基于文丘里喷嘴对滤芯反吹效果影响的数值模拟研究

李彩霞 尤 超 张立峰 西部宝德科技股份有限公司 西安 710201

目前，电厂、化工、冶金等几种特定的行业里都会应用到过滤器，包括增压流化床燃烧联合循环发电技术PFBC和新一代煤气化联合循环发电技术IGCC等在内的先进洁净煤技术，都需要过滤技术作支撑，防止含尘气体进入燃气轮机，引起燃气轮机叶片的磨损，影响燃气轮机叶片的寿命及工作效率。当过滤设备运行一段时间后，滤芯外侧会累积大量的灰尘，影响过滤器的性能，这就需要使用反吹系统定时或不定时地去清理。文丘里喷嘴作为反吹系统的主要零部件，其性能优劣对于反吹系统是否能正常发挥作用是至关重要的，因此，明确文丘里喷嘴的结构参数对喷吹性能的影响是亟待解决的问题。

随着计算机水平和计算流体力学分支的发展，数值模拟技术由于费用低、使用简单方便、能提供结构内部的具体流动状况等优点，已经被广泛应用到各领域中[1-2]。通过流体力学计算，可以模拟反吹气体经过文丘里喷嘴的流动过程，能够有效地探究文丘里喷嘴各部分结构参数对反吹性能的影响，从而大大减少研发费用，且可以得出具有指导性意义的结论。目前，文丘里喷嘴的设计和研发都是基于实验和经验，由于受商业机密的限制，很多石油化工工业上使用的文丘里喷嘴结构还未公诸于众。而喷嘴内部流动情况非常复杂，实验的方法又无法取得突破性的进展，而数值模拟技术刚好可以避免工业操作条件的束缚，成为研究文丘里喷嘴性能的重要工具。

北京理工大学的张艳芳、李玉平[3]通过应用文献中的压降计算公式，研究了文丘里除尘器管内压降随喉管长度变化的关系，应用William Licht推荐的捕集效率模型来计算除尘效率，并进一步研究了除尘效率随喉管长度变化而变化的趋势。西北农林科技大学的孙艳琦、牛文全[4]通过CFD的方法，研究了文丘里施肥器的结构参数对局部水头损失系数以及吸肥比的影响。然而，之前关于文丘里喷嘴的研究并没有涵盖文丘里喷嘴各部分的结构参数对其除尘性能的影响，也缺乏对其除尘方面的性能进行系统的研究。本文以氮气为工质，采用了数值仿真的方法，研究文丘里管在反吹除尘方面的性能，得到其结构参数对反吹性能的影响规律。

1 理论基础

1.1 基本控制方程

解决流动问题，FLUENT是通过求解质量和动量守恒方程来实现的。如果是湍流问题，还有相应的输运方程需要求解，下面给出基本控制方程[5]。

（1）连续性方程：

（2）动量守恒方程：

1.2 湍流模型

当流速增大到一定程度，会发生湍流现象。湍流是一种很不稳定的流动现象，内部各点存在速度波动，这使得流体介质之间相互交换动量、能量，同时各点的浓度也在发生变化。由于这种波动是小尺度且是高频率的，所以在实际工程计算中，如果直接模拟，采用对计算机的要求会很高，通常可采用统计平均的手段来简化问题，从而降低对计算机的要求。但是，简化后的方程可能包含未知的变量，湍流模型需要用已知变量来确定这些未知变量。湍流模型基本上可以分为以下三类：①湍流输运系数模型；②建立湍流应力和其它二阶关联量的输运方程，抛弃了湍流输运系数的概念；③大涡模拟。本文采用的是标准k－ε方程，是最简单完整的湍流模型，是两方程的模型，适用范围非常广。

标准k－ε模型的湍动能k和耗散率ε方程为如下形式：

式中，Gk为平均速度梯度引起的湍动能，Gb为指浮力引起的湍动能，YM为可压湍流脉动膨胀造成的总的耗散率，C1ε=1.4，C2ε=1.92，C3ε=0.09，σk=1.0，σε=1.3。

2 文丘里喷嘴的数值模拟

2.1 计算模型

反吹结构包括文丘里喷嘴和滤芯两个主要部件，具体的连接结构见图1。

图1 文丘里喷嘴和滤芯的连接结构

本文的主要研究对象是文丘里喷嘴，分别探究文丘里喷嘴的入口处是否有直边段H、入口锥角的角度α、喉管段的直径d和长度L以及出口扩口的半径R对滤芯反吹效果的影响。文丘里喷嘴的结构图见图2。

