趙安文，郭 聳，高 尚

（南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇南京210094）

隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，以煙塵、粉塵等細(xì)微顆粒物為主的粉塵污染廣泛存在于電力、垃圾焚燒、噴涂、水泥、化工、重金屬礦等行業(yè)[1-2]。由于粉塵粒徑十分微小，難以捕捉，化工生產(chǎn)中通常采用以脈沖噴吹清灰方式為主的除塵設(shè)備來(lái)過(guò)濾和凈化作業(yè)場(chǎng)所環(huán)境氣體[3-5]，以降低空氣中粉塵、煙塵顆粒的含量。噴吹管作為脈沖噴吹除塵設(shè)備的核心部件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變將直接影響除塵設(shè)備的清灰效果[6-7]。

目前關(guān)于脈沖噴吹管結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)除塵設(shè)備清灰效果的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已在模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬兩方面進(jìn)行了大量的研究工作。模型試驗(yàn)測(cè)量方面，Lo等[8-9]和Yan等[10]采用不同開(kāi)孔直徑脈沖噴吹管，結(jié)合脈沖噴吹清灰機(jī)理，對(duì)濾袋內(nèi)部及其表面壓力場(chǎng)的分布規(guī)律進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：影響脈沖清灰效果的一個(gè)重要因素是噴吹管口氣流脈沖壓力，氣流壓力越大，粉塵受到的分離力越大，清灰效果越好。數(shù)值模擬方面，張景霞等[11]和樊百林等[12]針對(duì)脈沖噴吹管各出口氣流流量分布不均勻現(xiàn)象，提出了一套基于流量修正的管口孔徑迭代計(jì)算公式，有效地改善了噴吹管各出口氣流流量分布不均勻現(xiàn)象。隨后Li等[13]和Chen等[14]基于流量修正的噴嘴孔徑設(shè)計(jì)方法，分析研究不同開(kāi)孔形狀以及不同開(kāi)孔個(gè)數(shù)條件下噴吹管出口壓力大小，發(fā)現(xiàn)矩形噴嘴出口總壓值較小，適用于噴吹短濾袋，而圓形文丘里噴嘴出口總壓值較大，適用于噴吹中等長(zhǎng)度濾袋。

學(xué)者已從多方面探討了噴吹管結(jié)構(gòu)參數(shù)（噴嘴開(kāi)孔直徑、噴嘴間距、噴吹管長(zhǎng)度等）的變化，對(duì)噴嘴出口氣流壓力大小以及氣流流量分布均勻性的影響，而關(guān)于噴嘴出口截面氣流參數(shù)分布均勻性的研究?jī)?nèi)容卻未見(jiàn)報(bào)道。工程實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，除塵設(shè)備使用一段時(shí)間后，濾袋局部小面積損壞現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生[15-16]，因此，基于前人的研究基礎(chǔ)，推測(cè)該現(xiàn)象的發(fā)生正是由于噴嘴出口截面各項(xiàng)氣流參數(shù)分布不均勻造成。改變噴嘴與噴吹管連接部位型面參數(shù)，對(duì)比分析噴嘴出口截面各項(xiàng)氣流參數(shù)的分布差異性，評(píng)估氣流機(jī)械能損失率，在優(yōu)化噴嘴出口流場(chǎng)品質(zhì)、延長(zhǎng)濾袋使用壽命以及降低系統(tǒng)能耗等方面將具有重要影響意義。

1 噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

1.1 確定噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)

