基于文丘里喷嘴对滤芯反吹效果影响的数值模拟研究.pdf

李彩霞等基于文丘里喷嘴对滤芯反吹效果影响的数值模拟研究72023，33（4）基于文丘里喷嘴对滤芯反吹效果影响的数值模拟研究李彩霞*尤超张立峰西部宝德科技股份有限公司西安710201摘要本文采用数值仿真的方法，模拟了气体经过文丘里喷嘴提速后对 4 m 长滤芯的反吹效果。分别研究了入口气速以及文丘里喷嘴的结构对滤芯反吹效果的影响。模拟结果为：反吹气体经过文丘里的提速，在喉管处的速度达到峰值，是入口速度的 3.75 倍。另外，在一定的范围内，喉管直径越小，反吹气在文丘里喉管处的峰值越大；喉管长度越短，反吹气体的喷吹范围越远；入口锥角越小，反吹气体的喷吹范围越远；出口卷边的半径越小，喷吹气体在一定的范围内速度衰减越慢；而入口处是否有直边、喉管段的长度对滤芯的喷吹性能影响不大。关键词文丘里滤芯反吹性能数值模拟DOI:10.3969/j.issn.1007-6247.2023.04.002*李彩霞：工程师。2014 年 6 月毕业于西安交通大学化工过程机械专业获硕士学位，高温气固分离方向。联系电话：18049681240，E-mail：。基金项目：科学技术部科技型中小企业技术创新基金项目（1120132）。目前，电厂、化工、冶金等几种特定的行业里都会应用到过滤器，包括增压流化床燃烧联合循环发电技术 PFBC 和新一代煤气化联合循环发电技术IGCC 等在内的先进洁净煤技术，都需要过滤技术作支撑，防止含尘气体进入燃气轮机，引起燃气轮机叶片的磨损，影响燃气轮机叶片的寿命及工作效率。当过滤设备运行一段时间后，滤芯外侧会累积大量的灰尘，影响过滤器的性能，这就需要使用反吹系统定时或不定时地去清理。文丘里喷嘴作为反吹系统的主要零部件，其性能优劣对于反吹系统是否能正常发挥作用是至关重要的，因此，明确文丘里喷嘴的结构参数对喷吹性能的影响是亟待解决的问题。随着计算机水平和计算流体力学分支的发展，数值模拟技术由于费用低、使用简单方便、能提供结构内部的具体流动状况等优点，已经被广泛应用到各领域中1-2。通过流体力学计算，可以模拟反吹气体经过文丘里喷嘴的流动过程，能够有效地探究文丘里喷嘴各部分结构参数对反吹性能的影响，从而大大减少研发费用，且可以得出具有指导性意义的结论。目前，文丘里喷嘴的设计和研发都是基于实验和经验，由于受商业机密的限制，很多石油化工工业上使用的文丘里喷嘴结构还未公诸于众。而喷嘴内部流动情况非常复杂，实验的方法又无法取得突破性的进展，而数值模拟技术刚好可以避免工业操作条件的束缚，成为研究文丘里喷嘴性能的重要工具。北京理工大学的张艳芳、李玉平3通过应用文献中的压降计算公式，研究了文丘里除尘器管内压降随喉管长度变化的关系，应用 William Licht 推荐的捕集效率模型来计算除尘效率，并进一步研究了除尘效率随喉管长度变化而变化的趋势。西北农林科技大学的孙艳琦、牛文全4通过 CFD 的方法，研究了文丘里施肥器的结构参数对局部水头损失系数以及吸肥比的影响。然而，之前关于文丘里喷嘴的研究并没有涵盖文丘里喷嘴各部分的结构参数对其除尘性能的影响，也缺乏对其除尘方面的性能进行系统的研究。本文以氮气为工质，采用了数值仿真的方法，研究文丘里管在反吹除尘方面的性能，得到其结构参数对反吹性能的影响规律。1理论基础1.1基本控制方程解决流动问题，FLUENT 是通过求解质量和动量守恒方程来实现的。如果是湍流问题，还有相应的输运方程需要求解，下面给出基本控制方程5。（1）连续性方程：（2）动量守恒方程：8化工设计 2023，33（4）CHEMICAL ENGINEERING DESIGN1.2湍流模型当流速增大到一定程度，会发生湍流现象。湍流是一种很不稳定的流动现象，内部各点存在速度波动，这使得流体介质之间相互交换动量、能量，同时各点的浓度也在发生变化。由于这种波动是小尺度且是高频率的，所以在实际工程计算中，如果直接模拟，采用对计算机的要求会很高，通常可采用统计平均的手段来简化问题，从而降低对计算机的要求。但是，简化后的方程可能包含未知的变量，湍流模型需要用已知变量来确定这些未知变量。湍流模型基本上可以分为以下三类：湍流输运系数模型；建立湍流应力和其它二阶关联量的输运方程，抛弃了湍流输运系数的概念；大涡模拟。本文采用的是标准 k 方程，是最简单完整的湍流模型，是两方程的模型，适用范围非常广。标准 k 模型的湍动能 k 和耗散率 方程为如下形式：式中，Gk为平均速度梯度引起的湍动能，Gb为指浮力引起的湍动能，YM为可压湍流脉动膨胀造成 的 总 的 耗 散 率，C1=1.4，C2=1.92，C3=0.09，k=1.0，=1.3。2文丘里喷嘴的数值模拟2.1计算模型反吹结构包括文丘里喷嘴和滤芯两个主要部件，具体的连接结构见图 1。图 2文丘里喷嘴的结构通过改变上述各参数，来研究各结构参数对出口气速的影响，进而得出对反吹效果的影响。各个参数的取值范围见表 1。表 1各参数取值表H（mm）（）d（mm）L（mm）R（mm）0131850219222860529387082.2求解策略采用标准的 k 模型来模拟喷嘴及滤芯内的流动情况。关于网格的划分问题：采用的是非结构化网格来离散几何模型的计算区域，再考虑边界层给流动和换热带来的影响。设置边界条件时，将入口设置为速度入口，出口设置为压力出口。反吹介质采用 0.45 MPa、50 的氮气，定义当残差绝对值小于 10-3，计算结果收敛。3结果与分析3.1网格无关性为了研究网格数量与文丘里喷嘴喷吹性能之间的关系，分别使用 200万800万等七套网格来进行模拟分析，以入口流速 u=20 m/s 为基准进行计算。网格数量对文丘里喷嘴的喷吹性能的影响见图 3。从图中可以看出，随着网格数量的增加，出口气速趋于平稳，呈一条近似水平的直线，计算所得出口气速最大相差 2.4%，即文丘里喷嘴的喷吹性能与网格的划分无关；当网格数量达到 400 万时，此时计算结果已经趋于稳定，计算量也不算太大，因此，最终选用该套网格。图 1文丘里喷嘴和滤芯的连接结构本文的主要研究对象是文丘里喷嘴，分别探究文丘里喷嘴的入口处是否有直边段 H、入口锥角的角度、喉管段的直径 d 和长度 L 以及出口扩口的半径 R 对滤芯反吹效果的影响。文丘里喷嘴的结构图见图 2。李彩霞等基于文丘里喷嘴对滤芯反吹效果影响的数值模拟研究92023，33（4）3.2各因素对文丘里喷嘴喷吹性能的影响3.2.1入口速度对文丘里喷嘴喷吹性能的影响分别计算入口速度为 20 m/s 及 40 m/s 两种情况下文丘里喷嘴内反吹气体的流动情况。入口速度对喷吹性能的影响见图 4。文丘里横截面处的速度云图见图 5。