柴油機(jī)煙道導(dǎo)流板設(shè)計(jì)模擬與實(shí)驗(yàn)研究

杜 軍，張 艷，施 紅

(江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

世界遠(yuǎn)洋行業(yè)的蓬勃發(fā)展，導(dǎo)致了由船舶所帶來的海上污染愈趨增加，由船舶所引起的污染很大一部分是來自于它的動(dòng)力裝置——柴油機(jī)，它排放的NOx易引起光化學(xué)煙霧、酸雨等環(huán)境問題[1]。為嚴(yán)格控制船舶柴油機(jī)的尾氣排放，目前使用最多的是在尾氣煙道安裝SCR反應(yīng)器。研究SCR催化器在船舶柴油機(jī)真實(shí)煙氣環(huán)境下的脫硝性能，通常需要利用CFD仿真模擬軟件對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算分析[2]。Thanh等[3]通過對(duì)SNCR 150 kW中試反應(yīng)器進(jìn)行模擬和實(shí)驗(yàn)研究對(duì)比，結(jié)果基本一致，為后續(xù)研究提供了重要參考。Adams等[4]、Mi等[5]都對(duì)SCR系統(tǒng)內(nèi)部流場(chǎng)分布和煙道優(yōu)化進(jìn)行了模擬，研究發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的SCR系統(tǒng)工業(yè)實(shí)用性更強(qiáng)。此外，Morita等[6]也利用CFD軟件對(duì)SCR系統(tǒng)流場(chǎng)計(jì)算、導(dǎo)流板布置等方面進(jìn)行仿真，效果良好。Galen Richards[7]通過使用CFD軟件，模擬SCR反應(yīng)器出口截面上的氮氧化物濃度和流速分布均勻性，噴射系統(tǒng)的仿真，得出導(dǎo)流板設(shè)計(jì)的較好位置。本文對(duì)導(dǎo)流板的數(shù)量和布置方式進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期獲得最佳導(dǎo)流效果，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 模型建立

1.1 結(jié)構(gòu)模型

為便于模擬研究，本文特對(duì)SCR系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)適當(dāng)簡(jiǎn)化（見圖1）。

為使尾氣在進(jìn)入SCR催化反應(yīng)器中達(dá)到最好的脫硝效果，前端的技術(shù)控制非常重要。本文主要對(duì)煙道第2個(gè)拐角（圖1中b處）的形狀和導(dǎo)流板布置進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。在煙道拐彎處布置導(dǎo)流板可以起到引流的作用，使NOX與還原劑之間混合更均勻，提高脫硝率。因a，b，c三個(gè)拐角結(jié)構(gòu)相似，煙道材料相同，合理的增加導(dǎo)流板都可以改變氣體流過該拐角時(shí)的流動(dòng)方向，模擬方法相同。所以本文對(duì)于b處導(dǎo)流板的仿真模擬方法對(duì)于a，c也適用，均可以有效地改善煙道內(nèi)氣體流場(chǎng)分布，降低了煙道拐角區(qū)域的壓降。

1.2 理論模型

1.2.1 湍流模型

本文選用由雷諾平均法衍變而來的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型[8–9]，它是目前工程應(yīng)用最為廣泛的數(shù)學(xué)模型[10]，對(duì)應(yīng)的k-ε方程如下：

其中：σk為湍動(dòng)能Prandtl數(shù)，數(shù)值為1；Gk為生成的湍動(dòng)能，kg/（m·s3）；σε為湍動(dòng)耗散率Prandtl數(shù)，數(shù)值為 1.3；C2ε取值 1.92；C1ε取值 1.44。

模擬采用NH3，NO，CO2，H2O，O2，N2六種混合氣體為研究對(duì)象，不考慮混合氣體與煙道壁面進(jìn)行的熱交換，不考慮溫度影響?；旌蠚怏w在煙道中湍流流動(dòng)模型控制方程表達(dá)式[11–15]如下：

式中：ρ為氣體密度，μ為氣體流速，t為流動(dòng)時(shí)間，Г為廣義擴(kuò)散系數(shù)，S為廣義源項(xiàng)，φ為通用變量。

1.2.2 組分輸運(yùn)模型

本文的研究對(duì)象是煙氣與還原劑氨的混合和輸運(yùn)，是多組分混合物，除了選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型來模擬湍流流動(dòng)，還需要確定各化學(xué)物質(zhì)的組分輸運(yùn)平衡方程[16]，具體公式如下：

