箱式气体混合器混合性能数值计算

郭秀荣,安帅霖,Ha Khanh Hop,毕崇盛,杨 潇,徐岳峰，梁继国

(1.东北林业大学 机电工程学院， 哈尔滨 150004； 2.吉林省辉南森林经营局， 吉林 通化 135100)

气体混合器作为等离子体净化器的关键前处理装置，其混合效果与各组分气体浓度的分布是混合器实现其功能的关键[1]。常见的气体混合器主要采取特殊的几何形状使流体产生横向或无序流动从而达到混合目的[2]。目前，国内外诸多研究部门逐步开展了气体混合性能的数值模拟工作。数值模拟是将质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、组分输运方程等结合起来建立数学模型，确定边界条件，划分计算网格，建立离散方程，计算机求解的一类较为系统的重要研究方法[3]。

国内外许多学者对气体混合领域做过较深入的研究。裴凯凯等[4]利用Fluent软件对乙苯脱氢装置中气-气快速喷射混合器进行了仿真研究；吴民权等[5]研究了动量比及结构参数对混合效果的影响，且研制了一种气体混合器，以此实现了气体的迅速、高效混合。Sroka和Forne[6-7]提出了较简单的弯管以及T型管混合器；Maruyama等[8]通过实验验证了双喷嘴喷射混合器与单喷嘴喷射混合器在达到相同混合效果时，双喷嘴混合器的喷嘴长度是单喷嘴混合器喷嘴长度的一半；Giorges等[9]在对多种类型的喷嘴喷射混合器的研究过程中发现，混合器的喷嘴数量越多，其混合效果越好。针对气体混合器的混合性能研究主要集中在气体的混合效率和混合均匀性上[10-15]。

本文以箱式气体混合器为研究对象，在特定浓度的组分气体工况下，分析箱体内部气体混合的浓度分布与流速分布规律，进而探究箱式气体混合器的混合性能，并根据数值计算结果提出改进方案，为箱式气体混合器的研制与设计提供借鉴。

1 数学模型

气体混合是一个较为复杂的过程，由于箱体内部各组分气体之间存在对流扩散，需要结合Maxwell-Stefan扩散模型进行阐明。该模型以3种气体中的2种气体的质量分数来求解整个气体扩散与混合的过程，其中第3种气体的质量分数ω由另外2种给出。方程如下[16-17]：

R-(ρu·▽ω1)

(1)

R-(ρu·▽ω2)

(2)

ω3=1-ω1-ω2

(3)

式中：D为扩散系数；R为热力学常数；p为压力；T为温度；u为速度；x为物质的量；ω为质量分数。3种气体组成的混合气体密度ρmix是平均混合物摩尔分数Mmix的函数，可由下式求得[18]：

(4)

(5)

参与混合的O2、N2、NO摩尔质量分别为0.032 kg/mol、0.028 kg/mol、0.03 kg/mol，由于3种气体间的摩尔质量存在差异，进而气体间会产生相互扩散的对流通量，从而气体间存在对流流动速度，基于Maxwell-Stefan扩散模型，气体稳定扩散过程中，气体之间的对流流动速度可由下式表示[19]：

(6)

式中：ndiff,3是空气的扩散质量通量。

2 箱式气体混合器混合性能的数值模拟分析

2.1 箱式气体混合器结构形式与功能介绍

图1为箱式气体混合器的结构示意，箱体上分别设置有O2进气口、N2进气口、NO进气口及出气口，箱体内部为规则形状的六面体结构。各组分气体由所设进气口以一定流量进入箱式气体混合器，并在箱体内部对流扩散，形成稳定的混合气体流动，实现气体混合。

图1 箱式气体混合器的结构示意图

2.2 数值计算模型的建立

通过UG软件内置的布尔运算模块，抽取箱式结构内部流体域，形成可用于精准分析流动特性的有限元模型。对所述流体模型划分四面体网格，网格划分结果如图2所示。网格单元数量53万左右，最小网格质量0.3以上。

图2 网格划分结果

2.3 气体混合的数值计算及结果分析

2.3.1N2、NO混合

在O2、N2、NO进气口流量分别为0 mL/min、2 000 mL/min、0.6 mL/min的条件下对箱式气体混合器进行数值计算。

图3为N2的浓度分布；图4为NO的浓度分布， NO的浓度主要集中在其进气口所在的管道附近，在箱体内部并无明显分布；N2正好与其相反，除NO的进气口附近外，N2的分布几乎充满了整个箱体。

图3 N2的浓度分布

图4 NO的浓度分布

图5为箱式气体混合器流速分布，NO的进气流量相对于N2的进气流量较少，因此流入的N2会形成一条明显的火焰状射流，径直流向出气口，这是因为流量连续性条件决定了两组分气体进入箱体的流速差异，进而引起N2在箱体内部形成近乎射流的流动状态。

