新型無塵噴補(bǔ)機(jī)噴吹吸料器內(nèi)部流場(chǎng)的仿真分析

王 杏，謝劍剛

（武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢，430081）

新型無塵噴補(bǔ)機(jī)噴吹吸料器內(nèi)部流場(chǎng)的仿真分析

王 杏，謝劍剛

（武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢，430081）

為了給新型焦?fàn)t無塵噴補(bǔ)機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)，采用流體仿真軟件Fluent對(duì)噴吹吸料器進(jìn)行三維建模和數(shù)值分析，研究在連接管未伸入和伸入吸料器噴管內(nèi)部?jī)煞N情況下噴吹吸料器內(nèi)空氣射流流場(chǎng)的分布規(guī)律。結(jié)果表明，連接管未伸入噴管內(nèi)部時(shí)，能克服噴補(bǔ)粉料下降阻力的最低噴吹壓力為0.191 0 MPa，此時(shí)壁面最低壓力值為0.089 3 MPa；連接管伸入噴管內(nèi)部時(shí)，吸料器內(nèi)部流場(chǎng)受到明顯干擾，伸入長(zhǎng)度為8 mm時(shí)噴補(bǔ)料的吸入效果相對(duì)最佳。

無塵噴補(bǔ)；噴吹吸料器；數(shù)值模擬；射流

1 問題的提出

在冶金行業(yè)中應(yīng)用最廣泛的焦?fàn)t修補(bǔ)方法為半干修補(bǔ)法［1］，然而現(xiàn)役半干法噴補(bǔ)機(jī)的高壓空氣入口在噴補(bǔ)機(jī)上部，靠高壓空氣將噴補(bǔ)粉料吹入料管，這樣會(huì)因密封器件磨損而造成粉料泄露，嚴(yán)重影響工作環(huán)境和操作人員的身體健康［2］。因此，筆者所在研究小組對(duì)傳統(tǒng)噴補(bǔ)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一新型無塵噴補(bǔ)機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 新型無塵噴補(bǔ)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the new dustless gunning machine

新型無塵噴補(bǔ)機(jī)的下部安裝了一個(gè)噴吹吸料器（結(jié)構(gòu)見圖2），高壓空氣入口也移到了噴補(bǔ)機(jī)的下部，將原來的粉料吹入料管改為吸入料管以實(shí)現(xiàn)無塵噴補(bǔ)。噴吹吸料器的工作原理是：高壓空氣從噴嘴引入，進(jìn)入噴管后擴(kuò)散射出，必然會(huì)引起噴管里的空氣擾動(dòng)和吸附，即在噴管內(nèi)一定位置產(chǎn)生壓力較低點(diǎn)，形成相對(duì)負(fù)壓值，在這個(gè)相對(duì)負(fù)壓作用下，連接管里的噴補(bǔ)粉料有可能克服管道的摩擦阻力而被吸入噴管進(jìn)而被噴射出去，而且由于負(fù)壓作用在管道里不會(huì)產(chǎn)生粉料溢揚(yáng)，即可能從根本上解決管道周圍粉料的飛揚(yáng)問題。

圖2 噴吹吸料器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the suction feeder gunning

然而，噴管內(nèi)的相對(duì)負(fù)壓值是否足以推動(dòng)粉料克服管道摩擦而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)尚沒有明確的答案。另外，由于噴管的管壁較薄，為牢固地安裝連接管，其端部可能需要伸入噴管內(nèi)部，從而對(duì)噴管射流環(huán)境造成干擾，這種干擾是否會(huì)對(duì)粉料的下降動(dòng)力產(chǎn)生明顯的負(fù)面影響以及如何影響射流環(huán)境也有待于深入研究。解決這兩個(gè)問題是新型無塵噴補(bǔ)機(jī)研制成功的關(guān)鍵所在。因此，本文采用流體仿真軟件Fluent對(duì)噴吹吸料器進(jìn)行三維建模和數(shù)值分析，研究在連接管未伸入和伸入噴管內(nèi)部?jī)煞N情況下噴吹吸料器內(nèi)空氣射流流場(chǎng)的分布規(guī)律，為新型無塵噴補(bǔ)機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提高依據(jù)。

