下喷式液气喷射器内流体力学的数值模拟.pdf

CHEMICAL ENGINEERING DESIGN
化工设计2011,21(2
下喷式液气喷射器内流体力学的数值模拟
党慧丽*杨雷峰陈韶华四川大学化学工程学院成都610064
摘要本文用STAR-CCM+软件研究下喷式液气喷射器内的流体力学。结果表明,混合管直径一定,随
面积比的增加,混合管入口的压力先增高后减低,空气抽吸量存在一个最大值,此时对应面积比约为4。在模拟
的喉径比范围内,混合管人口处的压力较低,但存在一个最大的压力降,对应喉管长度为0,空气抽吸量随喉径
比而变,也存在一个最大值。喷射器结构参数一定,空气抽吸量和混合管压力降随喷嘴速度的增高而増加。
关键词液气喷射器数值计算STAR-CCM+
作为一种气液传质设备,喷射器与传统的设器的结构参数和操作参数。
备相比具有传质效率高、结构简单和经济实用的
优点。液气喷射器无运动部件,结枃简单、工1喷射器结构和数学模型
可靠、安装方便,广泛应用于结晶り、海水淡
喷射器的结构示意见图1
化和污染治理等领域。
吸入室
喷射器一般由喷嘴、吸入室、混合管、扩压
喉管
混合管
扩压管
管组成。流体从喷嘴高速喷射,由于在喉管部分
直径突然缩小,使得流体速度变高,压力变低,
DN.喷嘴直径
M.喉管直径Dint.引射流体进口
从而使引射流体(特别是气体)被抽入吸人室
Dou,喷射器出口LM,混合管长度L.扩压管长度
两种流体在混合管混合后经扩压管压力得到回升
图1喷射器结构示意图
很多学者通过实验研究了喷射器的性能
喷射器基本几何尺寸为喷嘴直径D、=9mm,
me研究了喷射器混合管长度对质量传递的影空气进口直径Dm=76mm,混合管直径Dw=
响;Kim]研究了水平放置的喷射器中工作流体的18mm,喷射器出口直径Ds=30mm,混合管长度
体积流率、喷射高度、喷嘴直径对含气量的影响
=70mm,扩压管长度L=200mm。为简化起
Wite?首次提出了混合波的概念。
见,本文采用2D模拟。取流体流动方向为x方
随着计算流体力学( Computational Fluid Dy
向,引射流体入口段流速与喷嘴工作流体流速相比
namics CFD)的发展,部分学者开始用CFD对射较小,故将引射流体的侧向人口简化为轴向环形入
流器内部流场进行数值模扠和计算7-リ,研究液口(采用等面积原则),从而将喷射器的三维结构
气喷射泵的内部流动情况,并取得了很好的效果:转化为二维轴对称模型?,采用结构网格进行划
Kandakure'2!首次对气液喷射器的动力特征进行了
模拟,并与 Bhutda and Pangarkar1]的实验进行对分,网格数大约为47650,网格划分图形见图2。
比,模拟结果比较合理; Tony Utomo and Zhenhun
Jin?研究了气液喷射器几何参数对进出口压力和
力
质量传递的影响;姚云]等人对上喷式喷射器的
水速度进
动力特点进行了模拟,并分析了与 Kandakure实验
图2网格图形
结果不同的原因。
本文采用STAR-CM+软件包自带的 Mixture
本文的主要工作是用STAR-CCM+模拟一定结多相流模型,模拟中气体设为理想气体,液体为
构尺寸的下喷式喷射器内部的流场,并优化喷射常密度的水,湍流模型选择标准的κ~模型,壁
党慧丽:四川大学化学工程专业在读硕士研究生。研究方向为传质与分离。联系电话:(028)85406869,E-mail: dang. hi
*杨雪峰:通讯作者,副教授。联系电话:(028)85990908,E-mail:angoras@seu,edu.cn
201,21(2
党慧丽等下喷式液气喷射器内流体力学的数值模拟
面采用标准壁面法,相间滑移速度选择1996年采用二阶迎风格式离散,体积分数采用 Quick格式
Manninen等建立的代数模型。
离散,压力ー速度耦合项采用 SIMPLE方案。以下
边界条件:喷嘴进口设为速度进口,空气环结果均考虑了网格无关性,模拟以各方程的残差
隙进口为压力进口,设为OPa(G)的常压,出口达到103,空气抽吸量一百步内变化小于0.001
与大气相通,设为0Pa(G)的常压。为了确保收为终点。
敛精度,动量方程、湍动能、湍动能耗散率方程
模拟的结构参数和操作参数见表1。
表1模拟的结构参数和操作参数
模拟序号
固定参数
可变参数名称
可变参数
=15m/
DAT. mm
12
simulalion 1
y, mm
Vw=I5m/s
w, mm
simulalion 2
D, =9mm
y mm
simulation 3
80858
58m838
.M =70mm
M, mm
18
18
与进口速度的差值见图4。
2模拟结果与分析
从图4中可以看出,混合管段水的速度的变化
2.1面积比的影响
很小,而空气的速度变化很大,故混合管的压力
不同喷嘴直径下,喷射器中心线(即轴向)降主要是由空气速度变化引起的,静压也可以认
的压力分布见图3。中心线从喷嘴顶端开始,横坐为是空气的压力。喷嘴直径为15mm、12mm、
标代表中心线离喷嘴的距离,纵坐标代表中心线6m、9mm四种情况速度差值依次减小,动量传
压カ,喷嘴直径分别取6m、9mm、12mm和递量依次减小,空气静压カ変化依次増大。这也
15mm,喷嘴速度为15m/s。
解释了图3中喷嘴直径为9m压力降绝对值小于
喷嘴直径为6mm时的压力降绝对值。
空气抽吸量与面积比的变化见图5。
4500
从图5可以看出,随着面积比(混合管横截
面积/喷嘴横截面积)的增大,空气抽吸量并不是
9000
直增大,而存在一个最大值,此时对应于喷嘴
l2000
直径为9m,Dr/Ds=2。这与文献中得出的Dr/
(DT/DN-=2,25
654
DTルUN)2-
D?在1.67~2.0之间一致。
9500
2.2混合管长度的影响
Axial Distance (m)
图3面积比对轴向压力分布的影响
不同混合管长度下喷射器的轴向压力分布见
从图3中可以看出,在喷嘴出口处压力稍微减图6。中心线从喷嘴出口开始,横坐标为距喷嘴的
低,之后保持常数,直到进人混合管静压力突然距离(m),纵坐标为压力(Pa)。在喷嘴速度为
降低,从扩压管段,静压力逐渐上升。从图中还15m/s,喷嘴直径为9mm,混合管直径为18mm条
可以看出在混合管长度和直径保持不变的情况下,
件下,分别计算混合管长度为0mm、30m、
随着喷嘴直径变大,混合管的压降也増大,这是50m、70mm和100m五种情况压力分布情况。
因为对于直径较大的喷嘴喷出的液体面积较大,
从图6可以看出,喷嘴出口产生突然压降,然
在混合管部位,空气的流通面积就会减小,从而后静压保持常数,混合管人口处的压降随着混合
导致空气的抽吸量下降,在相同喷速下,直径大管长度先増加后波小。图中的五种混合管情况,
的喷嘴喷出的液体质量大,动能大,而在混合管喉管长