周日峰，郎需慶，張健中，劉全楨

(中國(guó)石化安全工程研究院，山東青島 266071)

多級(jí)孔板擾流泡沫發(fā)生器流場(chǎng)模擬分析

周日峰，郎需慶，張健中，劉全楨

(中國(guó)石化安全工程研究院，山東青島266071)

通過(guò)數(shù)值模擬方法，對(duì)內(nèi)錐和多級(jí)孔板組合擾流結(jié)構(gòu)下的泡沫發(fā)生器流場(chǎng)進(jìn)行了模擬和分析。通過(guò)CFD流場(chǎng)模擬軟件Fluent，以泡沫發(fā)生器的真實(shí)操作工況為邊界條件進(jìn)行建模，得到了氣液兩相摻混流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)和重要?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)，并進(jìn)行了分析。發(fā)現(xiàn)擾流件的下游區(qū)域存在一個(gè)較穩(wěn)定回流區(qū)，同時(shí)在多級(jí)孔板區(qū)域流場(chǎng)的湍動(dòng)能及湍動(dòng)能耗散率較高，對(duì)泡沫發(fā)生器中氣液兩相摻混有利。擾流件下游液相分布較為均勻，進(jìn)一步驗(yàn)證了發(fā)泡器內(nèi)部氣液摻混效果較佳。通過(guò)流場(chǎng)模擬，驗(yàn)證了圓錐和四級(jí)孔板組合擾流結(jié)構(gòu)對(duì)強(qiáng)化泡沫發(fā)生器內(nèi)氣液摻混的有效性。

泡沫發(fā)生器 孔板 氣液兩相流 數(shù)值模擬

1 泡沫發(fā)生器簡(jiǎn)介

火災(zāi)是我國(guó)石化行業(yè)的重大安全事故。大流量高效滅火裝置在石化[1,2]、礦山[3]等領(lǐng)域有重要應(yīng)用，是消防領(lǐng)域技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)，其中非預(yù)混壓縮空氣泡沫發(fā)生裝置是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)[4,5]。泡沫發(fā)生器是非預(yù)混兩相泡沫滅火裝置的核心部件。發(fā)泡前的氣液兩相分開(kāi)存儲(chǔ)，分別經(jīng)泡沫發(fā)生器的氣相入口和液相入口進(jìn)入摻混腔，在摻混腔內(nèi)完成混合發(fā)泡過(guò)程。通常在摻混腔內(nèi)布置擾流結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)氣液兩相的摻混效率，摻混后生成的泡沫液經(jīng)發(fā)泡器的出口流出。該類泡沫發(fā)生器產(chǎn)生的泡沫穩(wěn)定，在撲滅B類火災(zāi)時(shí)有較好的應(yīng)用[6,7]。通過(guò)對(duì)泡沫裝置的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化，有助于提高泡沫發(fā)生器中的泡沫性能，如泡沫均勻度、細(xì)膩度等，對(duì)滅火裝備的整體性能有重要作用[8,9]?；谂菽l(fā)生器結(jié)構(gòu)的內(nèi)部?jī)上鄵交炝鲌?chǎng)，與發(fā)泡效果息息相關(guān)，通過(guò)研究氣液兩相摻混流場(chǎng)，能夠?qū)ε菽l(fā)生器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證和輔助優(yōu)化[9]。CFD數(shù)值模擬是研究流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的行之有效的方法，能夠得到實(shí)驗(yàn)中難以觀察和測(cè)量的流場(chǎng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，提高裝備研發(fā)設(shè)計(jì)的精度和效率，如李松巖等[10]數(shù)值模擬研究了同心管式泡沫發(fā)生器，王群星等[3]研究了液相經(jīng)文丘里管喉部噴入摻混室的泡沫發(fā)生器，對(duì)發(fā)生器中的壓力、速度、相分布等進(jìn)行了分析。

本文研究的泡沫發(fā)生裝置中布置圓錐和多層孔板擾流結(jié)構(gòu)，氣液兩相進(jìn)入發(fā)泡器遇到圓錐形成環(huán)流后，在下游遇到多層孔板，增強(qiáng)了氣液混合和發(fā)泡效果，生成的泡沫從泡沫發(fā)生器的出口流出。通過(guò)Fluent軟件，對(duì)圓錐和孔板擾流泡沫發(fā)生器流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，計(jì)算得到了氣液兩相摻混的流場(chǎng)，并對(duì)流場(chǎng)中的重要?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了圓錐和多層孔板組合擾流結(jié)構(gòu)的泡沫發(fā)生器的摻混性能，并為后期泡沫發(fā)生器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和優(yōu)化提供依據(jù)。

