文丘里管对洗涤塔流场影响的数值模拟_魏凯.pdf

SHIP ENGINEERING 船 舶 工 程 Vol.45 No.2 2023 总第 45 卷，2023 年第 2 期 99 文丘里管对洗涤塔流场影响的数值模拟文丘里管对洗涤塔流场影响的数值模拟 魏 凯1,2，龚泽儒1，李 冬1，邹 鹏1，朱元清2（1烟台龙源电力技术股份有限公司，山东烟台 264006；2哈尔滨工程大学 烟台研究院，山东烟台 264006）摘 要：摘 要：为了研究文丘里管对洗涤塔内部流场的影响，利用 Fluent 软件分别对文丘里 U 型塔与普通U 型塔的内流场特性进行数值模拟，为洗涤塔的结构优化提供依据。结果表明：文丘里管对洗涤塔速度场、温度场以及压力场影响较大；文丘里U 型塔内反应温度较低，有利于气液之间高效反应；文丘里 U型塔流场在高负荷下分布更加均匀，“冲壁”现象减弱；文丘里 U 型塔压力损失始终高于普通 U 型塔，并且在文丘里管中，喉部与渐扩段压力损失较高，约占文丘里管压力总损失的 87%。关键词：关键词：洗涤塔；文丘里管；数值模拟；速度场；温度场；压力损失 中图分类号：中图分类号：U671.99 文献标志码：文献标志码：A 【DOI】10.13788/ki.cbgc.2023.02.13 Numerical Simulation on Influence of Venturi Tube on Flow Field of Scrubber Tower WEI Kai1,2,GONG Zeru1,LI Dong1,ZOU Peng1,ZHU Yuanqing2(1.Yantai Longyuan Power Technology Co.,Ltd.,Yantai 264006,Shandong,China;2.Yantai Research Institute,Harbin Engineering University,Yantai 264006,Shandong,China)Abstract:In order to study the influence of Venturi tube on the internal flow field of the scrubber,the Fluent software is used to carry out numerical simulation research on the characteristics of the Venturi U-type column and the ordinary U-type column in order to provide basis for the structural optimization of scrubber.The results show that the Venturi tube has a great influence on the velocity field,temperature field and pressure field of the scrubbing tower,and the reaction temperature in the Venturi U-type tower is lower,which is conducive to the efficient reaction between gas and liquid.The Venturi U-type tower of the flow field is more uniformly distributed under high load,and the phenomenon of rushing the wall is weakened.The pressure loss of the Venturi U-type tower is always higher than that of the ordinary U-type tower,and the pressure loss of throat and