基于CFD防爆工程車廢氣處理箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

張思婉，申 超

（1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.中船重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015）

1 引言

煤礦井下會(huì)積存有瓦斯、煤塵等易燃易爆的物質(zhì)，當(dāng)防爆工程車井下運(yùn)行時(shí)，其動(dòng)力系統(tǒng)—柴油機(jī)本身會(huì)產(chǎn)生高溫或者火花引燃這些危險(xiǎn)物質(zhì)，產(chǎn)生爆炸，而其中又以排氣系統(tǒng)的廢氣危害最為嚴(yán)重。在這個(gè)安全為生產(chǎn)加工的前提條件的時(shí)代，對(duì)柴油機(jī)的技術(shù)要求就會(huì)越來(lái)越高[1]。隨著現(xiàn)代化采礦技術(shù)的發(fā)展，井下防爆運(yùn)輸設(shè)備將會(huì)成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。因此，研究防爆車輛發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣防爆技術(shù)，對(duì)于國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和實(shí)踐都有很重要的指導(dǎo)意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了一定研究：文獻(xiàn)[2]分析發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管布置形式對(duì)排氣溫度的影響；文獻(xiàn)[3]基于數(shù)值仿真，對(duì)氣體和液體之間的融合換熱過(guò)程進(jìn)行分析；文獻(xiàn)[4]基于CFD分析技術(shù)，對(duì)廢氣處理阻火氣結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以圓弧過(guò)渡代替直角，達(dá)到提高效率的目標(biāo)；文獻(xiàn)[5]對(duì)廢氣處理箱內(nèi)的氣液兩相流熱交換過(guò)程分析，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)防爆工程車輛發(fā)動(dòng)機(jī)總成布置結(jié)構(gòu)，結(jié)合氣液換熱過(guò)程，對(duì)廢氣處理箱進(jìn)行初步設(shè)計(jì)；基于CFD分析阻煙隔板、氣體進(jìn)入速度、初始液面高度等對(duì)廢氣處理箱性能的影響，以液體含氣量作為目標(biāo)值，獲得最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，基于防爆發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架，對(duì)優(yōu)化前后廢氣處理箱的能量消耗進(jìn)行分析，用以檢驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)的可靠性。

2 廢氣處理箱結(jié)構(gòu)

因?yàn)槊旱V井下存在各種可燃性氣體和煤炭、瓦斯等易燃易爆的物質(zhì)，所以防爆車輛發(fā)動(dòng)機(jī)不同于一般發(fā)動(dòng)機(jī)，需要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改裝，考慮到整機(jī)防爆性能，對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、啟動(dòng)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、燃油箱等都要進(jìn)行防爆技術(shù)改裝，使之能在井下安全運(yùn)行[6-7]。防爆車輛發(fā)動(dòng)機(jī)總成結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 防爆車輛發(fā)動(dòng)機(jī)總成圖Fig.1 Explosion-Proof Vehicle Engine Assembly Diagram

從圖可知，防爆發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)主要是由水夾層排氣管、波紋管、廢氣凈化器、阻火器、廢氣處理箱等部分組成。從排氣歧管排出的空氣經(jīng)過(guò)水夾層排氣歧管的冷卻，再經(jīng)過(guò)廢氣凈化器和廢氣處理箱的二級(jí)凈化處理，最后從排氣阻火器消滅火花后排出。廢氣處理箱是尾氣凈化和冷卻的一種裝置，主要有兩種形式，即水洗式廢氣處理箱和干式廢氣處理箱[8]。水洗式廢氣處理箱是指廢氣處理箱內(nèi)部有個(gè)水箱，這個(gè)凈化水箱進(jìn)一步冷卻廢氣，熄滅廢氣中的火焰，消除碳煙及溶解水中的有害氣體。所研究車輛使用的廢氣處理箱，如圖2所示。

圖2 原廢氣處理箱結(jié)構(gòu)Fig.2 Original Waste Gas Treatment Tank Structure

3 基于CFD廢氣處理箱因素分析

3.1 內(nèi)部增加阻煙板

當(dāng)廢氣處理箱內(nèi)部不安裝任何構(gòu)件的時(shí)，高溫?zé)煔鉀_入水箱內(nèi)部，在進(jìn)口處形成空隙，隨著空隙的逐漸擴(kuò)大，氣膜到達(dá)一定程度時(shí)破裂在水箱內(nèi)發(fā)生氣液混合運(yùn)動(dòng)。但是從整體看來(lái)，運(yùn)動(dòng)比較平穩(wěn)，氣體分布不均勻的現(xiàn)象還不是很明顯，這就會(huì)導(dǎo)致氣液混合不均勻，液體不會(huì)起到良好的凈化廢氣雜質(zhì)的作用[9]。安裝阻煙板后三維網(wǎng)格圖，如圖3 所示。模擬時(shí)間從t=0.1s 到t=0.6ss時(shí)刻流動(dòng)形態(tài)，如圖4所示。

