基于流场分析的煤焦化储罐集气罩结构优化.pdf
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1、第41卷第2期2024年3月新疆大学学报(自然科学版中英文)Journal of Xinjiang University(Natural Science Edition in Chinese and English)Vol.41,No.2Mar.,2024基于流场分析的煤焦化储罐集气罩结构优化郭 涛1,朱博韬1,王雅玲2,张治宁2,张亚新1,郭 皓1(1.新疆大学 化工学院,新疆 乌鲁木齐 830017;2.新疆中泰化学股份有限公司,新疆 乌鲁木齐 830026)摘要:集气罩是一种用来进行气体收集的装置,为研究煤焦化储罐集气罩结构对其内部流场的影响,采用计算流体力学(CFD)中的FLUENT软
2、件模拟了开口角度为60、90和120的锥形开口、开口弧度为30、45和55的弧形开口以及末端加装高度为50 mm、100 mm和150 mm的扩压罩时,集气罩内部的流场变化规律 结果表明:开口为弧形、开口弧度为45且末端加装高度为100 mm扩压罩的集气罩内部流场分布更均匀,具有更小的出口速度和更少的配风量 通过对不同开口角度、不同开口弧度及加装不同高度的扩压罩后集气罩内部流场特性的分析表明,改变开口形式和末端加装适当高度的扩压罩能大幅减小集气罩的配风量关键词:集气罩;数值模拟;流场分析;结构优化;配风量DOI:10.13568/ki.651094.651316.2023.03.23.0002
3、中图分类号:TQ051.1文献标识码:A文章编号:2096-7675(2024)02-0236-010引文格式:郭涛,朱博韬,王雅玲,张治宁,张亚新,郭皓 基于流场分析的煤焦化储罐集气罩结构优化J 新疆大学学报(自然科学版中英文),2024,41(2):236-245.英文引文格式:GUO Tao,ZHU Botao,WANG Yaling,ZHANG Zhining,ZHANG Yaxin,GUO Hao Structureoptimization of gas-collecting hood of coal coking storage tank based on flow field a
4、nalysisJ Journal of XinjiangUniversity(Natural Science Edition in Chinese and English),2024,41(2):236-245Structure Optimization of Gas-Collecting Hood of Coal CokingStorage Tank Based on Flow Field AnalysisGUO Tao1,ZHU Botao1,WANG Yaling2,ZHANG Zhining2,ZHANG Yaxin1,GUO Hao1(1.School of Chemical Eng
5、ineering,Xinjiang University,Urumqi Xinjiang 830017,China;2.Xinjiang Zhongtai Chemical Co.Ltd.,Urumqi Xinjiang 830026,China)Abstract:The gas-collecting hood is a device for gas collection.In order to investigate the influence of gas-collecting hood structure of coal coking tank on its internal flow
6、field,the FLUENT software in computational fluiddynamics(CFD)was applied to simulate the changes of the flow field in the gas-collecting hood with the openingangles of 60,90 and 120,the changes of the flow field in the gas-collecting hood with the opening radians of30,45 and 55,and the changes of th