數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)研究目的在于改變噴嘴與噴吹管連接部位間的型面結(jié)構(gòu)參數(shù)以及對(duì)比分析不同型面噴嘴出口截面氣流參數(shù)分布規(guī)律的差異性，故研究時(shí)可建立只包含單一噴嘴結(jié)構(gòu)的噴吹管模型。根據(jù)噴嘴壁面與噴吹管壁面在連接部位的幾何位置關(guān)系，將噴嘴型面結(jié)構(gòu)分為4類(lèi)（假設(shè)兩者壁面間的夾角為α），分別為擴(kuò)張型（0°＜α＜90°）、直角型（α=90°）、收縮型（90°＜α＜180°）和圓角型（連接部位型面以倒圓角方式光滑過(guò)渡）?？紤]到氣體介質(zhì)在噴吹管以及噴嘴內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)情況為等熵流動(dòng)，對(duì)于收縮型和擴(kuò)張型噴嘴結(jié)構(gòu)，為避免收縮（擴(kuò)張）過(guò)于劇烈而導(dǎo)致氣體與壁面分離，故收縮（擴(kuò)張）角的取值大小在3～5°范圍內(nèi)為宜[17]。相似地，噴嘴與噴吹管連接部位型面倒圓半徑同樣不宜過(guò)大。最終所有噴嘴模型的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，w表示噴吹管直徑，D表示噴嘴出口截面直徑，H表示噴嘴長(zhǎng)度，α表示噴嘴壁面與噴吹管連接壁面間的夾角，R表示噴嘴壁面與噴吹管連接壁面間的倒圓半徑。

表1 不同噴嘴型面結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Different nozzle profile parameters

1.2 幾何建模與網(wǎng)格劃分

采用專(zhuān)業(yè)制圖軟件CAD建立噴吹管二維數(shù)值計(jì)算模型，圖1為4種噴嘴型面結(jié)構(gòu)示意。L1表示噴嘴與噴吹管入口位置間距，L2表示噴嘴與噴吹管末端壁面間距。

圖1 噴嘴型面結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Scheme of nozzle profile structure

模型建立完成后，采用四邊形主導(dǎo)網(wǎng)格劃分方法對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)黏性流體的流動(dòng)特征，網(wǎng)格劃分時(shí)對(duì)噴吹管和噴嘴的近壁面區(qū)域流場(chǎng)網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，保證第1層網(wǎng)格單元位于層流底層（黏性子層）中。在計(jì)算過(guò)程中還對(duì)噴嘴主流場(chǎng)區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格進(jìn)行了自適應(yīng)劃分處理，目的在于提高計(jì)算結(jié)果精度，確保數(shù)值計(jì)算結(jié)果與模型網(wǎng)格數(shù)量保持獨(dú)立。

1.3 數(shù)學(xué)模型與邊界條件

由于噴吹管內(nèi)氣體流動(dòng)的定常結(jié)算結(jié)果與非定常計(jì)算結(jié)果之間的誤差非常微小[18]，考慮到計(jì)算成本，數(shù)值模擬試驗(yàn)將忽略各計(jì)算參數(shù)在時(shí)間坐標(biāo)系下的離散化處理，采用基于壓力-速度修正的耦合求解器，并設(shè)置為定常（穩(wěn)態(tài)）計(jì)算。操作環(huán)境壓力設(shè)置為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，氣體湍流運(yùn)動(dòng)控制方程采用κ-ε標(biāo)準(zhǔn)湍流模型[5，11-12]，選用空氣作為噴吹管內(nèi)部流動(dòng)氣體材料。由于氣體流動(dòng)馬赫數(shù)超過(guò)0.3時(shí)，須考慮氣體壓縮效應(yīng)對(duì)流場(chǎng)參數(shù)分布產(chǎn)生的影響，因此數(shù)值模擬中的氣體材料將假定為可壓縮流體，流體密度符合理想可壓縮氣體定律，計(jì)算殘差收斂精度設(shè)置為10-4（能量殘差精度為10-6）。此外，工業(yè)實(shí)際應(yīng)用中通常采用空氣壓縮機(jī)為除塵設(shè)備提供壓縮氣體，故噴吹管入口采用壓力入口邊界條件：總壓為0.3 MPa，靜溫為300 K[3，5，7]；噴嘴出口設(shè)置為壓力出口邊界條件：回流壓力為-6 000 Pa[12]；所有壁面均設(shè)置為無(wú)滑移絕熱壁面。噴吹管入口位置處的湍流強(qiáng)度和水力學(xué)直徑[19]，根據(jù)下式確定：