圖3 安裝阻煙板三維網(wǎng)格圖Fig.3 Install a Three-Dimensional Grid of Smoke Traps

圖4 煙氣進(jìn)入水池的流動(dòng)形態(tài)Fig.4 Flow Pattern of Flue Gas Entering the Pool

圖中可以看出氣液混合更加劇烈，這是因?yàn)闅怏w從進(jìn)口流入經(jīng)過(guò)小孔流出形成了更為復(fù)雜的氣液混合流動(dòng)，在一定程度上存在著氣體的旋流現(xiàn)象，氣液混合更加劇烈，從而可以推出氣液混合時(shí)水對(duì)于煙氣的凈化效果更加明顯。阻煙板的存在一方面破碎氣泡減小了氣泡的集聚現(xiàn)象一方面能使氣泡通過(guò)分散進(jìn)入液池右側(cè)，在右腔室內(nèi)發(fā)生混合運(yùn)動(dòng)，液體也同時(shí)可以向反向運(yùn)動(dòng)。

內(nèi)部構(gòu)件對(duì)高溫?zé)煔膺M(jìn)入水池水汽混合形態(tài)的影響比較明顯。沒(méi)有內(nèi)部構(gòu)件時(shí)，液池內(nèi)波動(dòng)平緩，液面比較穩(wěn)定。有阻煙板時(shí)，氣液混合更加劇烈，加裝內(nèi)部構(gòu)件的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了氣相與液相之間的相互擾動(dòng)，有效的促進(jìn)了氣泡的破碎和氣液兩相之間的摻混。

內(nèi)部阻煙板均布小孔，使得周圍出現(xiàn)了液相的反折運(yùn)動(dòng)，延緩了氣泡在液池中的運(yùn)動(dòng)速度，延長(zhǎng)了氣體與液體相互混摻的時(shí)間，增強(qiáng)了凈化效果；最后內(nèi)部阻煙板使得含氣量在y方向的分布更加均勻，有利于增加氣液之間的接觸面積，增強(qiáng)傳質(zhì)傳熱。安裝阻煙板前后流速分布圖，如圖5所示。

圖5 安裝阻煙板前后渦流區(qū)放大圖Fig.5 Magnified View of Vortex Area Before and After

圖中可知看出，畫圈區(qū)域?yàn)榫植繙u流矢量場(chǎng)，從圖中可以看出氣液湍動(dòng)流場(chǎng)內(nèi)回流區(qū)的產(chǎn)生與發(fā)生，阻煙板上有很多均勻的小孔，可以破碎水池內(nèi)流動(dòng)的大氣泡，塊狀氣泡在此區(qū)域形成并且破碎，造成氣液兩相在液池內(nèi)產(chǎn)生回流。氣體依靠初速?zèng)_擊液面，氣體的湍流流動(dòng)引起了液體的湍流流動(dòng)，液池同時(shí)可以反折流動(dòng)。從圖中也可以看出，分隔板之間氣液兩相混合流場(chǎng)十分紊亂，相間擾動(dòng)劇烈，促進(jìn)了氣液間的動(dòng)量交換。氣液兩相在構(gòu)件層之間均產(chǎn)生回流，回流作用有利于強(qiáng)化氣液間的混合效果。

如從t=0.1s至t=0.6s時(shí)刻安裝阻煙板前后y方向含氣量對(duì)比圖，如圖6所示。

圖6 含氣量對(duì)比圖（t=0.6s）Fig.6 Gas Content Comparison Chart

在y方向含氣量對(duì)比圖中可以看出從t=0到t=0.6s時(shí)，安裝阻煙板的結(jié)構(gòu)的氣體含氣量在y方向時(shí)，內(nèi)部含氣量大約從0.5420增加到0.5560，整體上呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢(shì)，但是沒(méi)有安裝阻煙板的結(jié)構(gòu)則是從（0.02～0.68）范圍內(nèi)變化，變化趨勢(shì)非常劇烈。