2 連接管未伸入噴管時(shí)的吸料器內(nèi)部流場(chǎng)仿真

如連接管安裝在噴管壁面上，并未伸入其內(nèi)部，不失噴吹吸料器的一般特性，此時(shí)可認(rèn)為噴管內(nèi)部是一理想的圓柱體區(qū)域，為完全軸對(duì)稱形狀，將吸料器在這種結(jié)構(gòu)下的工作狀態(tài)視為理想狀態(tài)。對(duì)噴吹吸料器內(nèi)部流場(chǎng)仿真的主要目的是確定噴射系統(tǒng)的最低工作壓力，即能使粉料在連接管道中產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的最低噴吹壓力，以及判斷此時(shí)噴管壁面的壓力值能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

噴吹吸料器基本參數(shù)設(shè)為：噴嘴入口直徑20 mm、出口直徑10 mm，噴嘴圓柱段長(zhǎng)20 mm、收縮段長(zhǎng)10 mm，噴管直徑40 mm、長(zhǎng)度170 mm，噴吹高壓空氣壓力暫定為0.5 MPa。

采用Fluent軟件建立噴吹吸料器的3D模型。劃分網(wǎng)格時(shí)將噴嘴收縮段到噴管中部之間的網(wǎng)格有意加密［3］，因?yàn)樯淞餍?yīng)主要集中在這段空間。通過對(duì)比與調(diào)試，確定吸料器的網(wǎng)格劃分為16萬多個(gè)四面體單元比較合適。仿真介質(zhì)為具有黏性的可壓縮空氣流。常溫下0.5 MPa的高壓空氣密度為6.97 kg／m3，黏度為1.83×10－5Pa·s，流速為0.83 m／s，可計(jì)算出其入口雷諾數(shù)為6.32×106，所以本次模擬射流為湍流。為方便邊界條件設(shè)置，將操作環(huán)境參考?jí)簭?qiáng)設(shè)為默認(rèn)值。通過迭代計(jì)算得到理想狀態(tài)下噴吹吸料器的軸截面壓力分布如圖3所示。

圖3 理想狀態(tài)下吸料器內(nèi)部軸截面壓力圖Fig.3 Pressure of the suction feeder gunning’s axial cross section under ideal condition

壓縮空氣介質(zhì)由噴嘴噴出后，由于氣體質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散和氣體分子的黏性作用，氣體質(zhì)點(diǎn)通過碰撞將動(dòng)量傳遞給周圍靜止的介質(zhì)并帶動(dòng)周圍介質(zhì)一起運(yùn)動(dòng)。由于整個(gè)射流過程中速度是不穩(wěn)定的，射流介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，并發(fā)展成渦流［4］，將原來周圍處于靜止?fàn)顟B(tài)的介質(zhì)卷吸到射流中。當(dāng)射流不斷卷吸周圍介質(zhì)時(shí)，較遠(yuǎn)處的介質(zhì)必然會(huì)補(bǔ)充，由于壁面的存在與影響，介質(zhì)就會(huì)形成回流，這樣噴管的內(nèi)部就會(huì)形成一部分壓力相對(duì)很低的區(qū)域。從圖3中可以看出，噴管內(nèi)部射流壓力場(chǎng)是軸對(duì)稱的，且存在相對(duì)低壓區(qū)，其中在Z為69.8 mm處壓力最低，為0.061 2 MPa。參考管道周邊0.101 3 MPa的環(huán)境壓力，該處的相對(duì)負(fù)壓值為0.040 1 MPa，同時(shí)，此處噴管壁面的最低壓力為0.063 9 MPa，相對(duì)負(fù)壓值為0.037 4 MPa。