在到达距离入口 0.8 m 的位置，气速减小到 20 m/s，在距离入口 4 m 的出口处，气速减小到 15 m/s；在入口速度为 40 m/s 时，气体在喉管处的最大气速可达到 150 m/s，在到达距离入口 0.8 m 的位置，气速减小到 40 m/s，在距离入口 4 m 的出口处，气速减小到 35 m/s。且反吹气在出口面的中心区域速度最大，沿着径向速度逐渐减小。3.2.2文丘里管各结构参数对喷吹性能的影响（1）通过建立入口处有直边段（H=19 mm）和没有直边段（H=0 mm）两种文丘里喷嘴模型来探究入口处有无直边段对喷吹性能的影响，计算结果表明：入口处有无直边段对文丘里喷嘴的喷吹效果影响不大。直边段对喷吹性能的影响图见图 6。图 3出口气速与网格数量的关系图图 4入口速度对喷吹性能的影响图 5文丘里横截面处的速度云图通过对比计算数据发现，经过文丘里喷嘴的提速，反吹气在文丘里喷嘴的喉管段速度达到最大值，然后气速开始逐渐减小。在入口速度为 20 m/s 时，气体在喉管处的最大气速可达到 75 m/s，图 6直边段对喷吹性能的影响（2）通过建立三种不同入口角度的文丘里喷嘴模型，来探究入口段的角度对喷吹性能的影响，计算结果表明：入口段的张角越小，喷吹范围略远，但是影响程度不大。入口锥角对喷吹性能的影响图见图 7。图 7入口锥角对喷吹性能的影响10化工设计 2023，33（4）CHEMICAL ENGINEERING DESIGN（3）通过分别建立三种不同喉管直径的文丘里喷嘴模型，来探究喉管段的直径对喷吹性能的影响，计算结果表明：喉管段的直径越小，喷吹性能越好，具体体现在喉管段的直径越小，反吹气体在喉管段的速度峰值越大。喉管直径对喷吹性能的影响图见图 8。4结语通过对不同入口速度及不同结构参数下的文丘里喷嘴进行数值模拟研究，得出如下结论：（1）反吹气体经过文丘里的提速在喉管处速度达到峰值，是入口速度的 3.75 倍。（2）在一定的范围内，喉管直径越小，反吹气在文丘里喉管处的峰值越大。（3）喉管长度越短，反吹气体的喷吹范围越远。（4）渐缩段锥角越小，反吹气体的喷吹范围越远。（5）出口卷边的半径越小，喷吹气体在一定的范围内速度衰减越慢。（6）入口处是否有直边、喉管段的长度对喷嘴的喷吹性能影响不大。参考文献1 程锦承文丘里气液分布管的实验研究与 CFD 模拟D 上海：华东理工大学，20072 程锦承，程振民，方向晨，等文丘里气液分布管的实验研究与数值模拟J 华东理工大学学报(自然科学版)，2007，33(4)：456-4803 张艳芳，李玉平文丘里除尘器喉管结构的优化设计D 北京：北京理工大学，20004 孙艳琦，牛文全文丘里管结构参数对其水利性能的影响J 西北农林科技大学学报(自然科学版)，2010，02(1)：211-2185 张鸣远，景思睿，李国君高等工程流体力学M 西安：西安交通大学出版社，2006（收稿日期2022-11-15）图 8喉管直径对喷吹性能的影响（4）通过分别建立三种不同喉管长度的文丘里喷嘴模型，来探究喉管段的长度对喷吹性能的影响，计算结果表明：喉管长度越短，喷吹范围略远，但是影响程度也不是不大。这是由于喉管长度越短，反吹气体在喉管处受到的阻力越小，相应的反吹气体最终的喷吹范围就越远。喉管长度对喷吹性能的影响图见图 9。图 9喉管长度对喷吹性能的影响（5）通过建立三种不同出口扩口半径的文丘里喷嘴模型，来探究文丘里喷嘴的出口扩口半径对喷吹性能的影响，计算结果表明：出口扩口半径越小，喷吹气体速度衰减的越慢。出口扩口半径对喷吹性能的影响图见图 10。图 10出口扩口半径对喷吹性能的影响Analysis of LNG Cold Energy Power Generation ModeRen Jin（Wison Engineering（China）Co.Ltd.Beijing Branch,Beijing 100020）In this paper,a project example is used to apply the Rankine cycle to the combined power generation process flow.Through simulation calculation,the results show that the mixed working medium is the most suitable working medium for the low-temperature Rankine cycle.The evaporation temperature and condensation temperature of the working medium have obvious effects on the net output of the system.Using the waste heat of peripheral devices as the evaporation heat source of the working medium can effectively improve the recovery rate of the system cold energy.Key wordsliquefied natural gas（LNG）low-temperature Rankine cyclemixed working mediumcold energy recycling Numerical Simulation Study on Influence of Venturi Nozzle on Back Blowing Effect of Filter ElementLi Caixia,et al（Western BaoDe Technologies Co.,Ltd.,Xian 710201）In this paper,numerical simulation is used to simulate the back blowing effect of gas passing through a Venturi nozzle after increasing speed on a 4m long filter element.The effects of inlet gas velocity and the structure of the Venturi nozzle on the back blowing effect of the filter element are studied.The simulation result is that the velocity of the back blowing gas reaches its peak at the throat after passing through the Venturi,which is 3.75 times the inlet