3.2 控制氣體進(jìn)入水池速度

假定所有的外界影響因素不變，初始時(shí)刻靜態(tài)水位取做水池的一半為334mm，改變進(jìn)入水箱內(nèi)部的氣體流速，取氣體流速為10m/s、13m/s、15m/s（原定初始時(shí)刻流速）、17m/s、20m/s，分別模擬出從t=0.1s到t=0.4s時(shí)刻各流速下y方向含氣量的分布圖，如圖7所示。

圖7 t=0.4s各進(jìn)氣流速下時(shí)均含氣量變化圖Fig.7 The Change of Gas Content at Each Inlet Flow Rate t=0.4s

由圖7 的曲線走勢(shì)可以看出，隨著進(jìn)口氣速的增加時(shí)均含氣量逐漸增加，這是因?yàn)殡S著時(shí)間的推移，進(jìn)入水箱系統(tǒng)的氣體逐漸增加，氣體流量的增加使得系統(tǒng)內(nèi)的整體含氣量逐漸增加的緣故；同時(shí)氣體流速的增加使得進(jìn)氣管產(chǎn)生的氣體氣泡直徑增大，可能會(huì)導(dǎo)致液相湍能耗散率的增大，氣液之間的接觸面積增大。

設(shè)定監(jiān)測(cè)線x=200mm（即在水箱系統(tǒng)的中折線處），監(jiān)測(cè)此監(jiān)測(cè)線上的y方向含氣量對(duì)比圖，如圖8（a）所示。t=0.4s整體含氣量隨進(jìn)口流速變化圖，如圖8（b）所示。

如圖8含氣量在監(jiān)測(cè)線y方向分布圖，在這五個(gè)轉(zhuǎn)速下存在一個(gè)交點(diǎn)，含氣量大約在（0.55～0.57）范圍之間，在模擬系統(tǒng)y=250mm處。從圖中可以看出，在氣液平衡位置以下，廢氣處理箱系統(tǒng)內(nèi)的整體含氣量隨著進(jìn)口流速的增加而增加；在氣液平衡位置以上，廢氣處理箱系統(tǒng)內(nèi)的整體含氣量隨著進(jìn)口流速的增加而降低。即較高氣速下上部空間的氣含量低而帶液量增加。液面穩(wěn)態(tài)位置以上，進(jìn)氣流速較高的瞬時(shí)含氣量要小于進(jìn)氣流速較低的瞬時(shí)含氣量。這說(shuō)明：在較高的流速下，池內(nèi)的氣泡尺寸較大，且氣體動(dòng)量較大，液面氣泡破碎濺射的液滴較多，而且能夠更容易被氣體攜帶至上部空間。

圖8 含氣量變化Fig.8 Variation of Gas Content

3.3 初始液體高度

為了研究初始時(shí)刻液位對(duì)整體廢氣處理箱系統(tǒng)水汽兩相含氣量的影響，分別取作初始時(shí)刻液位為195mm、210mm、225mm、240mm、255mm 來(lái)分別模擬對(duì)應(yīng)的初始液位在t=0.4s 時(shí)刻監(jiān)測(cè)線y方向上的含氣量分布，通過(guò)記錄每個(gè)y值處含氣量的值繪制出各初始液位下（t=0.4s）時(shí)刻處的其含量變化曲線，如圖9所示。

圖9 不同初始液位下y方向含氣量分布Fig.9 Distribution of Gas Content at Different Initial Level

從圖中得到結(jié)論：隨著初始液位高度的增加，在氣液平衡位置以上隨著初始液位的增加，對(duì)應(yīng)y值下的含氣量逐漸下降，對(duì)應(yīng)y值下的含氣量卻逐漸上升。分析原因如下：氣體通過(guò)進(jìn)氣管進(jìn)入液池內(nèi)，液位增加肯定會(huì)導(dǎo)致進(jìn)氣管在液池內(nèi)的浸沒(méi)深度增加，從而增加了氣體穿越液池的深度。

3.4 優(yōu)化結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)以上分析，對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，如圖10所示。采用廢氣凈化器和水稀釋廢氣處理箱的二級(jí)凈化方式，從而達(dá)到理想的廢氣凈化結(jié)果。