式中：I為流體運(yùn)動(dòng)湍流強(qiáng)度；Re為湍流雷諾數(shù)；ρ為流體密度，kg/m3；D為管道直徑，m；υ為流體流速，m/s；μ為流體動(dòng)力黏性系數(shù)，Pa·s；r為管道水力學(xué)半徑，m；Dhy為管道水力學(xué)直徑，m；A為噴吹管過(guò)流斷面面積，m2；S為噴吹管過(guò)流斷面潤(rùn)濕周長(zhǎng)，m。

2 結(jié)果分析與討論

氣體介質(zhì)作黏性流動(dòng)時(shí)，噴嘴近壁面流場(chǎng)內(nèi)將會(huì)出現(xiàn)厚度較薄的黏性邊界層區(qū)域。由于氣流在黏性邊界層內(nèi)的分布參數(shù)并不是本文中關(guān)注的重點(diǎn)，故所有分析計(jì)算內(nèi)容將去除噴嘴壁面黏性邊界層（厚度為1 mm）內(nèi)單元數(shù)據(jù)。圖2、3分別為噴嘴出口截面速度場(chǎng)和滯止壓力場(chǎng)的分布示意圖。

圖2 噴嘴出口截面速度場(chǎng)分布Fig.2 Velocity field distribution of nozzle outlet cross section

圖3 噴嘴出口截面滯止壓力場(chǎng)分布Fig.3 Pressure field distribution of nozzle outlet cross section

從圖2、3中可以看出，收縮型、直角型、擴(kuò)張型和圓角型噴嘴出口截面速度場(chǎng)的分布性均較為理想。相似地，忽略近壁面邊界層區(qū)域，所有噴嘴出口截面滯止壓力場(chǎng)的分布均呈光滑拋物型，相比之下圓角型噴嘴出口截面滯止壓力參數(shù)的變化幅度最小。

標(biāo)準(zhǔn)偏差值能夠較好地反映樣本數(shù)據(jù)的變化幅度，因此噴嘴出口截面各項(xiàng)氣流參數(shù)的分布均勻性將依據(jù)所有網(wǎng)格單元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差值來(lái)評(píng)判。噴吹管入口邊界條件保持相同時(shí)，表2所示為各噴嘴出口截面氣流參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)比。

表2 氣流參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差分析Tab.2 Standard deviation analysis of airflow parameters

由表可知，圓角型噴嘴出口截面速度參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差值最小，分別為收縮型、擴(kuò)張型和直角型噴嘴對(duì)應(yīng)參數(shù)的53.52%、14.99%、20.84%，表明圓角型噴嘴出口截面速度場(chǎng)的分布均勻性最優(yōu)。

圓角型噴嘴出口截面靜壓參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差值也最小，分別為收縮型、擴(kuò)張型和直角型噴嘴對(duì)應(yīng)參數(shù)的37.82%、25.15%、34.44%；相似地，圓角型噴嘴出口截面滯止壓力參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差值分別為收縮型、擴(kuò)張型和直角型噴嘴對(duì)應(yīng)參數(shù)的37.37%、31.58%、32.06%，表明圓角型噴嘴出口截面滯止壓力場(chǎng)的分布均勻性最優(yōu)。故可說(shuō)明噴嘴與噴吹管壁面連接部位型面采用倒圓設(shè)計(jì)，噴嘴出口截面各項(xiàng)氣流參數(shù)的分布均勻性最優(yōu)，流場(chǎng)品質(zhì)最高，從而可有效避免濾袋局部小面積損壞現(xiàn)象的發(fā)生，延長(zhǎng)濾袋的使用壽命。

