基于CFD數值模擬的雙螺旋提升裝置浮射流特性仿真及排風罩設計*

劉陽昊， 武珊珊， 于金寧，張昌運，孫 迪

(中石化安全工程研究院有限公司，山東青島 266104)

0 前言

在工業(yè)生產中，許多工藝存在含有污染物的浮射流無組織逸散問題，從而引起高溫物料所攜帶蒸汽向外逸散，向周圍環(huán)境中揮發(fā)大量的有毒污染物和熱量，造成現場環(huán)境不佳且危害作業(yè)人員身體健康。對于局部裝置含高溫污染物捕集問題，排風罩是控制工業(yè)建筑中浮射流的最直接、最有效的手段。近年來，國內外學者對工業(yè)環(huán)境內局部裝置的污染物逸散特性和上部排風罩的應用設計進行了研究[1]。例如，孫一堅[2]針對熱羽流問題提出了污染物排風罩的設計方法，并將設計的排風罩在卷煙廠、焊接車間等進行工業(yè)應用，取得了較好的捕集效果。郭建中等[3]對含有污染物的等溫射流上部排風罩的物理參數與捕集效率之間的關系進行了研究。黃艷秋、王怡等[4]對煉鐵廠擺動流嘴生產過程中的高溫煙氣進行了流場特性分析，基于CFD仿真結果設計了局部排風罩并進行優(yōu)化設計，為實際工程應用提供了理論依據。由于現場裝置測試條件限制，不宜動態(tài)監(jiān)測污染物變化過程，故通過理論分析并借助CFD模擬等手段，對工業(yè)建筑內污染物分布進行研究，掌握其逸散規(guī)律及影響其捕集效果的主要原因，并且提出合理有效的改進方案，能為項目改造提供參考依據[5]。

本文針對橡膠生產后處理工序中雙螺旋提升軌道內產生的高溫污染物浮射流無組織逸散、且無局部捕集裝置的問題，采用數值模擬的方法對既有工況下氣流流場進行模擬，根據模擬結果和現場實際情況給出3種捕集優(yōu)化設計方案，并進行比對分析,為后期工程實踐提供了理論依據。

1 問題分析

雙螺旋提升機是橡膠生產后處理車間傳輸順丁橡膠顆粒的重要設備，由2個不同旋向的斜齒組成雙螺旋圓柱。該設備物料運輸是靠傳輸機有規(guī)律地振動，將烘干后的橡膠顆粒由下而上送至傳送帶處，在此過程中，橡膠顆粒因自身攜帶高溫余熱及有毒污染物質，經現場實測，雙螺旋提升裝置軌道局部溫度50 ℃以上，且現場未設置局部通風及捕集設施，導致作業(yè)環(huán)境較差。經現場取樣檢測，該區(qū)域生產工藝產生的污染物主要成分為正己烷，并含有少量丁二烯、環(huán)己烷、水汽、順丁橡膠微細固體膠沫等成分，其中正己烷、丁二烯和環(huán)己烷均有毒性并帶有刺激性氣味，被人體吸入后造成慢性中毒，威脅作業(yè)人員身體健康，因此，對該裝置污染物逸散問題進行局部捕集治理勢在必行。

2 數值模擬計算方法

為獲得提高雙螺旋排風罩捕集效率的方法，采用計算流動動力學(CFD)方法對浮射流散發(fā)溫度場、速度場、壓力場及濃度場進行數值模擬分析。

2.1 數學模型

流體流動的控制方程包括質量守恒方程(連續(xù)性方程)、動量方程及能量守恒方程[10-12]。

2.1.1 連續(xù)性方程

連續(xù)性方程如式(1)：

(1)

式中：ρ——流體密度，kg/m3；

t——時間，s；

ux、uy、uz——流體沿x、y、z方向上的速度分量，m/s。

2.1.2 動量方程

動量方程如式(2)：

(2)

式中：p——流體微元體上的壓力，Pa；

f——單位質量力，m/s2；

θ——黏度系數。

2.1.3 能量方程

能量方程如式(3)：

(3)