式中：Ri為反應(yīng)凈生成速率；Si為源項(xiàng)額外生成的速率。

2 方案設(shè)計(jì)

本文選擇的煙道為斜形煙道，如圖2所示。

導(dǎo)流板布置方案如表1所示，斜型煙道存在6種導(dǎo)流板設(shè)計(jì)方式。

表1 各設(shè)計(jì)方案中導(dǎo)流板布置形式Tab.1 Arrangement scheme of the guide plate

本文假設(shè)柴油機(jī)尾氣為理想、定常、不可壓縮流體，煙道壁面絕熱，混合氣體在煙道內(nèi)不發(fā)生催化還原反應(yīng)，相關(guān)模擬與實(shí)驗(yàn)介質(zhì)參數(shù)設(shè)計(jì)如表2、表3所示。

煙氣進(jìn)口采用速度入口（Velocity inlet）為邊界條件，入口速度為14.8 m/s，出口邊界條件采用壓力出口（Pressure outlet），設(shè)置為 101 325 Pa，其他壁面為WALL。假設(shè)導(dǎo)流板的厚度為無限薄，以此進(jìn)行數(shù)值模擬。利用GAMBIT軟件對(duì)無導(dǎo)流板的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了提高模型計(jì)算精度，避免煙道壁面過細(xì)的網(wǎng)格劃分，近壁面采用成熟的壁面函數(shù)。同時(shí)本文對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密，進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性測(cè)試。計(jì)算的網(wǎng)格量分別為：48 781，57 642，62 975，監(jiān)測(cè)出口的平均速度，其誤差不超過5%，因此本文選擇網(wǎng)格量為48 781的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算分析。

表2 模擬與實(shí)驗(yàn)介質(zhì)參數(shù)設(shè)計(jì)Tab.2 Simulation and experimental medium design

表3 煙氣各組分摩爾分?jǐn)?shù)Tab.3 The mole fraction of the flue gas

3 斜板形煙道模擬結(jié)果及分析

3.1 無導(dǎo)流板模擬分析

圖3為無導(dǎo)流板填充的斜板型流道結(jié)構(gòu)的速度場(chǎng)分布圖。

由圖3可知煙氣在流道中流動(dòng)時(shí)，外側(cè)斜板處和拐彎后左側(cè)煙道近壁面處均出現(xiàn)大量低速區(qū)，從速度云圖可以看出，該區(qū)域的煙氣流速比入口流速低很多，且所占區(qū)域面積較大。

圖4為無導(dǎo)流板時(shí)煙道出口速度，它是根據(jù)出口處煙氣流速由內(nèi)至外的變化情況繪制的出口速度曲線圖，進(jìn)一步對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析。

由圖4可知，進(jìn)出口流速的波動(dòng)范圍極大，進(jìn)出口速度差（進(jìn)口-出口）為–5.7～14.8 m/s，其中出口速度最大值為20 m/s，最小值為0 m/s，由此可見在流場(chǎng)中不僅高速區(qū)速度過大，而且出現(xiàn)零速最低值。其主要原因是：混合氣體在拐角處的流動(dòng)方向由直線向前變?yōu)閺澢蛏?，由于慣性的作用以拋物線的軌跡繼續(xù)向前涌動(dòng)。這就造成一部分氣體高速向前，沖向豎直壁面，易對(duì)壁面造成沖擊損壞，降低其使用壽命。

3.2 添加導(dǎo)流板后的模擬結(jié)果

圖5為添加導(dǎo)流板后，煙氣在6種導(dǎo)流板布置方案下的流場(chǎng)圖。

由圖5（a）可知，添加3塊導(dǎo)流板后，流道內(nèi)的速度分布明顯得到改善，相比無導(dǎo)流板時(shí)，高速區(qū)明顯減少，僅在拐彎處有小面積的高速區(qū)，這是流體突遇拐角造成的渦旋，而且左上右側(cè)的高速區(qū)基本全部消失，速度接近于入口速度，氣流趨于平穩(wěn)。除了高速區(qū)的明顯減少外，還可以看出低速區(qū)也減少很多，速度均勻性大幅提高。