7、e flow field in the gas-collecting hood with the pressure diffuser hoodheights of 50 mm,100 mm and 150 mm.The results show that the internal flow field of the gas-collecting hood withthe opening form of arc shape,the opening radians of 45 and the pressure diffuser hood heights of 100 mm aremore unif
8、orm,which has a smaller outlet speed and less air quantity.According to the analysis of the internal flowfield characteristics of different opening angles,different opening radians and the installation of different heights,it indicates that through changing the opening form and installing the diffus
9、er hood with appropriate height cangreatly reduce the air quantity of the gas-collecting hood.Key words:gas-collecting hood;numerical simulation;flow field analysis;structural optimization;air quantity收稿日期:2023-03-23基金项目:新疆维吾尔自治区重点研发任务专项“新疆煤化工行业VOCs和颗粒物协同控制关键技术研发”课题3“重点工段VOCs与颗粒物协同治理技术开发及示范”(2022B03
10、029-3)作者简介:郭涛(1996),男,硕士生,从事环境催化及环保设备内部结构及流场模拟优化的研究,E-mail:通讯作者:张亚新(1964),男,教授,博士生导师,主要从事设备数值模拟与化工过程强化的研究,E-mail:第2期郭 涛,等:基于流场分析的煤焦化储罐集气罩结构优化2370引 言煤焦化行业储罐区域(罐区)产生的废气中含有大量危害生态环境和人类健康的挥发性有机污染物(VOCs),其浓度远超国家行业排放标准的几十倍甚至上百倍13 罐区废气主要来源于储罐的呼吸损失,即在储罐顶部呼吸阀处发生的大、小呼吸逸散47 针对储罐呼吸阀处的废气收集,目前普遍使用的是直接收集法810 该方法将收集
11、管道直接连接到呼吸阀出口处进行废气的抽出,这种直抽的工况会加剧罐内液体的挥发,导致实际废气收集量增多,同时上述VOCs浓度也会增加,不利于后期废气净化处理1113 徐琴琴14针对储罐呼吸阀处排放废气的问题提出了一种高效经济的新型收集方式,即在呼吸阀排放口处设置一个集气罩对呼吸阀产生的废气进行收集 这种收集方式能够减缓罐内液体的挥发,进而减少废气收集量12 配风量和压力损失是集气罩的重要性能参数,由于传统的集气罩存在内部流场分布不均匀的现象,从而导致集气罩配风量大,压力损失也大,而通过优化流场分布减少配风量有利于后期VOCs的集中净化处理 影响流场分布的最主要因素是集气罩的结构1516,但目前关
12、于VOCs废气收集系统中集气罩的结构形式对流场分布影响的研究仍然较少本研究以煤焦化储罐集气罩为研究对象,利用CFD中的FLUENT模块,对集气罩内部废气流场分布进行数值模拟计算,并在入口气体流量、管道尺寸及罩口尺寸给定的情况下,获得了集气罩内部速度场和压力场的分布,研究了不同开口角度、不同开口弧度及加扩压罩后对集气罩内部废气流场的影响 数值模拟结果为该装置的实际工程应用提供理论参考依据1集气罩的数值模拟1.1几何模型模拟对象为一个传统的集气罩(上吸罩),使用ANSYS中SpaceClaim模块建立的集气罩三维模型见图1,具体参数见表1下端为气流入口,直径500mm,上端为气流出口,直径200
