箱式氣體混合器混合性能數(shù)值計(jì)算

郭秀榮,安帥霖,Ha Khanh Hop,畢崇盛,楊 瀟,徐岳峰，梁繼國

(1.東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 哈爾濱 150004； 2.吉林省輝南森林經(jīng)營局， 吉林 通化 135100)

氣體混合器作為等離子體凈化器的關(guān)鍵前處理裝置，其混合效果與各組分氣體濃度的分布是混合器實(shí)現(xiàn)其功能的關(guān)鍵[1]。常見的氣體混合器主要采取特殊的幾何形狀使流體產(chǎn)生橫向或無序流動從而達(dá)到混合目的[2]。目前，國內(nèi)外諸多研究部門逐步開展了氣體混合性能的數(shù)值模擬工作。數(shù)值模擬是將質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程、組分輸運(yùn)方程等結(jié)合起來建立數(shù)學(xué)模型，確定邊界條件，劃分計(jì)算網(wǎng)格，建立離散方程，計(jì)算機(jī)求解的一類較為系統(tǒng)的重要研究方法[3]。

國內(nèi)外許多學(xué)者對氣體混合領(lǐng)域做過較深入的研究。裴凱凱等[4]利用Fluent軟件對乙苯脫氫裝置中氣-氣快速噴射混合器進(jìn)行了仿真研究；吳民權(quán)等[5]研究了動量比及結(jié)構(gòu)參數(shù)對混合效果的影響，且研制了一種氣體混合器，以此實(shí)現(xiàn)了氣體的迅速、高效混合。Sroka和Forne[6-7]提出了較簡單的彎管以及T型管混合器；Maruyama等[8]通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了雙噴嘴噴射混合器與單噴嘴噴射混合器在達(dá)到相同混合效果時，雙噴嘴混合器的噴嘴長度是單噴嘴混合器噴嘴長度的一半；Giorges等[9]在對多種類型的噴嘴噴射混合器的研究過程中發(fā)現(xiàn)，混合器的噴嘴數(shù)量越多，其混合效果越好。針對氣體混合器的混合性能研究主要集中在氣體的混合效率和混合均勻性上[10-15]。

本文以箱式氣體混合器為研究對象，在特定濃度的組分氣體工況下，分析箱體內(nèi)部氣體混合的濃度分布與流速分布規(guī)律，進(jìn)而探究箱式氣體混合器的混合性能，并根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果提出改進(jìn)方案，為箱式氣體混合器的研制與設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 數(shù)學(xué)模型

氣體混合是一個較為復(fù)雜的過程，由于箱體內(nèi)部各組分氣體之間存在對流擴(kuò)散，需要結(jié)合Maxwell-Stefan擴(kuò)散模型進(jìn)行闡明。該模型以3種氣體中的2種氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)來求解整個氣體擴(kuò)散與混合的過程，其中第3種氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)ω由另外2種給出。方程如下[16-17]：

R-(ρu·▽ω1)

(1)

R-(ρu·▽ω2)

(2)

ω3=1-ω1-ω2

(3)

式中：D為擴(kuò)散系數(shù)；R為熱力學(xué)常數(shù)；p為壓力；T為溫度；u為速度；x為物質(zhì)的量；ω為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。3種氣體組成的混合氣體密度ρmix是平均混合物摩爾分?jǐn)?shù)Mmix的函數(shù)，可由下式求得[18]：

(4)

(5)

參與混合的O2、N2、NO摩爾質(zhì)量分別為0.032 kg/mol、0.028 kg/mol、0.03 kg/mol，由于3種氣體間的摩爾質(zhì)量存在差異，進(jìn)而氣體間會產(chǎn)生相互擴(kuò)散的對流通量，從而氣體間存在對流流動速度，基于Maxwell-Stefan擴(kuò)散模型，氣體穩(wěn)定擴(kuò)散過程中，氣體之間的對流流動速度可由下式表示[19]：

(6)