图5 箱式气体混合器流速分布

2.3.2O2、N2、NO混合

在O2、N2、NO进气口流量分别为500 mL/min、2 000 mL/min、0.6 mL/min的条件下对箱式气体混合器进行数值计算。

图6为O2的浓度分布；图7为N2的浓度分布；图8为NO的浓度分布，增加了O2的混合气体，对NO的浓度影响很小，但对N2的浓度影响较为明显，相比于图3中接近1的N2浓度，图7中N2的浓度在0.7左右；图6中O2的浓度在0.3左右，说明部分空间被O2所占据。

图6 O2的浓度分布

图7 N2的浓度分布

图8 NO的浓度分布

图9为箱式气体混合器流速分布，增加O2后相比于图5，箱体内的N2无法径直流出箱体，而是在箱体内部形成一段流速梯度较大的流域，可有效增加N2在箱体内的滞留时间，提高气体混合的均匀性。

图9 箱式气体混合器流速分布

3 内插扰流片型箱式气体混合器混合性能的数值模拟分析

3.1 内插扰流片型箱式气体混合器结构形式与功能介绍

根据上述的研究结果可知，气体混合性能与混合气体的进气量、混合器的结构形式密切相关，当O2为0 mL/min时，N2会以如图5所示的射流形式直接流出箱体，N2与其他气体无法有效接触，导致气体混合不均匀。如图10所示为内插扰流片型箱式气体混合器的结构示意图，通过对箱式气体混合器进行结构改进来提高混合性能，由文献[20]可知，扰流片可使流体在流动过程中的流动状态发生改变，故在箱体内部交错布置扰流片1和扰流片2，旨在形成一定阻碍作用，使得混合气体形成局部回流，进而提高混合器的混合性能。

图10 内插扰流片型箱式气体混合器的结构示意图

3.2 数值计算模型的建立

对内插扰流片型箱式气体混合器的流体域划分网格，针对扰流片与进气口处进行局部网格细化处理，网格划分结果如图11所示。网格单元数量约为58万，最小网格质量0.3以上。整个数值模拟条件与箱式气体混合器保持一致。

图11 内插扰流片型箱式气体混合器网格划分

3.3 气体混合的数值计算及结果分析

3.3.1N2、NO混合

在O2、N2、NO进气口流量分别为0 mL/min、 2 000 mL/min、 0.6 mL/min的条件下对内插扰流片型箱式气体混合器内部气体混合过程进行可视化模拟。

图12为N2浓度分布；图13为NO浓度分布，相比于图3、图4，内插扰流片型箱式气体混合器箱体内的N2浓度和NO浓度分布并无明显变化。这是因为NO的浓度约为N2的浓度的0.03%，该结构的改进对NO的浓度影响很小。

图12 N2浓度分布

图13 NO浓度分布

图14为内插扰流片型箱式气体混合器流速分布，相对于图5，N2并不会径直流出箱体，而会在扰流片的阻碍作用下形成小范围的偏转回流，进一步增加气体混合的效率和均匀性。

图14 内插扰流片型箱式气体混合器流速分布

3.3.2O2、N2、NO混合

在O2、N2、NO进气口流量分别为500 mL/min、 2 000 mL/min、0.6 mL/min的条件下对内插扰流片型箱式气体混合器内部气体混合过程进行可视化模拟。

图15为O2浓度分布；图16为N2浓度分布；图17为NO浓度分布，相比于图6、图7、图8， NO的浓度变化几乎可以忽略，由于扰流片的阻碍作用， N2和O2均出现了局部浓度增加的区域，由此提高了混合器的混合效率和混合均匀性。

图15 O2浓度分布

图16 N2浓度分布

图17 NO浓度分布

图18为内插扰流片型箱式气体混合器流速分布，相比于图9，由于扰流片的阻碍作用，N2进气管下游区域出现了明显的回流和扰流现象，且回流气体主流为N2，偏向NO进气管一侧，使得NO与N2的接触几率增加，从而提高气体混合的效率和均匀性。

图18 内插扰流片型箱式气体混合器流速分布

4 结论

1) 相对于N2的浓度，NO的浓度较低，几乎可以忽略不计，因此NO集中分布在进气管道附近。

2) 内插扰流片型箱式气体混合器相对于箱式气体混合器，其箱体内部增设的扰流片使混合气体的主流形成一定的回流区域，偏转向下的回流可以与NO接触，偏转向上的回流与O2充分接触，增加了混合气体的混合效率与均匀性。

3) 对箱式气体混合器结构的改进不仅有利于提高箱式气体混合器的混合性能，而且为该形式的气体混合器设计提供了借鉴。