取 0.6m、0.8m、1.0m,两者的相对距离分别为 0.1m 与 0.4m。

4.3.4 不同参考高度,相同相对高度结果分析

取相对高度为 0.1m,分别取不同参考高度,通过分析比较以确定最佳参考高度。浆液罐内在参考高度分别为 0.6m、0.8m、1.0m 时的搅拌状况及速度流线图, 见图 4.6。

 
 
 
 
 
 
参考高度为 0.6m 参考高度为 0.8m

 
 
 
参考高度为 1.0m
图 4.6 安装高度各不相同的速度流线图
Fig. 4.6 Rate of flow chart of installations of different high
 
由上图可知,安装高度在 0.8m 左右,搅动范围也最为广泛,几乎对整个浆液池的每个角落都进行了充分搅拌,且较为均匀,搅拌效果最好。

4.3.5 相同参考高度,不同相对高度结果分析

取参考高度为 0.8m,分别取相对高度为 0.1m 与 0.4m,结果流线图如图 4.5, 由图可知,相对高度较小为宜,如此两者的相互作用在各自消散之前得以充分发挥。各速度分布见图 4.7。

 
 
 
 
 
相对高度为 0.1m 相对高度为 0.4m
图 4.7 相对高度不同时速度流线图
Fig. 4.7 Rate of flow chart of different relative height velocity streamlines
 
 

4.3.6 同一平面不同安装高度结果分析

上述模拟实验中,图 4.7 中相对高度为 0.1m 的安装方式较为理想,但是受现场实际实验条件限制,安装相对较难,下面考虑全部安装在水平面上,使其互相对冲,来模拟其效果。分别取高度为 0.6m,0.7m,0.8m,0.9m,1.0m。结果流线图如图 4.8,由图可知,高度为 0.8m 效果较为理想。

 

高度为 0.6m 高度为 0.7m
 

 
 
 
 
 
高度为 0.8m 高度为 0.9m
 
高度为 1.0m
图 4.8 不同高度对应速度流线图
Fig. 4.8 Rate of flow chart of different height
 

4.4 小结

本章采用 CFX 数值模拟软件,为浆液罐中的搅拌状况设置了各种模拟方案, 分别从不同射流曝气器的个数、射流曝气器不同的布置平面、不同高度以及各种射流曝气器间的相对高度进行了模拟,由上述数值模拟实验得出射流曝气器的安装数量为三个,垂直于塔壁,安装高度均为 0.8m,此种情况浆液罐内混合搅拌效果最为理想。

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