根據(jù)對(duì)噴補(bǔ)機(jī)管道的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量，粉料的下降阻力（按連接管道的直徑折算）為0.012 MPa，即只有當(dāng)相對(duì)負(fù)壓值超過0.012 MPa時(shí)，系統(tǒng)才能克服耐火粉料在連接管道中的下降阻力，將其吸入噴管（稱為“吸入”要求）。因此，當(dāng)連接管安裝在噴管壁面且未伸入噴管內(nèi)部時(shí)，壁面壓力為0.063 9～0.089 3 MPa的區(qū)域均能滿足“吸入”要求。如圖3所示，滿足“吸入”要求的區(qū)間軸向Z坐標(biāo)為30～114.8 mm，連接管必須安裝在這一范圍內(nèi)才能使系統(tǒng)工作順暢可靠。從設(shè)計(jì)要求和仿真結(jié)果來看，連接管管口處壓力值越低越好，所以最理想的連接管安裝位置應(yīng)位于Z為69.8 mm處。

保持其他參數(shù)不變而逐步降低噴吹高壓空氣壓力，使連接管管口處的相對(duì)負(fù)壓值正好為0.012 MPa，這時(shí)就可得到系統(tǒng)的最低工作壓力及其位置。通過一系列的仿真計(jì)算可知：系統(tǒng)的最低工作壓力為0.191 MPa，此時(shí)壁面最低壓力為0.089 3 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求的區(qū)間范圍Z為67.5～73.6 mm，吸料器內(nèi)部射流場(chǎng)最低壓力為0.089 0 MPa，具體位置Z為69.5 mm。

3 連接管伸入噴管時(shí)的吸料器內(nèi)部流場(chǎng)仿真

將連接管視為一圓柱形固體，對(duì)連接管伸入長(zhǎng)度分別取為4、8、12、16 mm（伸入長(zhǎng)度始終小于噴管半徑20 mm）的不同吸料器模型進(jìn)行仿真，整個(gè)模型的參數(shù)設(shè)置與理想狀態(tài)下的參數(shù)設(shè)置基本一致。經(jīng)過迭代計(jì)算得到在連接管伸入長(zhǎng)度不同的條件下噴吹吸料器內(nèi)部的軸截面壓力分布，如圖4所示。

由圖4可見，此時(shí)吸料器內(nèi)部的壓力場(chǎng)分布明顯與理想狀態(tài)下的不同，其軸截面壓力分布不對(duì)稱，最低壓力值位置也發(fā)生變化。這是因?yàn)樯烊雵姽軆?nèi)部的連接管阻礙了高壓空氣流的運(yùn)動(dòng)，使空氣流的正常流通軌道發(fā)生改變，噴管內(nèi)部射流場(chǎng)和相對(duì)負(fù)壓范圍變得更為復(fù)雜。當(dāng)連接管伸入長(zhǎng)度為4 mm時(shí)，靠近噴嘴噴口處的壓力最低（0.056 6 MPa），連接管管口下方處的壓力為0.065 3 MPa，所以吸料器內(nèi)部系統(tǒng)最低壓力不在連接管管口處；當(dāng)連接管伸入長(zhǎng)度為8 mm時(shí)，在連接管周圍和管口下方是系統(tǒng)最低壓力分布區(qū)域，其值為0.057 2 MPa；當(dāng)連接管伸入長(zhǎng)度為12 mm時(shí)，系統(tǒng)最低壓力（0.055 1 MPa）出現(xiàn)在噴嘴噴口附近，連接管管口下方的壓力為0.064 4 MPa；當(dāng)連接管伸入長(zhǎng)度為16 mm時(shí)，軸截面壓力分布比前3種情況都復(fù)雜一些，連接管管口正下方處的壓力最低（0.050 2 MPa），但在連接管正對(duì)噴嘴口的一側(cè)出現(xiàn)了高壓（最大值為0.146 0 MPa），這是因?yàn)檫B接管伸入噴管太深，到達(dá)了高壓噴嘴核心射流區(qū)，此區(qū)域的氣流速度較高、散射小，當(dāng)部分高速核心射流介質(zhì)遇到伸入的連接管壁面，其速度會(huì)急劇轉(zhuǎn)向，使連接管附近流場(chǎng)變得復(fù)雜并出現(xiàn)部分高壓區(qū)。

圖4 連接管伸入長(zhǎng)度不同時(shí)吸料器內(nèi)部軸截面壓力圖Fig.4 Pressure of the suction feeder gunning’s axial cross section with different pipe stretch lengths