式中：cp——比熱容，J/(kg·K)；

T——溫度，K；

K——流體的傳熱系數；

ST——流體的內熱源及由于黏性作用流體機械能轉換為熱能的部分，簡稱為黏性耗散項，J。

2.1.4 湍流模型及組分運輸模型

工程案例計算中應用最廣泛、最基本的湍流模型為RNGk-ε模型和Realizablek-ε模型，其中RNGk-ε模型適合高Re數的湍流計算模型，當Re數比較低時，使用標準k-ε模型就會出現問題。相比之下，Realizablek-ε模型能夠更好地表現工程中旋轉流動、強逆壓梯度的邊界層流動、流動分離、強流線彎曲、漩渦和旋轉等問題[9-11]。本文的湍流模型選用Realizablek-ε模型，以更平穩(wěn)、更精確地反映工業(yè)中的氣流運動狀態(tài)。對于壁面處采用壁面函數處理，動量、能量、湍動能等參數采用二階迎風差分格式，對壓力與速度的非耦合采用SIMPLE算法求解。

2.2 物理模型

2.2.1 原有系統(tǒng)物理模型及網格劃分

為研究雙螺旋裝置污染物隨浮射流逸散特性，對未設排風罩下原有系統(tǒng)局部結構進行簡化后，利用SCDM構建物理模型，并建立外部流體域。使用ICEM軟件對該模型進行非結構網格劃分，并對雙螺旋裝置散發(fā)表面采用局部網格加密處理，以兼顧計算效率和結果的準確性，網格總數為744 000，進行網格無關性驗證，以證明結果可靠性。

2.2.2 邊界條件設定

雙螺旋結構處非散發(fā)表面均設置為壁面，壁面溫度Te為333 K，施加無滑移固體邊界條件并設置為絕熱，垂直于壁面上的壓力梯度為0，采用標準壁面函數；雙螺旋結構圓柱上表面即為散發(fā)面，設置為污染物浮射流散發(fā)速度入口邊界，浮射流初始溫度T0設置為340 K，初始速度為1.2 m/s，為垂向浮射流；計算域邊界速度和壓力均未知，設定為壓力出口。

3 裝置既有狀態(tài)下浮射流特性分析

3.1 浮射流速度、溫度模擬結果分析

圖1為雙螺旋結構處含污染物浮射流溫度、速度三維云圖，由圖1(a)速度云圖可以看出，兩雙螺旋裝置污染物氣流均總體呈現垂直向上運動的趨勢，少量氣流沿螺旋圓柱體向四周逸散，由圓形表面初始向上散發(fā)的速度很小，但隨著浮射流流程的增大，兩雙螺旋裝置浮射流速度開始匯聚到中心軸線處進行疊加，原因為受到浮升力加速作用與卷吸作用引發(fā)，使得浮射流速度在兩裝置中心線一定流程高度處逐漸增大。在浮射流高度斷面內，速度也呈現正態(tài)分布，并由軸心向周圍衰減。此外，由圖1(b)溫度云圖可以看出，雙螺旋軌道散發(fā)表面由于承載高溫物料運動，溫度較高，最高處可達62 ℃，但隨著垂直向上沿程不斷的卷吸，主流質量增大，熱流體與周圍卷吸進來的空氣進行熱量交換，根據傳遞的熱量守恒，使得溫度在雙螺旋裝置上方呈遞減的趨勢，當卷吸到飽和時，溫度值趨于穩(wěn)定。

3.2 污染物濃度模擬結果分析

圖2為原系統(tǒng)雙螺旋裝置處丁二烯、環(huán)己烷和正己烷的濃度分布三維云圖，可以看出3種污染物氣流總體運動趨勢差別不大，在溫差造成的熱浮升力影響下，污染物氣流同時具有垂直向上部空間運動的趨勢，這可能是污染物濃度分布與溫度分布呈現相似的原因之一。因雙螺旋結構散發(fā)特性，污染物氣流沿軸心橫向逃逸顯著。圖3(a)表示3種污染物濃度最大值均出現在雙螺旋結構正上方，與圖2污染物濃度分布一致。圖3(b)、(c)分別表示散發(fā)源上方的壓力為正值，且原系統(tǒng)雙螺旋處的速度分布曲線與污染物濃度分布曲線趨于一致，污染物跟隨廠房內的氣流流動。以上結果表明原雙螺旋工藝處污染物逸散嚴重且分布范圍較大，存在較大的污染暴漏風險和職業(yè)安全隱患，亟需設置局部排風裝置對污染物進行有效控制，且優(yōu)先考慮頂部排風罩。