圖5（b）為4塊導(dǎo)流板一列布置時(shí)模擬的速度場(chǎng)分布圖，豎直方向的煙道左側(cè)低速區(qū)減少，貼邊處速度出現(xiàn)少量極低的現(xiàn)象。左上右側(cè)煙道也在貼邊處出現(xiàn)了少量高速的現(xiàn)象，這是因?yàn)闆_擊反沖引起的，接近出口時(shí)有減小的趨勢(shì)但是在拐彎上壁面處的仍存在一定范圍的低速區(qū)。

圖5（c）為4塊導(dǎo)流板分列布置的模擬圖，從圖中可以看出，豎直方向，左側(cè)的低速區(qū)減少，同時(shí)速度提高了很多。右側(cè)壁面積壓的高速區(qū)完全消失，從左到右的速度分布幾乎一致，沒有渦旋，左右兩側(cè)速度的差值很小。

圖5（d）為4塊導(dǎo)流板一列布置的模擬圖，從圖可知，豎直方向，左側(cè)的低速區(qū)幾乎完全消失，左側(cè)速度接近與平均速度。拐角內(nèi)側(cè)的高速區(qū)面積減少很多，豎直管道的右上側(cè)高速區(qū)非常小，且在出口處消失。

圖5（e）和圖5（f）是5塊導(dǎo)流板分列布置的模擬圖，它的布置方式分別是“前二后三”和“前三后二”2種模式。從圖5（e）中可以看出，5塊導(dǎo)流板“前二后三”的布置方式，在豎直方向上，左側(cè)低速區(qū)相比于無導(dǎo)流板時(shí)有所減少，速度也提高很多，右側(cè)的高速范圍縮減至貼邊處，所占面積很小。由圖5（f）可知，豎直煙道左邊的低速區(qū)有所減少，該區(qū)域的流速被提高，越接近出口速度越大。中間部分的高溫區(qū)全部消失，只在右側(cè)貼邊處速度變大。

圖6為添加導(dǎo)流板后，6種導(dǎo)流板布置方案下的煙氣在流道出口處的速度曲線圖。

從圖6中，可以看到不同設(shè)計(jì)方案的出口流速波動(dòng)范圍差別較大，但在出口截面上，從左至右，無論導(dǎo)流板的數(shù)量和布置方式如何變化，氣體的流速均是由小慢慢增大，到最右端時(shí)基本不變。在6種導(dǎo)流板不同設(shè)計(jì)方案中，4塊導(dǎo)流板分列布置時(shí)出口速度差最大，為9.14 m/s；5塊導(dǎo)流板一列布置時(shí)出口速度差最小，為 1.5 m/s。

3.3 各方案系統(tǒng)壓損對(duì)比分析

圖7為未填充導(dǎo)流板時(shí)和6種導(dǎo)流板設(shè)計(jì)方案的壓力損失圖。

由圖7可知，無導(dǎo)流板時(shí)煙道壓力損失最大，達(dá)54.44 Pa，添加導(dǎo)流板后，6種方案的壓力損失最大是29.73 Pa，此時(shí)煙道內(nèi)導(dǎo)流板是4塊一列排列；最小是19.29 Pa，此時(shí)導(dǎo)流板的排列方式是5塊一列布置。由此可見，添加導(dǎo)流板不僅可以引導(dǎo)混合氣體的流動(dòng)，減少高速區(qū)和低速區(qū)，同時(shí)還可以降低系統(tǒng)的壓力損失。

因此，結(jié)合各方案速度場(chǎng)分布圖、出口截面流速曲線圖、壓損分析可知：當(dāng)煙道拐彎處設(shè)計(jì)為斜板狀時(shí)，5塊導(dǎo)流板一列布置的設(shè)計(jì)方案導(dǎo)流效果最佳。

4 模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

通過采用優(yōu)化后的導(dǎo)流板布置方式，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上對(duì)柴油機(jī)混合煙氣在流道中的流動(dòng)情況進(jìn)行檢驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)的示意圖如圖8所示，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集由速度傳感器、壓差傳感器、流量計(jì)等器材獲得。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)變弧長(zhǎng)的導(dǎo)流板進(jìn)行流場(chǎng)特性研究。