根據(jù)仿真結(jié)果可計(jì)算出，當(dāng)連接管伸入噴管內(nèi)部的長(zhǎng)度分別為4、8、12、16 mm時(shí)，連接管管口正下方處的相對(duì)負(fù)壓值分別為0.036 0、0.044 1、0.036 9、0.051 1 MPa，均大于0.012 MPa，滿足對(duì)噴補(bǔ)料的“吸入”要求。但是，當(dāng)連接管伸入長(zhǎng)度為16 mm時(shí)，連接管管口壁面附近出現(xiàn)高壓，這對(duì)利用相對(duì)負(fù)壓來“吸入”噴補(bǔ)料的系統(tǒng)來說是有很大弊端的，有可能使噴補(bǔ)料下降速度減慢甚至堵塞連接管，使噴補(bǔ)作業(yè)無法完成。綜上所述，連接管伸入噴管內(nèi)部的長(zhǎng)度最好不超過12 mm，并且當(dāng)伸入長(zhǎng)度為8 mm時(shí)，連接管管口正下方處的相對(duì)負(fù)壓值較大，噴補(bǔ)料的吸入效果相對(duì)最佳。

4 結(jié)論

（1）當(dāng)連接管安裝在吸料器噴管壁面時(shí)，能夠克服噴補(bǔ)料下降阻力的最低噴吹壓力為0.191 MPa，此時(shí)壁面最低壓力值為0.089 3 MPa，壁面壓力滿足設(shè)計(jì)要求的區(qū)間范圍Z為67.5～73.6 mm，系統(tǒng)最低壓力值為0.089 0 MPa，具體位置Z為69.5 mm。

（2）當(dāng)連接管伸入吸料器噴管內(nèi)部時(shí)，噴吹吸料器內(nèi)部流場(chǎng)受到明顯干擾，伸入長(zhǎng)度不同，內(nèi)部流場(chǎng)受到的干擾程度也不同。

（3）在本文仿真所取的4種連接管伸入長(zhǎng)度中，連接管伸入8 mm時(shí)噴補(bǔ)料的吸入效果相對(duì)最佳。

［1］ 范潤(rùn)漢.半干法噴補(bǔ)技術(shù)的應(yīng)用與改進(jìn)［J］.燃料與化工，2003，34（1）：8－9.

［2］ 謝劍剛，周素陽，嚴(yán)育才.焦?fàn)t無塵噴補(bǔ)方法研究［J］.冶金設(shè)備，2006（6）：59－61.

［3］ 韓占忠，王敬，蘭小平.FLUENT流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2004：70－73.

［4］ 董志勇.射流力學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，2005：15－16.

Simulation analysis of the interior flow field of injection suction feeder of a new dustless gunning machine

Wang Xing，Xie Jiangang
（College of Machinery and Automation，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China）

To offer the theoretical basis for optimizing the structure of a new coke oven dustless gunning machine，F(xiàn)luent，a fluid simulation software，was employed for 3D modeling and numerical simulation of the injection suction feeder，and the distribution in the interior flow field of the injection suction feeder was studied in two situations when the connecting pipe has stretched into the feeder pipeline and when the connecting pipe hasn’t.The results show that when the connecting pipe hasn’t stretched into the feeder pipeline，the minimum inlet pressure that can overcome the fall resistance of powder is 0.191 0 MPa and under this circumstance，the minimum pressure on the pipeline wall is 0.089 3 MPa.When the connecting pipe has stretched into the feeder pipeline，the internal flow field of the injection suction feeder is subject to obvious interference，and the inhaled effect of gunning mix is comparatively the best when the pipe elongation is 8 mm.

dustless gunning；injection suction feeder；numerical simulation；jet current

TF065

A

1674－3644（2012）04－0268－04

［責(zé)任編輯 尚 晶］

2011－12－23

王 杏（1987－），女，武漢科技大學(xué)碩士生.E－mail：411481871＠qq.com

謝劍剛（1956－），男，武漢科技大學(xué)教授.E－mail：xiejian3833＠sina.com