圖1 雙螺旋結構處含污染物浮射流溫度、速度三維云圖

4 排風罩方案設計及捕集效率比對

4.1 排風罩結構模型及模擬條件設置

根據雙螺旋裝置工藝特點及污染物逸散特性，考慮原有系統(tǒng)3類污染物隨浮射流均有向上散發(fā)的趨勢，在該雙螺旋裝置區(qū)域上方增設排風頂吸罩。本文設計了3種不同結構的捕集罩，設定總風量Qe為18 m3/s、安裝高度H(排風罩罩口距離雙螺旋圓柱散發(fā)表面的垂直距離)為0.5 m，通過數值模擬分析3種結構在該工況下的浮射流污染物的捕集情況。

圖3 原系統(tǒng)雙螺旋處中軸線污染物質量分數、壓力及速度分布曲線

3種排風罩的結構設計方案物理模型如圖4所示：方案1設計為單頂吸排風罩(圖4(a))，罩口為2.0 m×4.8 m的矩形，面積為9.6 m2，罩體高為1.2 m。方案2在方案1的基礎上改變排風罩的罩口形式，在雙螺旋裝置對應的正上方形成2個環(huán)形風口，罩口其余部分封閉(圖4(b))。此外，在罩體內正中處增設導流板，引導污染物隨氣流從環(huán)形罩口吸入后向正上方罩口排出，防止污染物進入罩體內向四周逸散。單個環(huán)形罩口的面積約為2.3 m2，罩體頂部罩口的面積為0.64 m2，導流板高度為0.6 m。方案3將單頂吸罩改分為雙頂吸罩，并分別置于2個螺旋結構的正上方(圖4(c))。雙頂吸罩形狀、大小均相同，罩口為2.0 m×2.0 m的矩形，面積為4.0 m2，罩體高1.2 m，單個頂吸罩風量為9 m3/s，總風量為18 m3/s。

方案模型網格劃分方法與原系統(tǒng)網格劃分方法相同，對裝置散發(fā)表面及排風罩罩口進行局部網格加密處理，3種方案模型的網格數量分別為270 000，912 000，740 000，進行網格無關性驗證。增設排風罩后，計算邊界條件與原系統(tǒng)大致相同，湍流計算模型及算法與未設排風罩時計算方法保持一致。

4.2 不同方案模擬結果比對分析

分別對3種方案排風罩內流場情況進行模擬研究，得到3種方案排風罩布置下流場溫度及速度云圖如圖5～7所示?？梢悦黠@看出，在雙螺旋結構上方增加排風罩有效控制了溫度的影響區(qū)域，影響了浮射流的空間分布。相比之下，方案1排風罩內抽風速度分布較方案2差，方案2排風罩內增設的內部導流板能夠合理的組織罩體內空氣流場的分布。導流板主要起到兩方面的作用：①擋板能使浮射流貼附其表面流動，浮射流主體隨沿程高度的增加半徑不斷減小，向擋板方向發(fā)生偏移，擋板越長，貼附效應形成得越早，越有利于吸附浮射流的走向；②擋板能夠減少浮射流對周圍空氣的卷吸量，提高排風罩捕集效率。

圖4 雙螺旋結構頂吸罩計算模型

浮射流污染物捕集問題的關鍵因素在于排風罩內壓力的分布，在排風罩設計過程中，罩頂內的壓力值是重要指標[12]。正壓值越大，浮射流污染物逃逸情況就越嚴重，相反，如果在排風罩頂內形成負壓狀態(tài)，可消除氣流的無組織逸散現象。圖8為3種方案排風罩作用下雙螺旋裝置中軸線上的壓力分布曲線，可以看出3種方案罩口處的壓力為負值，保證了罩口處從外向里進風并防止污染物向外逸出，方案1和方案3所能達到的負壓值更大。相同風量作用下，方案2形成的負壓值明顯大于方案1，說明排風罩進風口面積減小，可以保證通風氣流與浮射流疊加作用后在罩頂內形成相對負壓狀態(tài)，因此，減小排風罩罩口面積可作為優(yōu)化排風罩結構設計的途徑之一。

