高蓬輝,閆姝潔,鄒紀偉,沈 浩,厲國梁

(1.中國礦業(yè)大學力學與土木工程學院,江蘇 徐州 221116;2.中國礦業(yè)大學國際學院,江蘇 徐州 221116)

引言

近年來,我國的淡水資源短缺問題不斷加劇,據(jù)預測30年后我國將出現(xiàn)用水高峰,城市化水平將達40%,屆時用水總量將達到7000-8000億立方米。我國的海岸線長達18000多公里,其管轄的海域約為300萬平方公里,海水資源十分豐富,因此海水淡化技術對于中國乃至世界都具有十分重要的意義。

海水淡化是指將海水經過脫鹽處理轉化成淡水的工藝過程[1],分為蒸餾法和薄膜法兩大類。傳統(tǒng)方法均需消耗大量石油、天然氣和煤轉化成的熱能或電能。據(jù)估計,每天生產1.3×108m3的淡化水,則每年需要消耗原油1.3×108m3。而伴隨燃料燃燒,將產生大量污染物質,進而導致地球的溫室效應及空氣污染等問題[2]。

因此,用較清潔的能源及方式來海水淡化越來越受青睞。閃蒸方法是現(xiàn)階段全球范圍內使用較廣的一種海水淡化方法,其利用抽真空技術,使得閃蒸室的壓力低于海水溫度對應的飽和蒸汽壓力,從而使進入閃蒸室的海水由于過熱迅速氣化為蒸汽。國內外對于閃蒸現(xiàn)象已有了一定的研究基礎和理論模型,并設計了一系列可用于理論研究的實驗裝置。楊麗潔等人對閃蒸各階段的傳熱流動機理做出了明確的闡釋,為引射器的研究和應用提供了參考和依據(jù)[3]。裴穎楠對閃蒸的實驗與仿真研究為設置閃蒸室的初始條件提供了一定的理論依據(jù)[4]。邵福喜對噴淋式閃蒸海水淡化中的不平衡溫差現(xiàn)象進行了相關研究,其推導出的一系列不平衡溫差經驗關系式為引射器的設計提供了參考[5]。引射器是抽真空技術中的關鍵部件之一[6],它對閃蒸室內真空條件的實現(xiàn)起著決定性作用。它是一種利用高壓流體射流作用抽吸低壓流體進行質量和能量傳遞的裝置。它可直接提高流體的壓力,而不消耗機械能,相比采用機械的真空設備簡單可靠。王靜進行了引射器的設計研究,多相流、多功能引射器的實驗研究和引射器的數(shù)學建模及數(shù)值模擬[7]。王厚慶等人在雙流體模型的基礎上,結合有限體積法及標準k-ε兩方程湍流模型,全面考慮工作噴嘴、混合室、擴壓管等對引射器性能的影響,以及進行了對引射器全流場仿真及實驗研究[8]。

筆者通過Fluent軟件對液汽引射器工作條件和其工作性能的影響進行了探究,得出了引射器在工作流體溫度為30攝氏度至50攝氏度區(qū)間內時,入口處工作流體溫度越低,其工作性能越好的結論。

1 液汽引射器簡介

1.1 液汽引射器組成及原理

液汽引射器主要由噴嘴、吸入室、喉管、擴散管等部分組成。流體從主入口吸入后經噴嘴噴出,射流將蒸汽從吸入室?guī)牒砉?液體射流離開噴嘴一段距離后,產生脈動和表面波。隨著射流表面波振幅的增大,高速運動的液體將分散于蒸汽中,其能量通過碰撞傳給蒸汽。蒸汽被壓縮后粉碎為微小的氣泡,然后與液體一同經過擴散管排出如圖1所示。

圖1 液汽引射器原理示意圖

1.2 相關參數(shù)

1.2.1噴射系數(shù)

噴射系數(shù)η最基本的定義由Patterson(1938)確立,它實質上是入口與出口之間動能差異的比率。在不可壓縮流中,η為:

式中,v——合速度(三維)

u——合速度軸向分量

p——斷面處射流壓力

ρ——流體的密度

A——斷面面積

1.2.2面積比

面積比a是引射器噴嘴出口截面面積A0與混合管(喉管)截面積A之比,即

1.2.3速度比

速度比λ1是引射器次入口噴嘴截面處引射流流速us與射流流速u0之比,即

1.2.4壓力系數(shù)

引射器內液體的流動屬于有限空間射流,其存在軸向壓力梯度,并有可能產生回流。其內壓力的增加可以用壓力系數(shù)φ表示,壓力系數(shù)φ的定義是

2 模型建立和邊界條件設置

2.1 CFD模型建立

2.1.1Part的建立

在ICEM CFD建模過程中,幾何模型點線面構建完成后的第一步便是Part的建立,其建模示意圖一如圖2所示。Part是把幾何模型上具有特殊意義的部分,加以區(qū)分和歸類,把相同類型的點線面設為一個Part。在此實驗案例中,所需創(chuàng)建劃分的Part有IN(主入口)、IN-SEC(次入口)、OUT(出口)、WALL(墻)和SUR(面)。

圖2 CFD建模示意圖一

IN、IN-SEC和OUT分別代表引射器主入口、次入口和出口。分別由此模型前端、上端和后端一段線段組成。其設置的主要目的是在后期將模型導入Fluent軟件后,可以對引射器進行邊界條件設定。

