不同構(gòu)型電化學(xué)除垢設(shè)備的流場分布規(guī)律及優(yōu)化*

胡博林， 張孝強， 潘園園

(湘潭大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院,湖南 湘潭 411105)

0 引言

電化學(xué)技術(shù)是1970年以后發(fā)展起來的新型水處理技術(shù)，由于其清潔、綠色、對環(huán)境友好的優(yōu)點，被廣泛用于工業(yè)冷卻水處理等領(lǐng)域[1-3].電化學(xué)技術(shù)有著良好的除垢效果，并能夠起到除藻殺菌的作用，但同時也存在著單位面積水垢沉積效率低、能耗偏高等問題[4-5]，相關(guān)學(xué)者對除垢原理、電流密度等影響因素進(jìn)行了深入研究，如David Hasson等[6]研究了水硬度、電流密度等參數(shù)對沉積速率和電耗的影響.Luan J等[7]耦合多層目數(shù)不同的網(wǎng)格，研究了不同流速和電流密度下的除垢能力、結(jié)垢趨勢、能耗.徐浩等[8]對不同陰極電流密度下的水垢樣品進(jìn)行了晶型分析.結(jié)果表明，加電過程會極大地改變水垢的形貌及晶型.在流體流動狀態(tài)和除垢設(shè)備構(gòu)型等方面的研究較少.從流體力學(xué)的角度來看，設(shè)備構(gòu)型是場內(nèi)流體流動狀態(tài)的重要影響因素，合理的結(jié)構(gòu)能使反應(yīng)流體更充分地混合，以達(dá)到更好的反應(yīng)效果.計算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)技術(shù)在模擬流體流動特性方面兼具簡單高效、精確度高、價格低廉等優(yōu)點，并逐漸在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用.Lv等[9]利用CFD研究了刮板運動下的流化床流場特征，為進(jìn)一步了解流化床的水動力特性提供了理論基礎(chǔ).王發(fā)龍等[10]模擬了不同升流速度下流場特性和含固率分布，提升了反應(yīng)器內(nèi)流固混合程度.本文從流體力學(xué)的角度出發(fā)，利用Fluent軟件對不同構(gòu)型的除垢反應(yīng)器流場進(jìn)行模擬，并對其流場進(jìn)行分析，以達(dá)到優(yōu)化反應(yīng)器性能的目的.

1 物理模型及模擬方法

1.1 物理模型

某廠電化學(xué)除垢設(shè)備設(shè)計為一長方體柜體，其設(shè)計規(guī)模為最大流量25 m3/h，設(shè)計參數(shù)為長1 444 mm、寬630 mm、高884 mm，箱體上部和右部設(shè)有進(jìn)水口和出水口，其中進(jìn)水口管徑為80 mm，出水管徑為100 mm，管長均為108 mm，其內(nèi)部上下交錯排布有陰極板和陽極板共5塊，其中陰極板2塊，陽極板3塊，其長度、高度和厚度為630 mm、560 mm及4 mm，并通過護(hù)套及螺母固定在箱體壁.為了節(jié)省計算資源及提升計算速度，在不影響計算結(jié)果的前提下，對其物理模型進(jìn)行了一定的簡化，并利用Workbench平臺的design modeler軟件進(jìn)行等比例建模，如圖1所示.

圖1 電化學(xué)除垢器等比例建模圖Fig.1 Equal scale modeling diagram of electrochemical descaler

1.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是CFD前處理的重要組成部分，網(wǎng)格質(zhì)量是決定計算精度和速度的重要指標(biāo).本文利用Workbench平臺的Meshing軟件對已建立的物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，主要采用四面體與六面體網(wǎng)格混合的劃分方法.其中，全局最大尺寸設(shè)為20 mm，對于其擁有較大曲率的入口及出口處的圓管部分，以及對于模型總體相對狹窄的極板區(qū)域，分別開啟曲率函數(shù)和狹縫函數(shù)并進(jìn)行網(wǎng)格加密，以得到更精確的計算結(jié)果.由于流體與物體間的摩擦力作用，入口處和出口處存在著較大的速度梯度，為了避免影響計算結(jié)果，對出口和入口添加邊界層并采用最大層數(shù)的方法，其最大層數(shù)為5層.劃分完成后的網(wǎng)格如圖2所示.