式中：ndiff,3是空氣的擴(kuò)散質(zhì)量通量。

2 箱式氣體混合器混合性能的數(shù)值模擬分析

2.1 箱式氣體混合器結(jié)構(gòu)形式與功能介紹

圖1為箱式氣體混合器的結(jié)構(gòu)示意，箱體上分別設(shè)置有O2進(jìn)氣口、N2進(jìn)氣口、NO進(jìn)氣口及出氣口，箱體內(nèi)部為規(guī)則形狀的六面體結(jié)構(gòu)。各組分氣體由所設(shè)進(jìn)氣口以一定流量進(jìn)入箱式氣體混合器，并在箱體內(nèi)部對流擴(kuò)散，形成穩(wěn)定的混合氣體流動，實(shí)現(xiàn)氣體混合。

圖1 箱式氣體混合器的結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 數(shù)值計(jì)算模型的建立

通過UG軟件內(nèi)置的布爾運(yùn)算模塊，抽取箱式結(jié)構(gòu)內(nèi)部流體域，形成可用于精準(zhǔn)分析流動特性的有限元模型。對所述流體模型劃分四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。網(wǎng)格單元數(shù)量53萬左右，最小網(wǎng)格質(zhì)量0.3以上。

圖2 網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.3 氣體混合的數(shù)值計(jì)算及結(jié)果分析

2.3.1N2、NO混合

在O2、N2、NO進(jìn)氣口流量分別為0 mL/min、2 000 mL/min、0.6 mL/min的條件下對箱式氣體混合器進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

圖3為N2的濃度分布；圖4為NO的濃度分布， NO的濃度主要集中在其進(jìn)氣口所在的管道附近，在箱體內(nèi)部并無明顯分布；N2正好與其相反，除NO的進(jìn)氣口附近外，N2的分布幾乎充滿了整個箱體。

圖3 N2的濃度分布

圖4 NO的濃度分布

圖5為箱式氣體混合器流速分布，NO的進(jìn)氣流量相對于N2的進(jìn)氣流量較少，因此流入的N2會形成一條明顯的火焰狀射流，徑直流向出氣口，這是因?yàn)榱髁窟B續(xù)性條件決定了兩組分氣體進(jìn)入箱體的流速差異，進(jìn)而引起N2在箱體內(nèi)部形成近乎射流的流動狀態(tài)。

圖5 箱式氣體混合器流速分布

2.3.2O2、N2、NO混合

在O2、N2、NO進(jìn)氣口流量分別為500 mL/min、2 000 mL/min、0.6 mL/min的條件下對箱式氣體混合器進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

圖6為O2的濃度分布；圖7為N2的濃度分布；圖8為NO的濃度分布，增加了O2的混合氣體，對NO的濃度影響很小，但對N2的濃度影響較為明顯，相比于圖3中接近1的N2濃度，圖7中N2的濃度在0.7左右；圖6中O2的濃度在0.3左右，說明部分空間被O2所占據(jù)。

圖6 O2的濃度分布

圖7 N2的濃度分布

圖8 NO的濃度分布

圖9為箱式氣體混合器流速分布，增加O2后相比于圖5，箱體內(nèi)的N2無法徑直流出箱體，而是在箱體內(nèi)部形成一段流速梯度較大的流域，可有效增加N2在箱體內(nèi)的滯留時間，提高氣體混合的均勻性。

圖9 箱式氣體混合器流速分布

3 內(nèi)插擾流片型箱式氣體混合器混合性能的數(shù)值模擬分析

3.1 內(nèi)插擾流片型箱式氣體混合器結(jié)構(gòu)形式與功能介紹

根據(jù)上述的研究結(jié)果可知，氣體混合性能與混合氣體的進(jìn)氣量、混合器的結(jié)構(gòu)形式密切相關(guān)，當(dāng)O2為0 mL/min時，N2會以如圖5所示的射流形式直接流出箱體，N2與其他氣體無法有效接觸，導(dǎo)致氣體混合不均勻。如圖10所示為內(nèi)插擾流片型箱式氣體混合器的結(jié)構(gòu)示意圖，通過對箱式氣體混合器進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)來提高混合性能，由文獻(xiàn)[20]可知，擾流片可使流體在流動過程中的流動狀態(tài)發(fā)生改變，故在箱體內(nèi)部交錯布置擾流片1和擾流片2，旨在形成一定阻礙作用，使得混合氣體形成局部回流，進(jìn)而提高混合器的混合性能。