13、mm,工作时气流沿y轴正方向 集气罩的设计吸气量为0.035 m3/s,控制点处最大控制风速1.11 m/s,入口气体流速为0.12m/s 罩口的开口(扩张)角度120,罩体材质为2mm厚的薄钢板,整个罩体位于呼吸阀正上方,罩口与呼吸阀之间垂直距离为100 mm 计算区域为整个集气罩内部图 1集气罩三维物理模型表 1集气罩参数模型参数参数值模型参数参数值罩口尺寸500 mm最大控制风速1.11 m/s出口尺寸200 mm罩口开口角度()120入口速度0.12 m/s罩体厚度2 mm设计吸气量0.035 m3/s罩口与呼吸阀垂直距离100 mm1.2网格划分和网格无关性验证在ANSYS Work
14、bench中使用Mesh模块对计算区域进行网格划分,并对边界层进行网格加密处理,初步划分后的网格模型如图2所示 此时网格尺寸为10 mm,总的节点数为39 794,网格数量为127 563 为保证计算精度,使用6 mm、8 mm、10 mm、12 mm和14 mm五种网格尺寸对网格进行加密细化处理,不同网格尺寸对应的网格数量见表2 不同网格尺寸集气罩内轴向速度分布的模拟结果如图3所示,可以观察到网格尺寸对模拟结果影响较小 减小网格尺寸后轴向速度基本不变,对计算结果影响微弱 由于网格尺寸越小,计算精度越高,对计算能力的要求也会随之增大,从而导致计算速度降低17 因此为了在保证计算精度的同时提高计
15、算效率,决定采用尺寸为10 mm的网格进行后续工作238新疆大学学报(自然科学版中英文)2024年图 2集气罩网格划分示意图和局部放大图表 2网格尺寸与数量表网格尺寸/mm68101214网格数量397 913201 730127 56382 78857 8041.3数值模拟可行性分析数值模拟与理论计算分别获取的集气罩内不同轴向高度的速度分布如图4所示,从图4中可以观察到理论计算和数值模拟结果吻合程度较好,说明本研究中数值模拟是可行的图 3不同网格数量对轴向速度分布的影响图 4数值模拟可行性分析1.4数学模型为简化问题,数值模拟时作出如下设定:1)集气罩内气体视为不可压缩等密度均质流体18;2
16、)集气罩内气体是连续定常流动;3)忽略入口处横向气流的影响;4)集气罩气密性良好,不考虑漏风影响1.4.1控制方程凡是流体流动都要遵守质量守恒、动量守恒和能量守恒三大物理守恒定律,而控制方程可对三大守恒定律进行数学描述19CFD是在控制方程的基础上,对流动进行数值模拟,从而获得复杂流场中速度和压力等参数的分布201)质量守恒方程(连续性方程)t+div(u)=0(1)div(u)=uxx+uyy+uzz(2)该方程可解释为:单位时间内流体微元中增加的质量与流入微元的质量是相等的 其中,为密度;t为时间;u为速度矢量2)动量守恒方程(Navier-Stokes方程,即N-S方程)(u)t+div
17、(uu)=px+xxx+yxy+zxz+Fx(3)第2期郭 涛,等:基于流场分析的煤焦化储罐集气罩结构优化239(v)t+div(vu)=py+xyx+yyy+zyz+Fy(4)(w)t+div(uw)=pz+xzx+yzy+zzz+Fz(5)该方程可解释为:流体微元中的动量变化率是作用于该微元上的各种力之和 其中,p为微元体上的压力;xx、xy和xz等是作用于微元体表面上的黏性应力的分量;Fx、Fy和Fz是微元体上的体力本研究中集气罩的内部流场不涉及与空气的热量交换,故不考虑能量守恒,因此能量守恒方程在此处不作介绍1.4.2湍流的数值模拟方法湍流的数值模拟方法分为直接数值模拟和非直接数值模拟
18、两种,其中直接数值模拟方法通过对质量守恒方程、动量守恒方程及能量守恒方程进行数值计算来直接进行求解 利用直接数值模拟方法进行数值模拟时,由于瞬时N-S方程是一个非线性方程,对其进行直接求解存在较大的难度21 因此,就目前的计算能力而言,该方法不太适用从工程实际角度考虑,只需要知道湍流流场内的某些特定信息就可以解决存在的问题,这也就使得求解流场内所有细节的重要性下降,而且在实际应用中,更看重的是湍流流动所带来的整体变化2223鉴于以上考虑,可以选择放弃求解瞬时N-S方程,转而尽可能地求解时均化N-S方程,即通过某种模型将瞬态的脉动量在时均化方程中体现出来 因此,产生了雷诺平均法,其核心是尽可能地
19、对时均化的N-S方程进行求解2425 该方法克服了直接数值模拟法计算量大的缺点,虽然在计算的准确性上稍微差一些,但并不影响其在工程实际中的应用21 因此,本研究采用该方法进行数值模拟1.4.3湍流模型的选择采用雷诺平均法进行数值模拟时,时均化雷诺方程中多出了雷诺应力项,导致了控制方程不封闭,因此需要用湍流模型来封闭雷诺方程18 根据Chen26和Speziale等27的研究,标准k-模型作为典型双方程模型,具有精度高、稳定性强和经济性好等特点,已经广泛应用于科学研究,且在工程实践中得到了可靠的检验结果2829因此本研究采用标准k-模型:(k)t+(kUi)xi=xi+tkkxi+Gk+Gb(6