圖2 網(wǎng)格劃分圖Fig.2 Grid map

1.3 邊界條件及計算方法

本模擬的入口邊界為速度入口邊界，入口速度根據(jù)入口流量換算得1 m/s，出口邊界為壓力出口邊界，出口壓力設(shè)置為0 Pa，其余區(qū)域均為無滑移壁面邊界.由于RNGk-e 模型能模擬旋流等復(fù)雜流動且計算量適中，本次模擬選擇此模型.求解算法采用COUPLE算法，離散格式均為二階迎風(fēng)格式.

1.4 模擬方案

此次模擬主要研究板間距對其內(nèi)部流場的影響及反應(yīng)器內(nèi)部死區(qū)和短路區(qū)空間分布規(guī)律，并用其極板的數(shù)量作為板間距的另一表現(xiàn)形式，共設(shè)置三個水平，分別為3、5、7，如表1所示.

表1 不同模擬方案參數(shù)表

2 模擬結(jié)果及流場分析

2.1 體速度云圖

由于本次模擬為三維模擬，可將模擬結(jié)果處理為體速度云圖，如圖3所示.體速度云圖是指在計算域內(nèi)創(chuàng)建多個速度云圖，可以從外部直接觀測到內(nèi)部的整體速度分布情況，從而為后續(xù)分析選取合適的定位面.

圖3 體速度云圖Fig.3 Volume velocity nephogram

由體速度分布云圖可以看到：正視圖為反應(yīng)器的YZ平面，在整個反應(yīng)器內(nèi)部的YZ平面上，除了在第一個反應(yīng)隔間內(nèi)速度分布有所差異外，其余區(qū)域內(nèi)速度分布基本相同，所以在后續(xù)對平面的分析中，選擇反應(yīng)器在YZ平面的對稱面作為分析對象.

2.2 速度云圖

圖4(a)、(b)、(c)為極板數(shù)量為3、5、7時的YZ平面對稱面速度云圖.

圖4 不同模擬方案速度云圖Fig.4 Velocity nephogram of different simulation schemes

從速度云圖可以看出：反應(yīng)器內(nèi)部速度最大的位置處于進(jìn)水口下部區(qū)域，這是由于最初的流體之間混合程度不高，流動趨勢更趨近于平推流，而隨著流體的進(jìn)一步運動，一部分流體之間發(fā)生不同程度的混合和回流，會使流體的運動速度逐漸減小，從而使反應(yīng)器內(nèi)部的整體速度降低，停留時間變長，停留時間最長的流體所在的區(qū)域內(nèi)部流速接近于0，這一部分區(qū)域也就是死區(qū).但并不是所有的流體都會發(fā)生混合，一部分流體在各方面作用下仍然保存較大的速度直至流出，停留時間較短，停留時間最短的流體所在的區(qū)域流速最大，以致這部分流體并沒有與陰極板發(fā)生反應(yīng)，也就是短路.而隨著板間距的縮小，可以看到反應(yīng)器內(nèi)部的整體流速在逐漸增大，特別是在極板頭處，反應(yīng)器內(nèi)部有一股S形流態(tài)的流體，迅速地從入口流動至出口.流速的增大有利于減小反應(yīng)器內(nèi)部死區(qū).

2.3 速度矢量圖

圖5(a)、(b)、(c)分別為極板數(shù)量為3、5、7時的YZ平面對稱面速度矢量圖.

圖5 不同模擬方案速度矢量圖Fig.5 Velocity vector diagram of different simulation schemes

矢量圖可以更為直觀地看到反應(yīng)器內(nèi)部的流態(tài)以及速度，反應(yīng)器內(nèi)部存在兩類流體狀況不佳的區(qū)域，分別為死區(qū)和短路區(qū).死區(qū)一般存在于渦流區(qū)域，從速度矢量圖可以看到：當(dāng)極板數(shù)量為3時，反應(yīng)器內(nèi)第二個隔間和第三個隔間均存在渦流，其中，第二個隔間內(nèi)渦流的范圍比較小，并沒有影響到周圍的其他流體；但第三個隔間內(nèi)的渦流體積非常大，囊括了整個第三隔間，這意味著此隔間的流動狀態(tài)極差，也必然會引起反應(yīng)效率的降低.極板數(shù)為5和7時，內(nèi)部仍然存在渦流，且可以觀察到的是：各個反應(yīng)隔間內(nèi)均存在渦流，但渦流的大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于極板數(shù)為3時第三隔間內(nèi)的渦流，只能影響到自身周圍的一小塊區(qū)域，對反應(yīng)影響較小.短路區(qū)一般存在于流速較大的區(qū)域，且因為其流動路徑?jīng)]有得到反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件阻擋，導(dǎo)致此區(qū)域流體未經(jīng)反應(yīng)便排出系統(tǒng)，降低反應(yīng)器效率.隨著其極板間距的減小，可以明顯地看到反應(yīng)器內(nèi)流速較大區(qū)域也就是短路區(qū)的體積增大了.也就是說，減小極板間距可以有效地增加反應(yīng)器內(nèi)流速，減小死區(qū)面積，但隨著死區(qū)面積的減少，短路區(qū)的面積卻會變大.