2 發(fā)泡器的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

發(fā)泡器結(jié)構(gòu)為豎直管道形狀，最下部為液相入口，氣相入口在液相入口上方管道的側(cè)面，沿管道圓周均勻分布。液相入口附近設(shè)置一圓錐擾流器。圓錐下游布置4個(gè)孔板，沿上下游分別稱為一、二、三、四級(jí)，孔板上設(shè)多個(gè)小孔。最上方孔板的下游管道長(zhǎng)度為3D(D為管道直徑)。發(fā)泡器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 泡沫發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意

3 計(jì)算域及邊界條件

為了減少計(jì)算量，計(jì)算模型取管道的1/5，計(jì)算域恰好含有一個(gè)氣相入口，如圖2所示。

圖2 泡沫發(fā)生器計(jì)算域及邊界條件設(shè)置

氣相入口和液相入口都設(shè)置速度邊界條件，發(fā)泡器出口設(shè)置壓力邊界條件，表壓為0Pa。計(jì)算域的周向兩端為對(duì)稱邊界條件。其他計(jì)算域的封閉邊界設(shè)置為壁面邊界條件。湍流計(jì)算采用SAS湍流模型，以盡可能精確計(jì)算流場(chǎng)的湍流結(jié)構(gòu)，得到最切近真實(shí)的流場(chǎng)。模型求解采用非穩(wěn)態(tài)求解模型，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為1e-5s，初始流場(chǎng)的液相體積分?jǐn)?shù)設(shè)為零，氣液兩相速度設(shè)為零。

4 流場(chǎng)動(dòng)力學(xué)分析

從液相開(kāi)始進(jìn)入泡沫發(fā)生器起，計(jì)算得到了0.395 s后的氣液兩相流場(chǎng)，并對(duì)流場(chǎng)中的重要?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)進(jìn)行了分析，包括壓力、相分布、兩相速度、湍動(dòng)能、湍動(dòng)能耗散率等。為了便于觀察和分析，本文抽取了發(fā)泡器三維流場(chǎng)中的軸向截面圖(圖3～圖8)。

4.1 壓力場(chǎng)

從圖3中可以看出，第一級(jí)孔板對(duì)發(fā)泡器氣液混合流場(chǎng)的壓降貢獻(xiàn)最大，上下游壓降約為60 000 Pa，第二級(jí)壓降約為20 000 Pa，第三級(jí)壓降約為10 000 Pa，第四級(jí)壓降約為15 000 Pa。第四級(jí)孔板下游存在一個(gè)較強(qiáng)的負(fù)壓區(qū)，接近孔板位置壓力最低，約為20 000 Pa，第四級(jí)孔板下游約1D位置，流場(chǎng)壓力回復(fù)到接近發(fā)泡器出口水平。多級(jí)孔板區(qū)域的流場(chǎng)壓力沿徑向的分布變化不大。

圖3 泡沫發(fā)生器兩相流場(chǎng)中壓力分布軸向截面

4.2 速度場(chǎng)

從圖4中可以看出，第4級(jí)孔板下游有一個(gè)較長(zhǎng)的回流區(qū)，其徑向尺寸受第四級(jí)孔板中心阻擋區(qū)域尺寸約束，并且沿流場(chǎng)軸向先增大，在約0.6D位置達(dá)到最大，然后縮小，約在1.3D位置達(dá)到最小，然后又增大?；亓鲄^(qū)在第四級(jí)孔板下游1D范圍內(nèi)最強(qiáng)，越靠近下游，強(qiáng)度越弱。在該回流區(qū)附近，流場(chǎng)的軸向剪切速率較大，由于氣液兩相的密度不同，兩相間的速度滑移也較大，故回流區(qū)對(duì)氣液摻混有強(qiáng)化效果。

圖4 泡沫發(fā)生器兩相流場(chǎng)中速度分布軸向截面(Z方向?yàn)檩S向方向)

在圓錐與第一級(jí)孔板之間，也存在一個(gè)較小的回流區(qū)。在4級(jí)孔板構(gòu)成的流場(chǎng)中，也分散有數(shù)量較多的回流區(qū)。在4級(jí)孔板區(qū)域，無(wú)論軸向還是徑向，流場(chǎng)的剪切速率都較大，有利于氣液摻混。故四級(jí)孔板對(duì)發(fā)泡器的擾流效果較佳。

4.3 湍流結(jié)構(gòu)

a)湍動(dòng)能。從圖5中可以看出，在氣相入口附近、圓錐的錐部區(qū)域、第一級(jí)孔板區(qū)域、四級(jí)孔板區(qū)域靠近管壁側(cè)，湍動(dòng)能較強(qiáng)。