WALL代表引射器除了IN、IN-SEC和OUT以外所有的線段。 后期導入Fluent后,設定為一般邊界,不做特殊條件設置。

SUR代表引射器內所有的面。后續(xù)步驟劃分模型網格和導入Fluent后設置引射器內部環(huán)境都需用到SUR。

圖3 CFD建模示意圖二

2.1.2創(chuàng)建塊

通過ICEM CFD前處理軟件建模的第三個步驟是創(chuàng)建塊,其創(chuàng)建示意圖二如圖3所示。劃分塊的主要目的是在創(chuàng)建網格前,將引射器模型劃分為結構合理的多個塊,使得相鄰塊之間的結構關系符合引射器內流體的運動規(guī)律;使得網格的劃分建立顯得規(guī)整合理,符合邏輯性。

本模型在建立過程中創(chuàng)建塊的步驟為:

1) 定義全局塊初始化形式為2D Planar。

2)按照引射器結構,對整個塊進行逐個劃分,并將不處于引射器結構內部的塊刪去,最后留下7個對應塊。

3)將留下的塊與引射器結構進行映射。即把幾何模型與塊上相對應的點和線一一映射,從而最終得到圖3所示結果。

2.1.3創(chuàng)建網格

網絡創(chuàng)建劃分示意圖如圖4所示。

圖4 CFD網格劃分

其創(chuàng)建過程如下:

1)劃分線段,使得每個小單元的長度近似等于1,并且勾選平行線劃分情況相同的按鈕。

2)按照已劃分好的線段,生成網格。

3)檢查網格質量,若有過低質量的網格,檢查網格劃分是否合理或者塊的劃分是否正確。

2.2 Fluent邊界條件設定

以圖5所示,設置邊界條件。

圖5 Fluent求解器設置

其具體內容如下:

1)計算器設置:壓力基礎,絕對速度,穩(wěn)態(tài),2D平面。

2)模型設置:多相流(混合),開啟能量公式,湍流模型標注k-ε。

3)材料:添加流體材料水(蒸汽)和水(流體)。

4)流相:主流流體設置為水(流體),次流流體設置為水(蒸汽)。

5)邊界條件。

IN —— 壓力入口,湍流計算(k-ε方程),流相二體積分數(shù)設置為0。

IN-SEC ——壓力入口,湍流計算(水力直徑和湍流強度),流相一體積分數(shù)置為0,流相二體積分數(shù)設置為1。

OUT —— 壓力出口,湍流計算(水力直徑和湍流強度)。

6)松弛因子:適當控制松弛因子,使模型可以計算。盡量控制在0.5以下。

3 CFD模擬結果討論

本模擬試驗主要討論引射器主流流體在不同狀態(tài)下,對于引射器內部性能產生的影響。改變主流流體的溫度、流量以及主入口的壓強,將每個模型放入Fluent中進行運算,得到模擬結果。用Tecplot軟件將模擬結果進行處理,并將處理出的數(shù)字結果輸入Origin8.0軟件,得到可視化圖表。分析Origin圖表,得到所需實驗結論。

將Fluent計算完成后的所有數(shù)據(jù)導入Tecplot。在Tecplot中選取引射器內部中點處一條流線,按照一定距離,選取該流線上的點,讀取該點上的靜壓。導入Tecplot后,其圖形界面如圖6所示。

圖6 流線示意圖

將同一溫度,不同流速下的各組數(shù)據(jù),編排在同一圖表中。用Origin進行繪圖,得到圖7—圖9。

圖7 30℃入口溫度時引射器內靜壓變化曲線

圖8 40℃入口溫度時引射器內靜壓變化曲線

圖9 50℃入口溫度時引射器內靜壓變化曲線

在溫度相同,流量改變的情況下,引射器橫軸0.4 cm至0.8 cm吸入室處壓力突降情況幾乎相同,而后在1.6 cm至2.8 cm喉管處,壓力緩升趨勢有明顯不同,都是30 t/s的樣本上升速度最快,隨著流量變小,上升速度逐漸變慢。

最終可得結論,無論是主流流體溫度改變,還是主流流體的流量改變,在進口段壓降速率幾乎相同且都對引射器在吸入室的壓力情況影響不大,而會影響引射器喉管的壓力情況,對于引射器實際工作性能產生一定影響。

將同一流速、不同溫度下的各組數(shù)據(jù),編排在同一圖表中。用Origin8.0軟件進行繪圖,得到圖10—圖12。

圖10 10t/s入口流量時引射器內靜壓變化曲線

圖11 20t/s入口流量時引射器內靜壓變化曲線

圖12 30t/s入口流量時引射器內靜壓變化曲線

由圖10—圖12可以看出,即使主流流體溫度發(fā)生改變,在流量不變的情況下,各點壓力分布情況近似相同,都在引射器橫軸方向0.4 cm至0.8 cm吸入室處壓力發(fā)生突降,隨后緩慢上升至出口壓力。

4 小結

通過設計引射器結構尺寸,建立引射器的CFD計算模型,并對其在不同入口溫度、不同入口流量下等不同工況進行數(shù)值模擬,并選取有價值的數(shù)據(jù)進行分析,我們可以得到以下結論:

1)無論是主流流體溫度改變,還是主流流體的流量改變,在進口段壓降速率幾乎相同,都對引射器在吸入室的壓力情況影響不大,但是會影響引射器喉管的壓力情況,對于引射器實際工作性能產生一定影響。

2)即使主流流體溫度發(fā)生改變,在流量不變的情況下,各點壓力分布情況近似相同,都在引射器橫軸方向0.4 cm至0.8 cm吸入室處壓力發(fā)生突降,隨后緩慢上升至出口壓力。

所以當流量一定時,溫度將對引射器內壓力恢復的速率造成一定的影響。對于本探究中所設計的引射器而言,在30℃至50℃的范圍內,溫度越低,壓力恢復速率越快,引射效果越好。

上述對引射器工作條件的分析,可在實際工程運用中給予一定的參考和指導。