2.4 流線圖

圖6(a)、(b)、(c)分別為極板數(shù)量為3、5、7時的YZ平面對稱面流線圖.

圖6 不同模擬方案流線圖Fig.6 Streamline diagrams of different simulation schemes

從流線圖可以看出，隨著板間距的減小，反應(yīng)器內(nèi)部存在的渦流越來越多，但是渦流的面積越來越小.當(dāng)極板數(shù)量為3時，整個反應(yīng)器內(nèi)部存在著一個巨大的漩渦，基本上已經(jīng)覆蓋了1/3的反應(yīng)器面積，且對周圍的流體也有著巨大的影響力，此區(qū)域就是反應(yīng)器內(nèi)部的死區(qū)，停留時間過長會導(dǎo)致除垢效率變低.當(dāng)極板數(shù)量為3和5時，雖然反應(yīng)器內(nèi)部的死區(qū)數(shù)量變多了，每個反應(yīng)隔間都會存在著渦流，但都是面積比較小的渦流，不足以影響到整個流動.也就是說，隨著板間距的減小，反應(yīng)器內(nèi)部仍然存在著死區(qū)，但總體來說，流體的流動狀態(tài)得到了改善.

3 反應(yīng)器內(nèi)部流體空間分布規(guī)律及數(shù)據(jù)分析

3.1 反應(yīng)器內(nèi)部流體空間分布規(guī)律

在反應(yīng)器內(nèi)部，根據(jù)流體的流動狀態(tài)會產(chǎn)生死區(qū)或短路等不利于反應(yīng)的流動狀態(tài)，前者是指流體經(jīng)反應(yīng)后滯留在反應(yīng)器內(nèi)無法排出，后者則是指流體未經(jīng)反應(yīng)就流出反應(yīng)器，這兩種流動狀態(tài)都會引起反應(yīng)效率降低.將基于模擬流線圖與矢量圖對反應(yīng)器內(nèi)部的流體空間分布進(jìn)行定量分析，進(jìn)一步探究極板間距的減小對反應(yīng)器內(nèi)部死區(qū)與短路區(qū)的分布規(guī)律.由于流線圖能夠清楚地看到流體流動軌跡，所以基于流線圖對反應(yīng)器內(nèi)死區(qū)進(jìn)行劃分，圖7中I區(qū)域則為死區(qū).由于矢量圖能更好地反映流場中的速度大小及方向，所以基于矢量圖對反應(yīng)器內(nèi)短路區(qū)進(jìn)行劃分，圖7中II區(qū)域則為短路區(qū).

圖7 模擬方案1Fig.7 Simulation scheme 1

從圖7可以看出：反應(yīng)器內(nèi)死區(qū)共有5處，其中第二隔間3處，其死區(qū)位置處于隔間中部且略接近極板；第三隔間1處，死區(qū)位置基本覆蓋整個隔間；第四隔間1處，死區(qū)位置位于第三塊極板背面.反應(yīng)器內(nèi)短路區(qū)為長條狀，并處于反應(yīng)器上壁、下壁及極板正面.

從圖8可以看出：反應(yīng)器內(nèi)死區(qū)共有5處，死區(qū)數(shù)量與極板數(shù)量為3塊時一致，均為5處，除第一隔間外每個隔間各有1處，其大小分布較為均勻，均為橢圓或圓狀；其位置處于反應(yīng)器內(nèi)角落或極板背面.反應(yīng)器內(nèi)短路區(qū)共有2處，均為長條狀，且其大小與極板數(shù)量為3時有所增長.其分布位置與極板數(shù)量為3塊時不同的是反應(yīng)器上壁與下壁未有分布，但仍然處于極板正面.