velocity.In addition,within a certain range,the smaller the diameter of the throat,the greater the peak value of back blowing at the Venturi throat.The shorter the length of the throat,the farther the blowing range of the back blowing gas.The smaller the inlet cone angle,the farther the blowing range of the back blowing gas.The smaller the radius of the outlet crimping,the slower the velocity attenuation of the blowing gas within a certain range.The presence of a straight edge at the inlet and the length of the throat section have little effect on the blowing performance of the filter element.Key wordsVenturifilter elementback blowing performancenumerical simulation Design of Economic Pipe Diameter for Vacuum Residue Hot Material Transportation between PlantsHan Xiaohui,et al（CNPC East China Design Institute Co.Ltd.Jilin Branch,Jilin 132000）In order to solve the problems of high pressure drop of piping,high power consumption and large pipeline heat dissipation loss in long-distance transportation of vacuum residue hot feed to solvent deasphalting unit between plants,it is necessary to determine the optimal scheme with low energy consumption,investment and operating costs.This paper compares the construction investment and operating costs of different specifications of pipelines to obtain the annual total cost.Through comprehensive analysis,a piping transportation process flow scheme is proposed to achieve the dual goals of saving investment and energy consumption.This method can be applied to the optimization piping design of hot material conveying between plants and various units,and it can be used for reference to determine the process flow of piping system in similar projects.Key wordsinterplant pipelinevacuum residuesolvent deasphalting unithot feedcost annual value analysis Embarrassment and Solution of Industrial Waste SaltMa Xiumei,et al（Chongqing Chemical Engineering Design and Research Institute Co.,Ltd.,Chongqing 400039）This paper starts from the current situation of industrial waste salt,analyzes the various embarrassments faced by industrial waste salt,and based on this,elaborates on the effective ways out of industrial waste salt through case studies,including“point-to-point”comprehensive utilization,reduction and harmless disposal.Key wordscurrent situation of industrial waste saltembarrassment of industrial waste saltreflections on the way out and direction of industrial waste saltResearch on Technology of High Concentration Coal Water Slurry Preparation by Classified GrindingLi Xingyi（Xinjiang MarkorChem Chemical Co.,Ltd.,Korla 841000）Coal water slurry gasification technology has been widely applied in fields such as chemical industry,power generation and urban gas preparation.However,in the gasification coal water slurry preparation industry in China,most enterprises currently use the single stage grinding