實(shí)驗(yàn)所用器材及其功能介紹如表4所示。

實(shí)驗(yàn)過程中，首先根據(jù)前面模擬煙氣中各氣體成分配備混合氣體，保證各裝置與煙道之間密封良好，連接系統(tǒng)管路，先通入平衡氣體N2，調(diào)節(jié)氣體流量，檢查試驗(yàn)系統(tǒng)的密封性。之后將氣體混合器和SCR反應(yīng)器加熱至實(shí)驗(yàn)工況溫度（623 K），待煙氣溫度達(dá)到設(shè)定值后，通入配備好的混合氣體，待氣體流通平衡一段時(shí)間后，開啟速度傳感器、壓差傳感器等設(shè)備的監(jiān)測(cè)功能，待讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

斜型煙道中，在導(dǎo)流板數(shù)量為五塊，排列方式為一列布置的前提下，對(duì)不同弧長(zhǎng)和相同弧長(zhǎng)的導(dǎo)流板的導(dǎo)流效果進(jìn)行模擬和實(shí)驗(yàn)。其中，等弧長(zhǎng)導(dǎo)流板方案中，導(dǎo)流板的弧長(zhǎng)選為281 mm；變弧長(zhǎng)導(dǎo)流板方案中，從煙道拐彎內(nèi)側(cè)至外側(cè)布置，弧長(zhǎng)分別為215 mm，275 mm，335 mm，395 mm，455 mm。計(jì)算結(jié)果如圖9～圖10所示。

可以明顯看出，在斜型煙道內(nèi)，采用變弧長(zhǎng)的5塊導(dǎo)流板一列布置的模擬結(jié)果流速偏差值為6.04 m/s，壓損為26 Pa；而等弧長(zhǎng)導(dǎo)流板布置時(shí)的速度差1.5 m/s，壓損19.29 Pa。同時(shí)，在所有參數(shù)不變的情況下，在煙道中鋪設(shè)相同尺寸和不同尺寸的5塊導(dǎo)流板，如圖9所示，可以看出，導(dǎo)流板相同時(shí)，速度偏差值為4.16 m/s，壓力損失為23.77 Pa；布置不同的導(dǎo)流板后，煙道出口截面上的速度偏差值為7.78m/s，壓力損失為25.04 Pa?？梢妼?shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果在數(shù)值上雖有偏差，但趨勢(shì)一致。因此，在斜型煙道中，5塊相同導(dǎo)流板一列布置時(shí)引流效果最好。

5 結(jié) 語

本文針對(duì)斜形柴油機(jī)煙道進(jìn)行了導(dǎo)流板的設(shè)計(jì)研究，基于Fluent軟件對(duì)煙道第2個(gè)拐角處6種導(dǎo)流板布置進(jìn)行速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)模擬，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，得出導(dǎo)流板設(shè)計(jì)的最佳方案。從模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知：當(dāng)柴油機(jī)煙氣流量為80 214 kg/h，流速為14.8 m/s，溫度為623 K等參數(shù)時(shí)，斜型煙道中未布置導(dǎo)流板時(shí)，出口速度偏差較大。添加尺寸相同的導(dǎo)流板后，對(duì)6種導(dǎo)流板不同設(shè)計(jì)方案的模擬結(jié)果顯示：5塊導(dǎo)流板一列布置時(shí)出口速度差值最小，為1.5 m/s，壓損最小是19.29 Pa。因此，結(jié)合各方案速度場(chǎng)分布圖、出口截面流速曲線圖分析可知：當(dāng)煙道拐彎處設(shè)計(jì)為斜板狀時(shí)，5塊導(dǎo)流板一列布置的設(shè)計(jì)方案導(dǎo)流效果最佳。在前面研究的基礎(chǔ)上，改變導(dǎo)流板尺寸參數(shù)模擬，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析：采用尺寸不等的5塊導(dǎo)流板一列布置的模擬結(jié)果流速偏差值為6.04 m/s，壓損為26 Pa，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的速度差為7.78 m/s，壓力損失為25.04 Pa。相同導(dǎo)流板布置時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是速度差為4.16 m/s，壓力損失為23.77 Pa。因此，實(shí)驗(yàn)和模擬同時(shí)證明：在斜型煙道中，5塊相同導(dǎo)流板一列布置時(shí)引流效果最好。

表4 實(shí)驗(yàn)部分器材介紹Tab.4 The experiment part equipment introduction

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