diffuser is higher in Venturi tube,accounting for about 87%of the total pressure loss of Venturi tube.Key words:scrubber tower;Venturi tube;numerical simulation;velocity field;temperature field;pressure loss 0 引言引言 由于船舶柴油机排放的废气对全球环境造成了严重影响，国际海事组织（International Maritime Organization,IMO）制定了严格的 NOx和 SOx排放标准1-2。为了能够同时满足NOx和 SOx的排放限值，可采用低硫油联合选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction,SCR）技术、SCR 联合废气洗涤技术、湿法氧化脱硫脱硝技术等。考虑船舶内空间有限以及经济效益，利用洗涤塔进行湿法氧化脱硫脱硝技术成为目前的研究热点之一3。目前，洗涤塔已经广泛应用于电厂与船舶的尾气处理领域中，国外已经对其进行了大量的试验与模拟仿真研究。BROWN 等4对洗涤塔内喷嘴的结构与位置进行试验与数值模拟，研究结果表明，三喷嘴洗涤器中洗涤液消耗量少、脱除效率高，但会产生洗涤液聚集现象，可能会造成设备腐蚀；WANG 等5采用ANSYS CFX 软件建立了不同喷淋层组合方式下洗涤塔气液两相流场的三维数学模型，根据流场分析，喷雾高度越高的液滴在吸收塔中移动距离越长，气液接触时间越长，越有利于气液之间传热。收稿日期：2022-04-05；修回日期：2022-08-02 基金项目：国家自然科学基金资助项目（U1906232）作者简介：魏 凯（1998），男，硕士研究生。研究方向：船舶废气污染物处理。船舶动力、推进装置和辅机设备 100 在国内，也有不少专家学者对洗涤塔内部流场特性进行研究分析。郭浩等6模拟了不同喷雾条件对洗涤塔内液滴的蒸发和流动特性的影响，研究结果表明：喷嘴锥角较大时，阻力较小，烟气易穿透喷雾区；喷淋温度高时，液滴在洗涤塔内分布会变差；贾振宇等7研究了喷淋液滴直径对塔内气液两相流的影响，结果表明：喷淋液滴直径较小难以贯穿整个洗涤塔，会导致塔内速度分布不均匀，影响脱除效率；CHEN 等8对导流洗涤塔的性能进行了试验和数值研究，观察到导流板可以具有废气整流效果，促进了洗涤塔流场均匀性，解决了由于单一入口造成的偏流问题。洗涤塔可分为 I 型洗涤塔和 U 型洗涤塔，I 型塔结构相对简单，占地面积小，但难以满足多污染物处理的需求；U 型塔是在 I 型洗涤塔之前加装文丘里洗涤器，可有效去除颗粒物并降低废气温度9。洗涤塔内部流场的特性能够直接影响洗涤塔的脱除效率，目前对于洗涤塔的研究多集中于喷淋策略和内部结构等因素对塔内部流场的影响，而文丘里管对于洗涤塔内部流场影响的研究相对较少。本文分别建立带文丘里管U 型塔和普通U 型塔的三维模型，利用Fluent 仿真软件对其进行数值模拟分析，重点研究文丘里管对于洗涤塔内部流场流动特性的影响，为洗涤塔的优化研究提供依据和思路。1 物理模型物理模型 为了提高运算速度和精度，对模型加以简化，去掉外支撑板等结构，分别建立如图 1 所示的文丘里 U型塔与普通U 型塔的三维模型。在2 种 U 型塔中，烟气依次经过第一喷淋层、第二喷淋层以及第三喷淋层。第一喷淋层采用单喷嘴布置，第二喷淋层和第三喷淋层均为 5 个喷嘴。为了显示文丘里管不同区域的温度及压力损失变化情况，在文丘里管U 型塔中沿文丘里管轴向选取10 个截面，即 y1y10，在普通U 型塔同一位置也选取 10 个截面，将简化后的两模型导入ICEM CFD 中采用非结构化网格划分。经过网格无关性验证，两模型最终网格数量约79 万。图1 洗涤塔物理模型 2 数学模型及假设数学模型及假设 2.1 数学模型及边界条件数学模型及边界条件 洗涤塔中涉及柴油机高温废气与洗涤液间的两相流动，本文将气相视为连续相，液相视为离散相，采用欧拉-拉格朗日方法计算气液两相间的质量、能量和能动量传递过程，可以较好地实现两相之间的耦合。