圖5 增設方案1排風罩后雙螺旋結構處溫度、速度三維云圖

圖6 增設方案2排風罩后雙螺旋結構處溫度、速度三維云圖

圖7 增設方案3排風罩后雙螺旋結構處溫度、速度三維云圖

圖8 雙螺旋提升裝置中軸線壓力分布曲線

由模擬結果，同樣得到3種方案作用下，風量18 m3/s時雙螺旋裝置中軸線上3種主要污染物濃度分布曲線，如圖9所示?？梢钥闯?，增設排風罩后，3種主要污染物濃度值較未設排風罩時明顯降低，污染物集中于排風罩罩口(X軸線坐標為6～8 m處)被捕集。對各方案排風罩罩口處和雙螺旋裝置結構污染物散發(fā)面處各取2 000個均勻分布的點，導出罩口和散發(fā)面處3類污染物的濃度值并計算出平均值和捕集效率，得到3種方案對于丁二烯(C4H6)、環(huán)己烷(C6H12)和正己烷(C6H14)3種主要污染物的捕集效率分別為：方案1：78.85%，67.86%，74.64%；方案2：79.12%，73.37%，75.38%；方案3：78.85%，67.86%，74.64%。

圖9 雙螺旋提升裝置中軸線污染物濃度分布曲線

4.3 風量對方案捕集效率的影響

局部排風罩通過風機在罩內形成負壓抽風，以實現對含污染物浮射流的捕集，因此，風量的控制是影響污染物捕集效率的重要因素，合適的風量既能提高對浮射流的捕集效率，還可減少通風系統(tǒng)能源消耗，根據3.2節(jié)數值模擬得到3種方案作用下丁二烯、環(huán)己烷和正己烷在雙螺旋處中軸線上濃度分布曲線，采用相同的方法模擬計算了各優(yōu)化方案在3，6，10，14，8 m3/s 5個工況下的捕集效率，并將計算結果繪制曲線如圖10所示。

圖10 3種方案對三類污染物的捕集效率與設計風量的關系曲線

由圖10可得，3種方案對于3種主要污染物的捕集效率η均隨著風量Qe的增大而提高，但在風量達到一定值時捕集效率均出現拐點，之后隨著風量的增加捕集效率基本持平。對于丁二烯和環(huán)己烷的捕集，方案2和方案3效果明顯優(yōu)于方案1；方案2對于3種污染物的捕集均能在風量為Qe=6 m3/s時達到最大捕集率，但方案3對于3種污染物質的捕集達到最大捕集率所需要的風量遠遠大于方案1和方案2；從節(jié)能的角度來考慮，排風量越大，風機的能耗也就越高；因此，綜合考慮捕集效果和能源消耗，選定方案2作為最佳排風罩設計方案，排風量Qe確定為6 m3/s,即21 600 m3/h，此工況下對于3種污染物的捕集效率分別為80.05%，70.20%，69.80%。

5 結論

針對廠房內部雙螺旋提升裝置浮射流捕集問題，提出了適用于含高溫污染物浮射流分析的數值模型，通過數值模擬分析發(fā)現：

a) 原雙螺旋裝置污染物逸散嚴重，浮射流具有垂直向上部空間運動的趨勢，且沿螺旋軌道向四周散發(fā)，受溫差造成的浮升力的影響，污染物濃度和溫度呈現相同的分布，因此對于雙螺旋提升裝置浮射流的捕集優(yōu)先考慮頂吸罩。

b) 增加排風罩的排風量可以在一定程度上提高捕集效率，當風量達到一定值時捕集效率均出現拐點，之后隨著風量的增加捕集效率基本持平，從節(jié)能的角度來看排風量增大是有限的。但在罩內增設導流板可以使浮射流貼附其表面流動，同時減少浮射流對周圍空氣的卷吸，從而提高捕集效率。

c) 針對該廠房雙螺旋提升裝置，提出了3種捕集方案，最優(yōu)方案能在排風量6 m3/s條件下，對3種主要污染物的捕集效率分別達到80.05%，70.20%，69.80%，為工程實踐提供了理論依據。