已有研究結(jié)果表明[20]，脈沖壓力（滯止壓力）大小是評(píng)判除塵設(shè)備清灰效果的重要指標(biāo)。噴嘴出口截面滯止壓力數(shù)值越大，表明系統(tǒng)清灰效果越好。圖4為不同型面噴嘴出口截面平均滯止壓力對(duì)比示意圖。

圖4 4種型面噴嘴出口截面平均滯止壓力對(duì)比Fig.4 Comparison of average stagnation pressure for outlet cross section of four kinds of nozzles

從圖中可以看出，噴吹管入口邊界條件保持相同時(shí)，噴嘴出口截面平均滯止壓力的大小關(guān)系為：擴(kuò)張型＜直角型＜收縮型＜圓角型。以目前工業(yè)實(shí)際常用直角型噴嘴平均滯止壓力參數(shù)值為基準(zhǔn)，收縮型、擴(kuò)張型和圓角型噴嘴出口截面平均滯止壓力值分別為直角型噴嘴的1.09、0.91和1.17倍。

圖5為4種型面噴嘴內(nèi)流場(chǎng)速度矢量分布示意圖。

圖5 4種型面噴嘴內(nèi)流場(chǎng)速度矢量圖Fig.5 Flow field velocity vector of four kinds of nozzles

從圖中可以看出，在收縮型、擴(kuò)張型和直角型噴嘴與噴吹管連接部型面流場(chǎng)內(nèi)存在不同尺寸大小的渦旋區(qū)域，故氣流在此區(qū)域內(nèi)將會(huì)產(chǎn)生較大的能量損失。

為進(jìn)一步分析相同入口參數(shù)條件下，4種噴嘴出口位置氣流機(jī)械能損失量間的關(guān)系，采用如下公式計(jì)算氣流經(jīng)過(guò)噴嘴后的平均滯止壓力損失率。

式中：η為氣流平均滯止壓力損失率；Pout為噴嘴出口截面平均滯止壓力，Pa；Pin為噴吹管入口截面平均滯止壓力，Pa。

根據(jù)公式計(jì)算得到氣流經(jīng)過(guò)擴(kuò)張型、直角型、收縮型和圓角型噴嘴后，平均滯止壓力的損失率分別為29.28%，22.03%，15.44%，9.10%，表明噴嘴與噴吹管壁面連接部位采用倒圓設(shè)計(jì)不僅能夠增大噴嘴出口截面平均滯止壓力，還可減少氣流機(jī)械能損失量，降低系統(tǒng)能耗。

3 型面參數(shù)優(yōu)化

噴嘴與噴吹管連接部位型面采用倒圓型設(shè)計(jì)不僅能夠減少內(nèi)部流體介質(zhì)的機(jī)械能損失，還能提高噴嘴出口截面各項(xiàng)氣流參數(shù)分布的均勻性，優(yōu)化流場(chǎng)品質(zhì)，因此有必要針對(duì)不同開(kāi)孔直徑的圓角型噴嘴，研究倒角半徑的變化對(duì)其出口流場(chǎng)品質(zhì)的影響。

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用控制變量法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，只考慮噴嘴直徑與噴吹管連接部位曲面倒圓半徑對(duì)其出口截面各項(xiàng)氣流參數(shù)分布規(guī)律的影響。噴嘴直徑和倒圓半徑2個(gè)目標(biāo)變量均以等差數(shù)列的形式線(xiàn)性變化，并且試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)能保證2個(gè)目標(biāo)變量的取值相互正交，共計(jì)開(kāi)展25組實(shí)驗(yàn)。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析與討論

由于均方根法能夠更靈敏地反應(yīng)樣本數(shù)據(jù)的分布均勻性，故構(gòu)造如下形式的參數(shù)均方根計(jì)算公式：

式中：σ為某一氣流參數(shù)分布均勻性的均方根值；n為噴嘴出口截面數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（網(wǎng)格）單元數(shù)；m為每個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元中對(duì)應(yīng)氣流參數(shù)的數(shù)值；m為截面所有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元中對(duì)應(yīng)氣流參數(shù)的平均值。