圖8 模擬方案2Fig.8 Simulation scheme 2

從圖9中可以看出：反應(yīng)器內(nèi)死區(qū)共有9處，死區(qū)的數(shù)量明顯增加，其中第二隔間3處，其余隔間除第一隔間外各1處，其狀仍主要為橢圓或圓.與極板數(shù)量為5塊時相比，死區(qū)分布位置大多仍為極板背面，少量位于反應(yīng)器角落.反應(yīng)器內(nèi)短路區(qū)共有2處，其位置分布與極板數(shù)量為5塊時類似，大小仍有所增長.

圖9 模擬方案3Fig.9 Simulation scheme 3

從以上分析可知，反應(yīng)器內(nèi)流體空間分布規(guī)律為：反應(yīng)器內(nèi)死區(qū)主要分布于極板背面，少量分布于反應(yīng)器角落；反應(yīng)器內(nèi)短路區(qū)主要分布于極板正面.

3.2 反應(yīng)器內(nèi)部流體空間分布數(shù)據(jù)分析

基于反應(yīng)器流體空間分布規(guī)律，用簡化的計算方法定量計算各極板間距下的死區(qū)和短路區(qū)面積占反應(yīng)器面積的百分比并對其進(jìn)行分析.其方法為：將各個死區(qū)近似地認(rèn)為是圓形或橢圓形，通過后處理可確定其軸長，通過圓與橢圓的面積公式即可得到各死區(qū)和短路區(qū)的面積.結(jié)果如圖10所示，圖10(a)為死區(qū)面積極板間距變化趨勢圖，圖10(b)為短路區(qū)面積極板間距變化趨勢圖.

圖10 極板間距變化趨勢圖Fig.10 Trend chart with plate spacing

從圖10可知：當(dāng)極板數(shù)量為3時，反應(yīng)器內(nèi)死區(qū)占比為40%，短路區(qū)占比為4.6%；當(dāng)極板數(shù)量為5時，反應(yīng)器內(nèi)死區(qū)占比為11%，短路區(qū)占比為7.2%；當(dāng)極板數(shù)量為7時，反應(yīng)器內(nèi)死區(qū)占比為3%，短路區(qū)占比為10.4%.也就是說，當(dāng)極板間距縮小50%時，反應(yīng)器內(nèi)死區(qū)面積減少了29%，反應(yīng)器內(nèi)短路區(qū)增長了2.6%；當(dāng)極板間距縮小66%時，反應(yīng)器內(nèi)死區(qū)面積減少了37%，反應(yīng)器內(nèi)短路區(qū)增長了5.8%.也就是說，隨著極板間距的減小，反應(yīng)器內(nèi)部死區(qū)面積會減小，但短路區(qū)的面積則會增大，死區(qū)與短路區(qū)在反應(yīng)器內(nèi)的占比呈負(fù)相關(guān).雖然其短路區(qū)的增加會降低反應(yīng)效率，但其增長速度顯著低于死區(qū)的降低速度.因此，減小極板間距仍然能夠改善反應(yīng)器內(nèi)部流場，以達(dá)到優(yōu)化反應(yīng)器的目的.

4 結(jié)論

(1)隨著極板間距的減小，反應(yīng)器內(nèi)部的大型渦流會破碎為多個小型渦流，且總渦流面積減小.

(2)對反應(yīng)器內(nèi)流體空間分布及對死區(qū)和短路區(qū)進(jìn)行分區(qū)，可以得到反應(yīng)器內(nèi)死區(qū)主要分布于極板背面，少量分布于反應(yīng)器角落；反應(yīng)器內(nèi)短路區(qū)主要分布于極板正面.

(3)隨著極板間距的減小，反應(yīng)器內(nèi)部死區(qū)面積會減小，但短路區(qū)的面積則會增大，死區(qū)與短路區(qū)在反應(yīng)器內(nèi)的占比呈負(fù)相關(guān).當(dāng)極板間距縮小50%時，反應(yīng)器內(nèi)死區(qū)面積減少了29%，反應(yīng)器內(nèi)短路區(qū)增長了2.6%；當(dāng)極板間距縮小66%時，反應(yīng)器內(nèi)死區(qū)面積減少了37%，反應(yīng)器內(nèi)短路區(qū)增長了5.8%.

(4)隨著極板間距的減小，雖然其短路區(qū)的增加會降低反應(yīng)效率，但其增長速度顯著低于死區(qū)的降低速度.因此，減小極板間距仍然能夠改善反應(yīng)器內(nèi)部流場，以達(dá)到優(yōu)化反應(yīng)器的目的.