选取在模拟流体旋转流动性更加精确的RNG k-模型来获取洗涤塔内气液两相流动规律，具体方程如下。质量守恒方程：)_)_)_0uvwtxyz+=（1）式中：为密度；t 为时间；u、v 和 w 为 x、y 和 z 方向上的速度分量。能量守恒方程：Tppp()()()()TuTvTwTtxyzkTkTkTSx cxx cyx cz+=+|（2）式中：T为系统温度；cp为比热容；k为传热系数；ST为黏性耗散。动量守恒方程：()div()yxxxzxxupuuFtxxyz+=+（3）()div()xyyyzyyupvuFtyxyz+=+（4）第三喷淋层 第二喷淋层 第一喷淋层第二喷淋层第三喷淋层第一喷淋层(a)文丘里 U 型塔(b)普通U 型塔魏凯等，文丘里管对洗涤塔流场影响的数值模拟 101 ()div()yzxzzzzupwuFtzxyz+=+（5）式（3）式（5）中：p 为流体微元上压强；xx、yx和 zx为分子黏性作用产生的黏性应力分量；Fx、Fy和 Fz为 x、y 和 z 3 个方向上的单位质量力。RNG k-湍流方程：)_bM()iiijkikkkkktxxxGGYS+=+|+-+（6）)_)_213b2()iiijjktxxCGC GCRkkx+=+|+|-（7）式（6）和式（7）中：i、j和k为常数；和i分别为层流与湍流的黏性系数；Gk为由层流速度梯度产生的湍流动能；Gb为由浮力产生的湍流动能；和k分别为k方程和方程的湍流Prandtl数；YM为湍流能；Sk为湍流耗散率；C1、C2和C3为经验系数；R为湍流能量耗散率方程的源项。在Fluent仿真计算中，系统入口采用速度入口边界条件，出口采用自由流出口边界条件，壁面采用无滑移、无热传导的边界条件，采用基于压力求解器的Simple算法，对流差分格式采用2阶迎风格式。本文考虑了两型洗涤塔在WD10柴油机不同负荷下的工作情况，具体柴油机工作参数见表1。表1 WD10 柴油机工作参数 参数 100%负荷 75%负荷 50%负荷25%负荷功率/kW 140 105 70 35 转速/(r/min)1 500 1 365 1 200945排气体积/(m3/h)643 526 448 348排气温度/376 350 294 251排气质量流量/(kg/h)268 313 292 244 2.2 合理假设合理假设 本文着重关注文丘里管对塔内流场特性变化的影响，为了提高模拟计算效率，综合考虑多种因素，做如下合理假设：1）假设烟气在洗涤塔内处于稳态流动；2）忽略喷嘴、喷淋管路等内部构件对流场的影响；3）忽略洗涤液之间发生的碰撞、破碎以及液滴蒸发现象；4）不考虑气、液之间的化学反应，洗涤液用液态水代替；5）将洗涤塔内浆液池液面视为壁面。3 结果与分析结果与分析 3.1 文丘里管对洗涤塔温度场的影响文丘里管对洗涤塔温度场的影响 图2为100%负荷下两型洗涤塔的温度云。由图2可看出，柴油机高温废气进入洗涤塔后，首先经过第一喷淋层洗涤，废气温度均有一定的下降。由图3可知：废气在文丘里管中温度下降约23，而在普通U型塔同一位置处，废气温度只下降约16，这是由于文丘里管喉部截面突然收缩，导致废气流速增快，湍动能增大，废气流与洗涤液充分混合，换热比较剧烈，温度下降较为明显；而在普通U型塔同一位置处，只有距离喷嘴较近位置，废气温度有所降低，靠近管壁处废气温度没有变化。随着废气流动，部分洗涤液会附着在壁面上，在两种洗涤塔中，废气与洗涤液换热效果都减弱，温度变化趋于平缓。图2 100%负荷下两型洗涤塔温度云图 图3 100%负荷下文丘里管废气温度随高度变化关系 当废气进入到洗涤塔主塔后，由于主塔内喷嘴较多、喷淋流量增加，气液之间换热更加剧烈，废气温度明显下降。从图4可看出，在两型洗涤塔主塔中，废气经过第二喷淋层时都基本完成了降温冷却过程，到达第三喷淋层之前废气都被冷却到合理的反应温度区间内，能使反应正常进行。