新型乙醇汽油防靜電混合器數(shù)值模擬研究*

沈濤 趙會軍 呂孝飛 龐海明

(1.常州大學(xué)江蘇省油氣儲運技術(shù)重點實驗室 江蘇常州 213164；2.常州大學(xué)石油工程學(xué)院 江蘇常州 213164)

0 引言

目前我國乙醇汽油采用的是管線調(diào)配方式，乙醇和其他組分油在混合前通過管輸方式分別獨立輸送至混配器中，然后在混配器中將乙醇和其他組分油按照一定比例進(jìn)行混合， 最后將充分混合的乙醇油品裝入罐車進(jìn)行外輸。由于在調(diào)配過程中乙醇汽油形成靜電積聚，通過鶴管裝車時存在靜電放電，導(dǎo)致燃爆事故的可能性有一定程度的增大。根據(jù)生產(chǎn)資料統(tǒng)計，靜電是引發(fā)國內(nèi)多起乙醇汽油裝車過程火災(zāi)事故的主要原因[1-2]。

李亮亮等[3]、劉全楨等[4]、于格非[5]、馬清鵬等[6]通過對乙醇汽油靜電特性的研究發(fā)現(xiàn)：由于乙醇的電導(dǎo)率遠(yuǎn)高于汽油的電導(dǎo)率，乙醇與汽油摻混不充分會使混合油品中存在不均勻的電位層，從而導(dǎo)致混合油品具有一定的潛在靜電風(fēng)險；在乙醇與汽油混合過程中，乙醇分子與汽油分子及混合器管壁之間會產(chǎn)生無規(guī)律摩擦，導(dǎo)致靜電的產(chǎn)生，并且混合油品的流速、摩擦的劇烈程度以及混合器的材質(zhì)與產(chǎn)生的靜電電壓成正相關(guān)。

針對靜態(tài)混合器的流場特征和混合特性已有較多研究[7-9]，但隨著生產(chǎn)需求和技術(shù)的不斷提高，靜態(tài)混合器的應(yīng)用范圍也在不斷拓寬，當(dāng)下的研究難免存在一定的局限性，尤其是關(guān)于乙醇與汽油這兩種互溶流體混合過程的研究還較少。本文設(shè)計了一種新型乙醇汽油防靜電混合器，在混合器內(nèi)部添加一組螺旋葉片，可以使組分進(jìn)行充分的摻混。采用組分輸運模型和Realizek-ε模型，在湍流條件下模擬乙醇與汽油在新型混合器中和在簡單的T型管混合器中的混合，比較混合器中各組分濃度分布、壓力分布、速度分布的差異性，研究乙醇與汽油在不同結(jié)構(gòu)混合器中的混合效果，并根據(jù)現(xiàn)有的關(guān)于靜電特性的研究，分析新型乙醇汽油防靜電混合器對靜電特性的影響。

1 模型建立及網(wǎng)格劃分

1.1 物理模型

本文設(shè)計了一種帶有螺旋葉片(2個葉片按交叉式排列)的新型乙醇汽油防靜電混合器，結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，汽油入口管徑為100 mm，乙醇入口管徑為40 mm，螺旋葉片總長為340 mm,混合器總管道長度為576 mm。為探究螺旋葉片與混合器內(nèi)各組分混合效果的關(guān)系，對無葉片的T型管混合器也進(jìn)行了數(shù)值分析，其結(jié)構(gòu)尺寸如圖1(b)所示。

(a)新型混合器

1.2 網(wǎng)格劃分

采用ICEM對混合器內(nèi)部流域進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，并針對葉片周圍流域網(wǎng)格進(jìn)行加密，如圖2所示。對網(wǎng)格體積進(jìn)行檢查，其中98%的網(wǎng)格體積高于0.90，基本滿足計算精度要求。

(a)新型混合器

2 數(shù)學(xué)模型及計算

2.1 數(shù)學(xué)模型

采用組分輸運模型模擬混合器內(nèi)乙醇汽油的流動混合情況，滿足連續(xù)性方程及動量方程，湍流模型采用Realizek-ε模型?？刂品匠探M具體如下：

連續(xù)性方程：

(1)

式中，ρ為流體密度，kg/m3；t為時間，s；ui為各方向的速度分量，m/s。

動量方程：

(2)