根據(jù)各組數(shù)值模擬結(jié)果計(jì)算噴嘴出口截面對(duì)應(yīng)氣流參數(shù)（靜壓、滯止壓力和速度參數(shù)）的均方根值。表3為每組實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)氣流參數(shù)均方根計(jì)算值，表中σsp、σtp、σvel分別表示噴嘴出口截面靜壓、滯止壓力和速度參數(shù)的均方根值。

表3 氣流參數(shù)均方根計(jì)算值Tab.3 Square root of airflow parameters

從表中數(shù)據(jù)可以看出，同一氣流參數(shù)在各組實(shí)驗(yàn)中的計(jì)算值各不相同，表明噴嘴直徑和連接曲面倒圓半徑2個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化將對(duì)噴嘴出口流場(chǎng)各項(xiàng)氣流參數(shù)的分布均勻性產(chǎn)生影響。

為更加直觀地分析噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)與出口流場(chǎng)氣流參數(shù)分布均勻性間的影響關(guān)系，以滯止壓力參數(shù)的均方根值為例進(jìn)行分析討論。圖6為曲面倒圓半徑與滯止壓力均方根值間的關(guān)系示意圖。

圖6 倒圓半徑與滯止壓力均方根值間的關(guān)系示意Fig.6 Variation trend between fillet radius and square root of stagnation pressure

從圖中可以看出，噴嘴直徑保持相同，隨著曲面倒圓半徑的增大，滯止壓力參數(shù)的均方根值在逐漸減??；表明增大曲面倒圓半徑，有利于提高噴嘴出口流場(chǎng)滯止壓力參數(shù)的分布均勻性。

圖7為噴嘴直徑與滯止壓力均方根間的關(guān)系示意圖。

圖7 噴嘴直徑與滯止壓力均方根值間的關(guān)系示意Fig.7 Variation trend between nozzle diameter and square root of stagnation pressure

從圖中可以看出，曲面倒圓半徑保持相同，隨著噴嘴直徑的增大，滯止壓力參數(shù)的均方根值在逐漸增大；表明增大噴嘴直徑，將降低其出口流場(chǎng)滯止壓力參數(shù)的分布均勻性。

相似地，噴嘴直徑保持相同，隨著曲面倒圓半徑的增大，靜壓和速度參數(shù)的均方根值均逐漸減??；曲面倒圓半徑保持相同，隨著噴嘴直徑的增加，靜壓和速度參數(shù)的均方根值均逐漸增大。表明增大噴嘴與噴吹管連接部位曲面倒圓半徑，以及減小噴嘴開(kāi)孔直徑，有利于提高噴嘴出口各項(xiàng)氣流參數(shù)的分布均勻性，改善流場(chǎng)品質(zhì)。

4 結(jié)論

通過(guò)改變噴嘴與噴吹管連接部位型面結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析討論噴嘴出口截面各項(xiàng)氣流參數(shù)分布均勻性的變化，可得如下結(jié)論。

1）保持噴吹管入口邊界條件相同，擴(kuò)張型、直角型、收縮型和圓角型噴嘴出口截面氣流滯止壓力的損失率分別為29.28%、22.03%、15.44%、9.10%，表明噴嘴與噴吹管連接部位型面采用圓角型設(shè)計(jì)可減少氣流機(jī)械能損失，降低系統(tǒng)能耗。

2）保持噴吹管入口邊界條件相同，圓角型噴嘴出口截面滯止壓力、靜壓和速度參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差值均最小，表明噴嘴與噴吹管連接部位型面采用圓角型設(shè)計(jì)能夠提高噴嘴出口流場(chǎng)各項(xiàng)氣流參數(shù)的分布均勻性。

3）增大噴嘴與噴吹管連接部位曲面倒圓半徑，以及減小噴嘴開(kāi)孔直徑，有利于提高噴嘴出口各項(xiàng)氣流參數(shù)的分布均勻性，改善流場(chǎng)品質(zhì)。

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