20、)()t+(Ui)xi=xi+txi+C1kGkC2k(7)式中:k为湍流动能,此处取为1;为湍流耗散率,此处取为1.3;t为涡黏性,t=Ck2/;Gk和Gb为湍流动能k的产生项;C、C1和C2为经验参数,此处分别取为0.09、1.44和1.921.5数值模拟由于集气罩的安装限制,在不改变安装高度和罩口尺寸的情况下,集气罩入口处的开口角度、开口弧度及末端处是否加扩压罩都对其内部流场分布具有较大影响12 因此,为了分析结构参数对集气罩内部流场特性的影响,数值模拟中设置了三种不同的方案,通过对不同方案中不同结构数值模拟结果分析,得到一种内部流场分布均匀、配风量最少且压力损失最小的集气罩结构方案一:
21、不同开口角度 该方案集气罩为传统的锥形开口,设置了三种不同开口角度,分别为60、90、120(该角度对应图1中的)图 5弧形开口加扩压罩结构简图方案二:不同开口弧度 该方案是在方案一的基础上,将集气罩开口形式改为弧形,设置了三种不同开口弧度,分别为30、45、55(该角度对应图5中的)240新疆大学学报(自然科学版中英文)2024年方案三:末端加不同高度的扩压罩该方案是在方案二的基础上,在集气罩末端加装不同高度的扩压罩,设置了三种不同高度,分别为50 mm、100 mm、150 mm(该高度对应图5中的H)应用SIMPLE算法对控制方程进行离散和求解 选择空气作为流动介质(密度为1.225 k
22、g/m3,黏度为1.789105Pas)流体入口采用速度入口边界条件,入口流速为0.12 m/s,流体出口选用压力出口边界条件,出口压力为-5 Pa(表压),壁面采用静止无滑移边界条件,粗糙高度为0 mm,粗糙度常数默认为0.5 坐标原点取集气罩入口中心处,集气罩末端尺寸统一取为200 mm,如图1所示2数值模拟结果与讨论数值模拟所得数据见表3 可以看出将集气罩开口形式改为弧形并加装适当高度的扩压罩后能有效减少配风量和降低压力损失,说明改变集气罩结构起到了优化流场分布的作用表 3数值模拟数据集气罩结构出口速度/(m/s)配风量/(m3/h)减少率/%压力损失/Pa锥形开口600.8494.92
23、4.10.43锥形开口900.8393.825.00.47锥形开口1200.8697.222.20.57弧形开口300.7888.229.40.40弧形开口450.7583.833.00.39弧形开口550.7583.833.00.39弧形开口加50 mm扩压罩0.7083.932.90.34弧形开口加100 mm扩压罩0.6476.838.60.29弧形开口加150 mm扩压罩0.6982.733.80.33注:未使用该装置时配风量为125 m3/h,表中减少率为相对于该值的配风量减少率2.1开口角度对集气罩内部流场的影响模拟得到不同开口角度集气罩内部速度分布云图如图6(ac)所示 当开口角
24、度为60时,集气罩内部速度分布较为均匀,随开口角度增大,由于流动截面快速缩小导致流速瞬间增大,由此产生了速度分布不均匀的现象,尤其是当开口角度为120时,速度分布最不均匀 因此从速度分布均匀程度考虑,应选择开口角度为60的集气罩图 6开口角度(a)60(b)90(c)120速度分布云图,开口角度(d)60(e)90(f)120压力分布云图为探究集气罩出口处的速度分布,提取出口平面径向速度分布如图7(a)所示,可以观察到,当开口角度为60和90时,从边缘到中心速度逐渐增大并趋于平稳,说明出口速度分布均匀;但是当开口角度为120时,从边缘到中心速度先增大后减小,这是由于流动截面快速缩小导致流速瞬间
25、增大,当流动截面不再发生变化时流速缓慢降低并趋于平稳,因而速度波动较大,导致出口速度分布不均匀 经计算,获得开口角度为60、90、120对第2期郭 涛,等:基于流场分析的煤焦化储罐集气罩结构优化241应的出口平均速度分别为0.84 m/s、0.83 m/s、0.86 m/s,对应集气罩的配风量分别为94.9 m3/h、93.8 m3/h、97.2m3/h 由以上计算结果可以看出,开口角度为90的集气罩具有最少的配风量93.8 m3/h,比未使用该装置时减少了25.0%因此从配风量的角度考虑,应该选择开口角度为90的扩压罩模拟得到不同开口角度集气罩内部压力分布云图如图6(df)所示,为探究集气罩
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