圖10 新型廢氣處理箱裝配圖Fig.10 New Exhaust Gas Treatment Tank Assembly

同時(shí)，在廢氣進(jìn)入水箱箱體之前安裝有防爆柵欄，防爆柵欄利用間隙隔爆原理消滅火星，從而在進(jìn)入廢氣處理箱箱體之前消滅火花，所以減少了箱體的制造加工難度和精度。在整體布局上，箱內(nèi)隔板將箱體內(nèi)部分為兩個(gè)腔室，進(jìn)氣口腔室和排氣口腔室。隔板上均勻密布小孔，水汽通過(guò)隔板小孔實(shí)現(xiàn)箱體內(nèi)的循環(huán)流動(dòng)。進(jìn)氣管壁面開消音孔，出口處設(shè)有用于破碎氣泡的網(wǎng)篩結(jié)構(gòu)，進(jìn)氣管下部設(shè)有擋水柱，減少了箱體底部的承壓能力，避免了高溫廢氣直射入箱體底部對(duì)箱體的損壞，提高了壽命。所述廢氣處理箱被中間隔板劃分為左腔室和右腔室，右腔室主要包括了進(jìn)氣系統(tǒng)部分。主要由一級(jí)進(jìn)氣管、底部擋水柱、一級(jí)逆流管、套管等組成。一級(jí)進(jìn)氣管做成是消音器，主要用于消滅噪音。底部擋水柱安裝在正對(duì)一級(jí)進(jìn)氣管的箱體底部防止高溫?zé)煔庵苯記_擊箱體底部。

4 廢氣處理箱試驗(yàn)測(cè)試

防爆柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)使用防爆柴油機(jī)本體及水力測(cè)功機(jī)搭建起來(lái)的一個(gè)功率扭矩測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)。

測(cè)功機(jī)是用于測(cè)試柴油機(jī)、汽油機(jī)、電動(dòng)機(jī)、汽輪機(jī)等各種動(dòng)力機(jī)械有效的設(shè)備，同時(shí)也是動(dòng)力機(jī)動(dòng)力特性試驗(yàn)以及各類傳動(dòng)機(jī)械試驗(yàn)中的測(cè)試設(shè)備。試驗(yàn)臺(tái)，如圖11所示。打開進(jìn)水閥，改變進(jìn)、排水閥開度，調(diào)節(jié)測(cè)功機(jī)工作腔中的水環(huán)厚度，注意在測(cè)功機(jī)工作過(guò)程中，要保持進(jìn)水量不能間斷。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況穩(wěn)定時(shí)，使發(fā)動(dòng)機(jī)按照100rpm的轉(zhuǎn)速遞減，直到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1300rpm，記錄每個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)的負(fù)荷。

圖11 防爆柴油機(jī)臺(tái)架結(jié)構(gòu)圖Fig.11 Structure of the Explosion-Proof Diesel Engine Bench

通過(guò)安裝原設(shè)計(jì)和新設(shè)計(jì)方案，獲得發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和扭矩輸出，如圖12所示。

圖12 兩種方案對(duì)比Fig.12 Comparison of the Two Schemes

通過(guò)功率和扭矩對(duì)比圖可以知道，在試驗(yàn)所測(cè)的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，新方案的功率扭矩＞原設(shè)計(jì)方案柴油機(jī)功率扭矩，與原方案相比，新方案的發(fā)動(dòng)機(jī)在最大功率點(diǎn)功率上升了4.0%，在最大扭矩點(diǎn)扭矩上升了1.4%，這說(shuō)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案在滿足防爆要求的同時(shí)，有利于提升發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。

5 結(jié)論

基于CFD對(duì)初步設(shè)計(jì)的廢氣處理箱進(jìn)行影響因素分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在試驗(yàn)臺(tái)架上對(duì)比優(yōu)化前后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出特性影響，結(jié)果可知：

（1）廢氣處理箱內(nèi)增加阻煙板，可以改變氣體流動(dòng)的路徑，增加旋流，使得發(fā)動(dòng)機(jī)排放的廢氣和液體混合的更為充分和劇烈，效果更好；

（2）隨著進(jìn)氣流速的增加，液體的含氣量降低，箱體上部的液體更多，液體更容易通過(guò)進(jìn)氣口進(jìn)行反流，因此需要增加擋水板；

（3）當(dāng)箱體內(nèi)的初始液位比較高時(shí)，廢氣和液體混合的更加充分，液體的含氣量更高，而過(guò)高的液面則容易造成外濺，因此需要增加水浮進(jìn)行控制；

（4）與原方案相比，新方案的發(fā)動(dòng)機(jī)在最大功率點(diǎn)功率上升了4.0%，而最大扭矩上升了1.4%，這說(shuō)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案在滿足防爆要求的同時(shí)，有利于提升發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。