圖5 泡沫發(fā)生器兩相流場(chǎng)中湍動(dòng)能分布軸向截面

b)湍動(dòng)能耗散量。從圖6中可以看出，在氣相入口附近、第一級(jí)孔板區(qū)域、四級(jí)孔板區(qū)域靠近管壁側(cè)，湍動(dòng)能較強(qiáng)。

圖6 泡沫發(fā)生器兩相流場(chǎng)中湍動(dòng)能耗散率分布軸向截面

4.4 相分布

4.4.1多級(jí)孔板區(qū)域

在第一級(jí)孔板橫截面及其下游區(qū)域(圖7-a)，氣相主要分布在管道中間區(qū)域，液相主要分布在外圍區(qū)域。這是由于氣液兩相繞流經(jīng)過(guò)V錐后，氣相比液相的密度和慣性都較小，流動(dòng)方向變換容易導(dǎo)致(圖8-a)。到第三級(jí)孔板所在流場(chǎng)區(qū)域(圖7-c)，氣相在管道橫截面的分布已較為均勻，液相在管道中心區(qū)域的相含率也提高許多。

4.4.2整個(gè)流場(chǎng)區(qū)域

從圖8-a中可以看出，液相從發(fā)泡器進(jìn)入后，經(jīng)過(guò)圓錐的分流變向，然后又經(jīng)過(guò)四級(jí)孔板的分散及氣相的湍動(dòng)效應(yīng)，在第四級(jí)孔板的下游約1D往后區(qū)域，液相在管道中分布已經(jīng)較為均勻，無(wú)明顯的液相團(tuán)塊存在，且液相在管壁附近的分布量也不多，即氣液混合較為均勻。流場(chǎng)中第四級(jí)孔板下游2D位置至流場(chǎng)出口之間區(qū)域的氣相比例偏高，是由于計(jì)算域出口回流導(dǎo)致。圓錐和四級(jí)孔板組合擾流裝置對(duì)強(qiáng)化氣液混合的效果較佳。

圖7 多級(jí)孔板區(qū)域流場(chǎng)中相分布的徑向截面

圖8 整個(gè)計(jì)算域流場(chǎng)中相分布

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)圓錐和多層孔板組合擾流結(jié)構(gòu)的泡沫發(fā)生器內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬，得到了氣液兩相混合流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)及相關(guān)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，并對(duì)其中壓力、軸向速度、湍流動(dòng)力學(xué)參數(shù)、相分布等進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn)，擾流件下游區(qū)域存在較強(qiáng)的穩(wěn)定回流區(qū)，該區(qū)域剪切速率較大，有助于強(qiáng)化氣液摻混。同時(shí)，多級(jí)孔板附近區(qū)域流場(chǎng)的湍動(dòng)能和湍動(dòng)能耗散率較大，說(shuō)明多級(jí)孔板對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)作用較強(qiáng)，有利于強(qiáng)化氣液摻混。另外，多級(jí)孔板下游流場(chǎng)區(qū)域的液相分布較為均勻，不存在明顯的液塊，進(jìn)一步驗(yàn)證了發(fā)泡器內(nèi)部氣液摻混效果較佳。

綜上所述，圓錐和四級(jí)孔板組合擾流結(jié)構(gòu)對(duì)泡沫發(fā)生器兩相摻混效果較好，今后可進(jìn)行更深入的研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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NumericalStudyofGas-liquidFlowinFoamGeneratorwithDisturbingDeviceofMulti-orificeZhou Rifeng, Lang Xuqing,

Zhang Jianzhong, Liu Quanzhen

(SINOPEC Research Institute of Safety Engineering; Shandong, Qingdao 266071)

In order to study the performance of foam generator with disturbing device in form of multi-orifice for gas and liquid mixing which is used in the large flow rate fire extinguishing device, the two phase flow field under the composed disturbing device of V cone and multi-orifice was got and analyzed. The numerical model was build on the real operating conditions of foam generator by CFD software Fluent, and the two phase flow structure with some flow dynamic parameters was studied, such as velocity, pressure, turbulent energy and liquid phase distribution in the flow field, etc. There was a strong counter-flow domain downstream the disturbing device, and the turbulent energy and turbulent dissociation rate around the multi-orifice were higher than other domains, which is beneficial to the two phase flow mixing. Also, the homogeneous liquid phase distribution showed a well gas and liquid mixing effect in the foam generator. All these afore mentioned factors contributed to the mixing efficiency of the two phase flow in the foam generator. Through the flow field simulation, verify the effectiveness of the cone and four hole plate combination structure of gas-liquid mixed flow perturbation in the mixed enhanced foam generator.

foam generator; orifice; gas-liquid flow; numerical study

2016-03-10

周日峰，工程師，2013年畢業(yè)于西安交通大學(xué)，碩士學(xué)位，現(xiàn)在中國(guó)石化安全工程研究院從事加油加氣站安全研究工作。