slurry（single grinding slurry）process.The coal water slurry prepared by this process has problems such as coarse particle size,unreasonable grading and low concentration,which directly affect the improvement of coal water slurry gasification efficiency.Classified grinding slurry preparation is a new technology developed relative to traditional single grinding slurry preparation.Compared with traditional single grinding slurry preparation,its slurry concentration can be increased by about three percentage points,which can improve the production capacity of the plant,reduce gasification oxygen consumption and coal consumption in production.Key wordsclassified grindinghigh concentrationcoalpulpingPiping Arrangement of Molecular Sieve DryerYu Luona（Hualu Engineering&Technology Co.,Ltd.,Xian 710065）Through the analysis and comparison of different schemes for the inlet and outlet piping layout of the molecular sieve filler dryer in a certain project,optimization schemes are explored from the perspectives of operability,liquid bag requirements and economy.Key wordsmolecular sievedryerpiping arrangementcompressionproduct gas Valve Commodity Code Software Development and Application in PDMS ProjectZou Peixuan（CNOOC Petrochemical Engineering Co.,Ltd.,Qingdao 266101）This paper mainly introduces the idea and program application effect of using PDMS built-in PML programming language to develop valves Commodity Code.Key wordsvalvePDMSPMLCommodity CodeStructural Design of High Temperature Direct Chlorination ReactorWang Zhituo，et al（China Chengda Engineering Co.,Ltd.,Chengdu 610041）In this paper,the structural optimization design for the large tube type demister,large conical orifice plate distributor,large disc type control valve and descending pipe support in a high temperature direct chlorination reactor in a certain project is conducted.The stress intensity and stability of the reactor are checked through finite element analysis and calculation,which ensures the safety and economy of the equipment,and provides reference for the design of similar reactors.Key wordshigh temperature direct chlorination reactortube type separation defoamerconical orifice plate distributorDiscussion on the Bottom Frame-Upper Portal Rigid Frame Structure SystemGe Xiaohui（China Chengda Engineering Co.,Ltd.,Chengdu 610041）The bottom frame-upper portal rigid frame structure system is commonly used in industrial and warehouse buildings,but currently there are no relevant regulations for similar structure systems in the specifications.This paper analyzes the overall performance of this type of structure system and the whip effect of the two-story portal rigid frame,and explores the design focus and precautions for similar structures.Key wordsbottom frameportal rigid framewhiplash effect ，（，），（）（）（），（）（）（），（，），（，），（，），（），：，（，），（，），（，），（，），（，），（）2023，33（4）