结合图3和图4可知，由于文丘里U型塔喉部处洗涤液与高温废气充分换热，所以使文丘里U型塔与普通U型塔相比，主塔内反应温度更低，更有利于洗涤液与废气之间进行高效反应，增强污染物的吸收效果从而提高洗涤塔脱除效率。温度/K温度/K(a)文丘里U 型塔(b)普通U 型塔船舶动力、推进装置和辅机设备 102 图 4 100%负荷下主塔废气温度随高度变化关系 3.2 文丘里管对洗涤塔速度场的影响文丘里管对洗涤塔速度场的影响 从图5、图6和图7可看出：在同一负荷下，废气流经文丘里管渐缩段时，由于流通横截面积逐渐减小，废气流速得到了明显提升，并在喉部之前达到最大；废气流经文丘里管渐扩段时，随着流通横截面积增大及沿程阻力损失，废气流速逐渐减小。在普通管中，废物流速无明显波动，仅由于沿程阻力损失，会导致废气流速逐渐降低。由于第一喷淋层喷射的液体速度较小，与废气速度相差较大，对废气有一定的阻碍作用，所以在两管内废气流速均呈现出两侧快、中心慢的趋势。随着负荷的降低，文丘里管与普通管中废气流速也相应减小，废气流速变化趋势不发生变化。图 5 100%负荷下两型洗涤塔速度流线 图 6 50%负荷下两型洗涤塔速度流线 图7 不同负荷下文丘里管与普通管速度分布云图 观察图5的100%负荷下两型洗涤塔主塔内速度流线图发现，废气进入两型洗涤塔塔主塔后都会向对侧塔壁冲去，产生一定的“冲壁”现象，但文丘里“U”型塔主塔内废气流线分布更加均匀。结合图8可看出，在100%负荷下，文丘里U型塔主塔中第二喷淋层下部50 mm处废气分布相对均匀，而普通U型塔主塔中第二喷淋层下部50 mm处废气径向速度分布均匀性较差，右侧靠近塔壁处速度较高。当废气流经第三喷淋层下部50 mm处时，由于洗涤液的阻碍作用，废气速度分布都更加均匀，从图8(b)可看出，两型洗涤塔中废气速度分布均匀性都有所提高。图8 100%负荷下两型洗涤塔径向速度云图 随着柴油机负荷降低到50%时，从图9可看出两型洗涤塔主塔内第二、三喷淋层下部50 mm径向速度分布都更加均匀，“冲壁”现象进一步减弱。在高低(a)100%负荷(b)50%负荷(a)第二喷淋层下部50 mm(b)第三喷淋层下部 50 mm(a)文丘里 U 型塔(b)普通 U 型塔(a)文丘里 U 型塔(b)普通 U 型塔魏凯等，文丘里管对洗涤塔流场影响的数值模拟 103 负荷中，废气在洗涤主塔内的分布产生差异主要是因为，在较高负荷下，文丘里“U”型塔主塔入口处的废气流速度明显低于普通“U”型塔的主塔入口处速度（见图10），这有利于主塔内喷淋液滴贯穿废气流，达到废气整流效果。所以较高负荷时文丘里“U”型塔主塔内废气流“冲壁”现象较弱，这有利于洗涤液与废气充分均匀接触，提高污染物的去除效率。而在低负荷中，废气流速显著降低，并且两型洗涤塔主塔入口处速度也相差较小，两型洗涤塔主塔中废气分布都更加均匀。图 9 50%负荷下两型洗涤塔径向速度云图 图 10 不同柴油机负荷下两型洗涤塔主塔入口处速度 3.3 文丘里管对洗涤塔压力场的影响文丘里管对洗涤塔压力场的影响 图11给出了不同柴油机负荷下2种洗涤塔整体的压降变化。从图11可看出：在4种负荷下文丘里U型塔压力损失均高于普通U型塔；在100%负荷下文丘里U型塔压力损失比普通U型塔高约165 Pa，随着柴油机负荷降低，两型洗涤塔压力损失都逐渐下降，其中文丘里U型塔压力损失降幅明显，下降了约232 Pa，而普通U型塔压力损失下降约155 Pa。由于文丘里U型塔相较于普通U型塔多加装了文丘里管，从图12也可看出，在文丘里管喉部及渐扩段处压力变化非常明显，所以文丘里管内较大的压力损失是U型塔压力损失较高的主要原因。图11 不同柴油机负荷下两型洗涤塔整体压降变化 图12 不同负荷下文丘里“U”型洗涤塔压力分布云图 定义文丘里管每段压力损失Pn为洗涤塔入口截面y1到每一段出口截面yn的压力差，即Pn=Py1Pyn。