式中，ρ為流體密度，kg/m3；ui為各方向的速度分量，m/s；p為壓力，Pa；fi為單位體積力，N/m3；τxi、τyi、τzi為黏性應(yīng)力分量，Pa。

組分輸運方程：

(3)

式中，ρ為流體密度，kg/m3；t為時間，s；i為流體種類；Yi為流體各組分體積分?jǐn)?shù)。

湍流方程：

(4)

(5)

式中，k為湍流動能，J；ε為湍流耗散率；μ為湍流粘度，Pa·s；σt和σε為湍流普朗特數(shù)；Gk為平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動能，J；C1、C1ε、C2ε為常量。

2.2 數(shù)值計算方法及邊界條件

汽油及乙醇入口均設(shè)為速度入口，汽油入口流速為1.2 m/s，乙醇入口流速為0.9 m/s；出口邊界條件為壓力出口，壁面定義為固壁，滿足無滑移條件。汽油密度為730 kg/m3，黏度為0.003 32 Pa·s；乙醇密度為790 kg/m3，黏度為0.001 2 Pa·s。

采用SIMPLE算法進(jìn)行求解，穩(wěn)態(tài)計算，方程對流項均使用二階迎風(fēng)格式離散，近壁處理使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

3 計算結(jié)果分析及討論

由于汽油屬于低電導(dǎo)率物質(zhì)，較易產(chǎn)生和積聚靜電。而乙醇的電導(dǎo)率遠(yuǎn)高于汽油的電導(dǎo)率，乙醇和汽油在混合器中摻混越均勻，靜電積聚的風(fēng)險越小。針對無葉片的T型管混合器與加裝螺旋葉片的新型混合器進(jìn)行數(shù)值模擬，比較混合器內(nèi)各截面濃度場、速度場、壓力場，討論乙醇汽油在摻混過程中引發(fā)靜電的風(fēng)險，并對新型乙醇汽油防靜電混合器的特性進(jìn)行分析。

3.1 混合器流場特征

T型管混合器內(nèi)的流線如圖3所示。乙醇與汽油從不同入口進(jìn)入混合器中，由于速度方向及大小不一致，在交叉處(x=0 mm)匯合后，速度發(fā)生劇烈變化(兩種不同速度流體在交叉口混合后發(fā)生動量交換)，如圖4所示。由于乙醇汽油粘度較大，其與管壁所產(chǎn)生的摩擦力較大，這也是混合器內(nèi)部整體呈中間流速快、管壁接觸面流速慢現(xiàn)象的原因。在出口處(x=468 mm)速度還未趨于穩(wěn)定，如圖4(b)所示，大大增加了油品靜電積聚的風(fēng)險。

圖3 T型管混合器內(nèi)速度流線

(a) x=0 mm (b) x=468 mm

新型乙醇汽油防靜電混合器內(nèi)的流線如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，乙醇與汽油以不同速度分別從不同入口進(jìn)入混合器時，在葉片附近產(chǎn)生了旋流。整體流域各截面速度分布如圖6所示，在乙醇與汽油剛開始混合 (x=0 mm) 時，由于內(nèi)置螺旋葉片固定在混合器內(nèi)部管壁上，不會發(fā)生位移，所以乙醇及汽油依靠初始動能繼續(xù)進(jìn)行流動混合；經(jīng)過第一組螺旋葉片 (x=190 mm) 時，由于葉片的阻礙，乙醇汽油混合物會被分為兩股，繞著葉片的兩側(cè)進(jìn)行方向相反(上下)的旋轉(zhuǎn)混合運動。由于新型乙醇汽油防靜電混合器內(nèi)的螺旋葉片為90°旋轉(zhuǎn)交替呈周期性，且左右螺旋葉片對流體的混合作用相同，當(dāng)經(jīng)過第二組螺旋葉片 (x=350 mm) 時，經(jīng)過第一組螺旋葉片所形成的乙醇汽油混合物再次被切割，同樣進(jìn)行方向相反的旋轉(zhuǎn)運動；到混合器出口處(x=468 mm)時，乙醇汽油的速度基本穩(wěn)定，且混合器出口截面上速度分布較為均勻。將新型乙醇汽油防靜電混合器與T型管混合器的內(nèi)部流場進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)新型乙醇汽油防靜電混合器內(nèi)部各組葉片都對流體產(chǎn)生剪切、分割、混合等作用，使得乙醇與汽油混合更加快速、高效。