图2 文丘里喷嘴的结构

通过改变上述各参数，来研究各结构参数对出口气速的影响，进而得出对反吹效果的影响。各个参数的取值范围见表1。

表1 各参数取值表

2.2 求解策略

采用标准的k－ε模型来模拟喷嘴及滤芯内的流动情况。关于网格的划分问题：采用的是非结构化网格来离散几何模型的计算区域，再考虑边界层给流动和换热带来的影响。设置边界条件时，将入口设置为速度入口，出口设置为压力出口。反吹介质采用0.45 MPa、50 ℃的氮气，定义当残差绝对值小于10-3，计算结果收敛。

3 结果与分析

3.1 网格无关性

为了研究网格数量与文丘里喷嘴喷吹性能之间的关系，分别使用200万~800万等七套网格来进行模拟分析，以入口流速u=20 m/s为基准进行计算。网格数量对文丘里喷嘴的喷吹性能的影响见图3。

图3 出口气速与网格数量的关系图

从图中可以看出，随着网格数量的增加，出口气速趋于平稳，呈一条近似水平的直线，计算所得出口气速最大相差2.4%，即文丘里喷嘴的喷吹性能与网格的划分无关；当网格数量达到400万时，此时计算结果已经趋于稳定，计算量也不算太大，因此，最终选用该套网格。

3.2 各因素对文丘里喷嘴喷吹性能的影响

3.2.1 入口速度对文丘里喷嘴喷吹性能的影响

分别计算入口速度为20 m/s及40 m/s两种情况下文丘里喷嘴内反吹气体的流动情况。入口速度对喷吹性能的影响见图4。文丘里横截面处的速度云图见图5。

图4 入口速度对喷吹性能的影响

通过对比计算数据发现，经过文丘里喷嘴的提速，反吹气在文丘里喷嘴的喉管段速度达到最大值，然后气速开始逐渐减小。在入口速度为20 m/s时，气体在喉管处的最大气速可达到75 m/s，在到达距离入口0.8 m的位置，气速减小到20 m/s，在距离入口4 m的出口处，气速减小到15 m/s；在入口速度为40 m/s时，气体在喉管处的最大气速可达到150 m/s，在到达距离入口0.8 m的位置，气速减小到40 m/s，在距离入口4 m的出口处，气速减小到35 m/s。且反吹气在出口面的中心区域速度最大，沿着径向速度逐渐减小。

3.2.2 文丘里管各结构参数对喷吹性能的影响

（1）通过建立入口处有直边段（H=19 mm）和没有直边段（H=0 mm）两种文丘里喷嘴模型来探究入口处有无直边段对喷吹性能的影响，计算结果表明：入口处有无直边段对文丘里喷嘴的喷吹效果影响不大。直边段对喷吹性能的影响图见图6。

（2）通过建立三种不同入口角度的文丘里喷嘴模型，来探究入口段的角度对喷吹性能的影响，计算结果表明：入口段的张角越小，喷吹范围略远，但是影响程度不大。入口锥角对喷吹性能的影响图见图7。

图7 入口锥角对喷吹性能的影响

（3）通过分别建立三种不同喉管直径的文丘里喷嘴模型，来探究喉管段的直径对喷吹性能的影响，计算结果表明：喉管段的直径越小，喷吹性能越好，具体体现在喉管段的直径越小，反吹气体在喉管段的速度峰值越大。喉管直径对喷吹性能的影响图见图8。

图8 喉管直径对喷吹性能的影响

（4）通过分别建立三种不同喉管长度的文丘里喷嘴模型，来探究喉管段的长度对喷吹性能的影响，计算结果表明：喉管长度越短，喷吹范围略远，但是影响程度也不是不大。这是由于喉管长度越短，反吹气体在喉管处受到的阻力越小，相应的反吹气体最终的喷吹范围就越远。喉管长度对喷吹性能的影响图见图9。

图9 喉管长度对喷吹性能的影响

（5）通过建立三种不同出口扩口半径的文丘里喷嘴模型，来探究文丘里喷嘴的出口扩口半径对喷吹性能的影响，计算结果表明：出口扩口半径越小，喷吹气体速度衰减的越慢。出口扩口半径对喷吹性能的影响图见图10。

图10 出口扩口半径对喷吹性能的影响

4 结语

通过对不同入口速度及不同结构参数下的文丘里喷嘴进行数值模拟研究，得出如下结论：

（1）反吹气体经过文丘里的提速在喉管处速度达到峰值，是入口速度的3.75倍。

（2）在一定的范围内，喉管直径越小，反吹气在文丘里喉管处的峰值越大。

（3）喉管长度越短，反吹气体的喷吹范围越远。

（4）渐缩段锥角越小，反吹气体的喷吹范围越远。

（5）出口卷边的半径越小，喷吹气体在一定的范围内速度衰减越慢。

（6）入口处是否有直边、喉管段的长度对喷嘴的喷吹性能影响不大。