分析图13可知：随着柴油机负荷变化，文丘里管压力损失变化趋势相同：废气进入文丘里管渐缩段时，流动横截面积逐渐减小，废气流速逐步增大，产生一定的压力损失；而废气经过喉部时，由于在喉部处废气速度达到最大，文丘里管中损耗的能量大量转化为废气加速的动能，压力损失明显升高；虽然废气流经渐扩段时速度逐渐降低，但由于渐扩段较长，管壁与废气摩擦也会产生一定的沿程压力损失，这就导致了文丘里管压力总损失较高，废气在文丘里管中压力损失约200 Pa，而喉部与渐扩段的压力损失之和约占文丘里管压力总损失的87%。因此，优化文丘里管中喉部与渐扩段结构是降低文丘里管以及系统总阻力的重要方法。（下转第 153 页）(a)第二喷淋层下部50 mm(b)第三喷淋层下部 50 mm(a)100%负荷(b)50%负荷袁祺伟等，客滚船压筋板极限承载力数值计算及敏感性分析 153 参考文献：参考文献：1 滕晓青,李润培.槽型舱壁极限强度J.船舶力学,2000(4):48-56.2 纪汇涤,崔维成,张圣坤.计及船体剪力作用和弹性固支的槽型舱壁极限强度分析J.船舶力学,2001(2):43-54.3 宣东亮.船体舱壁结构的极限强度分析D.武汉:武汉理工大学,2008.4 康美泽.槽型舱壁结构强度与设计优化研究D.哈尔滨:哈尔滨工程大学,2011.5 黄磊,杨平.槽型舱壁极限强度的数值分析J.中国舰船研究,2011,6(3):28-31.6 刘一夫,任慧龙,张鑫,等.几种截面形式铝合金加筋板极限强度数值研究J.船舶工程,2018,40(S1):243-247.7 仲继彬,王路,束海燕,等.海洋工程钢结构管压制预弯数学模型分析J.机械制造,2018,56(12):81-84.8 甘进,单欧,吴卫国,等.邮轮典型开孔高腹板板架结构极限强度分析J.中国舰船研究,2021,16(5):181-188.9 潘曼.大跨度甲板的极限强度研究及可靠性分析D.武汉:武汉理工大学,2018.10 BEDON C,AMADIO C.Buckling Analysis of Simply Supported Flat Glass Panels Subjected to Combined in-Plane Uniaxial Compressive and Edgewise Shear Loads J.Engineering Structures,2014,59:127-140.（上接第 103 页）图 13 不同柴油机负荷下文丘里管沿程压力损失 4 结论结论 1）在两型洗涤塔中，废气都被冷却到合理的反应温度区间内。但文丘里管喉部处高温废气与洗涤液的充分混合，实现更加高效的换热，会使文丘里U型塔主塔内反应温度更低，更有利于洗涤液与废气之间高效反应。2）废气在流经过文丘里管渐缩段时，速度得到了明显的提升，并在喉部之前达到最大。在渐扩段处，随着流通横截面积增大以及沿程阻力损失，废气流速逐渐减小。较高负荷下，文丘里U型塔主塔内速度分布相对均匀，“冲壁”现象相对较弱；低负荷下，两型洗涤塔主塔内速度分布都较均匀，“冲壁”现象减弱。3）在不同负荷下，由于文丘里管的压力变化，文丘里U型塔压力损失总是高于普通U型塔，随着负荷降低，两型洗涤塔压力损失也逐渐减小。在文丘里管中，喉部与渐扩段压力损失较高，约占文丘里管压力总损失的87%。4）加装文丘里管会导致整体系统压力损失升高，可采取优化文丘里管喉部长度、渐缩段角度以及渐扩段角度等措施来降低文丘里管段压力损失以及对整体系统压力损失的影响。参考文献：参考文献：1 BLASCO J,DURAN-GRADOS V,HAMPEL M,et al.Towards an Integrated Environmental Risk Assessment of Emissions From Ships Propulsion SystemsJ.Environment International,2014,66:44-47.2 王健.MARPOL 公约附则 VI 生效的履约思考J.珠江水运,2007(3):27-29.3 BRYNOLF S,MAGNUSSON M,FRIDELL E,et al.Compliance Possibilities for the Future 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