圖5 新型混合器內(nèi)速度流線

(a)x=0 mm (b) x=190 mm (c) x=350 mm (d) x=468 mm

3.2 濃度分布

T型管混合器內(nèi)部流體體積分?jǐn)?shù)如圖7、圖8所示。可以看出，由于混合器內(nèi)部無旋流結(jié)構(gòu)，乙醇與汽油在混合時存在明顯的分層現(xiàn)象，并在出口處仍存在管道上半部汽油體積分?jǐn)?shù)高、下半部汽油體積分?jǐn)?shù)低的現(xiàn)象，如圖8(b)所示，混合器出口流體混合不均勻，加大了靜電積聚的風(fēng)險。

圖7 T型管混合器xy截面汽油體積分?jǐn)?shù)

新型乙醇汽油防靜電混合器內(nèi)的乙醇汽油體積分?jǐn)?shù)如圖9、圖10所示。可以看出,在乙醇與汽油接觸處有明顯的乙醇汽油濃度分布界線，說明兩種流體之間沒有進(jìn)行混合；隨著乙醇和汽油流動到葉片邊緣相遇時，不同流體分子開始交互混合；由于乙醇與汽油在第一個葉片相遇時，兩種流體的分子濃度差值最大，因此乙醇與汽油的混合效果最為強(qiáng)烈和明顯，并且存在兩種流體交錯分層的場景；在第二個葉片時，兩種流體經(jīng)過較為充分的混合，不再維持分層現(xiàn)象，并在出口處得到混合充分的流體。在出口處，油品的體積分?jǐn)?shù)趨于一致，得到混合均勻的乙醇汽油，可以有效減少靜電積聚。

(a)x=0 mm (b)x=468 mm

圖9 新型混合器xy截面汽油體積分?jǐn)?shù)

(a)x=0 mm (b) x=190 mm (c) x=350 mm (d) x=468 mm

3.3 壓力分布

新型乙醇汽油防靜電混合器與T型管混合器內(nèi)xy截面壓力分布如圖11、圖12所示。

圖11 新型混合器xy截面壓力分布

圖12 T型管混合器xy截面壓力分布

可以看出，新型乙醇汽油防靜電混合器在入口處壓力最大，流動過程能量損耗，從入口到出口壓力逐漸減小，油品入口壓力約4 000 Pa，出口壓力約-1 000 Pa，壓力差約5 000 Pa。相較于T型混合器(入口壓力約400 Pa，出口壓力約-200 Pa，壓力差約600 Pa)，壓力損失明顯。由此看出，通過增大流體流動方向的阻力和增大新型乙醇汽油防靜電混合器內(nèi)的壓力降，可強(qiáng)化混合器內(nèi)部乙醇與汽油的混合。同時考慮到實際情況，5 000 Pa的壓力差遠(yuǎn)小于一個大氣壓，新型乙醇汽油防靜電混合器的流動狀態(tài)為湍流且葉片數(shù)少，因此整體壓力損耗較小，能耗成本較低。

4 結(jié)論

對新型乙醇汽油防靜電混合器及無葉片T型管混合器的內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值分析，獲得了乙醇與汽油在不同結(jié)構(gòu)混合器中的混合效果，得出以下結(jié)論：

(1)新型混合器中，乙醇、汽油兩種流體的流速大小和方向時刻變化，并且兩種流體在葉片兩側(cè)以不同的方向旋轉(zhuǎn)流動；隨著乙醇與汽油的混合流動，最終兩種流體速度保持一致且逐漸平穩(wěn)。由于新型混合器的流動狀態(tài)為湍流且葉片數(shù)少，因此整體壓力損耗較小，能耗成本較低。

(2)乙醇汽油在新型混合器中的混合，通過螺旋葉片對流體做反復(fù)多次的切割、旋轉(zhuǎn)，使流體充分接觸混合，其中第一個葉片對整個強(qiáng)化作用最為顯著，之后呈下降趨勢；在經(jīng)過第二個葉片后，乙醇汽油體積分?jǐn)?shù)分布均勻且基本保持不變，乙醇汽油的速度趨于穩(wěn)定，說明新型混合器對乙醇汽油具有較好的混合效果，可有效降低乙醇汽油靜電積聚的風(fēng)險。