圖10 內(nèi)插擾流片型箱式氣體混合器的結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 數(shù)值計(jì)算模型的建立

對內(nèi)插擾流片型箱式氣體混合器的流體域劃分網(wǎng)格，針對擾流片與進(jìn)氣口處進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化處理，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖11所示。網(wǎng)格單元數(shù)量約為58萬，最小網(wǎng)格質(zhì)量0.3以上。整個數(shù)值模擬條件與箱式氣體混合器保持一致。

圖11 內(nèi)插擾流片型箱式氣體混合器網(wǎng)格劃分

3.3 氣體混合的數(shù)值計(jì)算及結(jié)果分析

3.3.1N2、NO混合

在O2、N2、NO進(jìn)氣口流量分別為0 mL/min、 2 000 mL/min、 0.6 mL/min的條件下對內(nèi)插擾流片型箱式氣體混合器內(nèi)部氣體混合過程進(jìn)行可視化模擬。

圖12為N2濃度分布；圖13為NO濃度分布，相比于圖3、圖4，內(nèi)插擾流片型箱式氣體混合器箱體內(nèi)的N2濃度和NO濃度分布并無明顯變化。這是因?yàn)镹O的濃度約為N2的濃度的0.03%，該結(jié)構(gòu)的改進(jìn)對NO的濃度影響很小。

圖12 N2濃度分布

圖13 NO濃度分布

圖14為內(nèi)插擾流片型箱式氣體混合器流速分布，相對于圖5，N2并不會徑直流出箱體，而會在擾流片的阻礙作用下形成小范圍的偏轉(zhuǎn)回流，進(jìn)一步增加氣體混合的效率和均勻性。

圖14 內(nèi)插擾流片型箱式氣體混合器流速分布

3.3.2O2、N2、NO混合

在O2、N2、NO進(jìn)氣口流量分別為500 mL/min、 2 000 mL/min、0.6 mL/min的條件下對內(nèi)插擾流片型箱式氣體混合器內(nèi)部氣體混合過程進(jìn)行可視化模擬。

圖15為O2濃度分布；圖16為N2濃度分布；圖17為NO濃度分布，相比于圖6、圖7、圖8， NO的濃度變化幾乎可以忽略，由于擾流片的阻礙作用， N2和O2均出現(xiàn)了局部濃度增加的區(qū)域，由此提高了混合器的混合效率和混合均勻性。

圖15 O2濃度分布

圖16 N2濃度分布

圖17 NO濃度分布

圖18為內(nèi)插擾流片型箱式氣體混合器流速分布，相比于圖9，由于擾流片的阻礙作用，N2進(jìn)氣管下游區(qū)域出現(xiàn)了明顯的回流和擾流現(xiàn)象，且回流氣體主流為N2，偏向NO進(jìn)氣管一側(cè)，使得NO與N2的接觸幾率增加，從而提高氣體混合的效率和均勻性。

圖18 內(nèi)插擾流片型箱式氣體混合器流速分布

4 結(jié)論

1) 相對于N2的濃度，NO的濃度較低，幾乎可以忽略不計(jì)，因此NO集中分布在進(jìn)氣管道附近。

2) 內(nèi)插擾流片型箱式氣體混合器相對于箱式氣體混合器，其箱體內(nèi)部增設(shè)的擾流片使混合氣體的主流形成一定的回流區(qū)域，偏轉(zhuǎn)向下的回流可以與NO接觸，偏轉(zhuǎn)向上的回流與O2充分接觸，增加了混合氣體的混合效率與均勻性。

3) 對箱式氣體混合器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)不僅有利于提高箱式氣體混合器的混合性能，而且為該形式的氣體混合器設(shè)計(jì)提供了借鑒。