張家元 張加楠 田萬一

(中南大學能源科學與工程學院 湖南長沙410083)

鼓風式環(huán)冷機是燒結(jié)礦冷卻工序中普遍應(yīng)用的設(shè)備，國內(nèi)外許多學者對其冷卻過程及余熱回收利用進行了大量研究［1-5］，但對其密封部件關(guān)注較少。而環(huán)冷機密封性能的好壞直接關(guān)系到燒結(jié)礦冷卻效率及余熱利用率［6-7］。傳統(tǒng)密封性能差，漏風嚴重，導(dǎo)致環(huán)冷機冷卻能力下降，風機能耗高，環(huán)冷機故障率增加［8-10］。最新型的液密封環(huán)冷機采用液體作為其動密封環(huán)節(jié)的介質(zhì)，能實現(xiàn)漏風率降低5%以內(nèi)的密封效果，相比傳統(tǒng)鼓風環(huán)冷機接近30%漏風率，是一個巨大的提升［11］。

但是，新型液密封環(huán)冷機在運行過程中，特別是風機啟停時會出現(xiàn)液面強烈波動甚至激起水花，水花被高速氣流帶入臺車，嚴重影響燒結(jié)礦的質(zhì)量。另外，若液面的上下波動過于劇烈，出現(xiàn)液面低于側(cè)面擋板底部時，風會從底部向外泄漏，同時引起水溢出，使密封失效，環(huán)冷機無法正常工作。

由于液密封環(huán)冷機應(yīng)用時間較短，國內(nèi)外相關(guān)研究少，為保證液密封穩(wěn)定運行，亟需了解各參數(shù)變化對液密封的影響。基于VOF方法在氣液兩相流研究中被廣泛應(yīng)用［12-15］，本文將以 VOF為主要研究方法，對環(huán)冷機啟動時液密封的進口風速、出口壓力、水槽液位、初始狀態(tài)設(shè)定幾種工況，借助計算機仿真技術(shù)，對不同工況進行模擬，并以保證液密封更平穩(wěn)運行為目的，提出液密封最佳運行參數(shù)組合。

1 模型的建立

1.1 物理模型

1)圖1是環(huán)冷機液密封部分的三維模型，下部方形管道是與風機連接的進風口，上部圓管為液密封出風口，與臺車相連。由于臺車以半徑20m做環(huán)形運動，出風口亦會跟著移動，速度為0.03m/s左右。圖2為液密封的斷面圖，環(huán)形風道的內(nèi)、外液封是由環(huán)形液槽和懸吊的門型密封板組成。內(nèi)環(huán)槽與環(huán)形風道連通，外環(huán)槽與大氣連通。液槽高度0.9m，門型密封板距離液槽底0.1m，內(nèi)外環(huán)槽槽寬0.15m。

圖1 環(huán)冷機液密封結(jié)構(gòu)

圖2 液密封截面圖

2)在對風道內(nèi)空氣流動進行三維模擬中，由于液密封環(huán)冷機上部臺車環(huán)形運動速度非常緩慢，所以不考慮出口移動的影響，并對物理模型做以下簡化:

(1)環(huán)冷機啟動工況穩(wěn)定，在計算時間內(nèi)，各操作參數(shù)均為恒定值，沒有波動變化;

(2)研究對象為空氣流經(jīng)區(qū)域，故固體壁面看作無滑移邊界，靠近壁面處的邊界層采用標準壁面函數(shù)處理;

(3)進口空氣馬赫數(shù)Ma＜0.3，可視為不可壓縮流體。流場內(nèi)空氣密度不隨壓強、溫度差異變化。

1.2 數(shù)學模型

控制方程采用以速度和壓力為變量的不可壓縮粘性流體的Navier-Stokes方程和連續(xù)性方程:

式中 ρ—密度;

U—流速矢量;

t—時間;

p—壓力;

μ—動力粘性系數(shù);

F—體積力，包括重力和表面張力的作用。湍流模型采用標準k-ε模型，其中湍動能為k，耗散能為ε，其k方程與ε方程分別為:

其中:

式中湍流黏性系數(shù)μt= ρCμk2/ε，Cμ、Cε1、Cε2、σk、σε均為 k- ε 方程中的常數(shù)，分別取值為0.09、1.44、1.92、1.0、1.3，δij為克羅內(nèi)克數(shù)。

采用VOF方法實現(xiàn)對氣液兩相流界面的追蹤，體積分數(shù)函數(shù)αq定義為單元內(nèi)第q相流體所占有體積與該單元的體積之比。即若αq=1，則表示單元內(nèi)全部為第q相流體;若αq=0，則說明單元內(nèi)沒有第q相流體;若0＜αq＜1，則該單元為交界面單元。對于本文，由于只有氣液兩相，故q=1或2。

1.3 邊界條件

根據(jù)環(huán)冷機液密封的工作原理來看，模型邊界有以下幾個部分:氣體入口、與大氣連通的外環(huán)槽口、壁面、氣體出口。對于氣體入口，采用速度流量入口邊界條件;對于與大氣連通的外環(huán)槽口，采用壓力入口邊界條件;認為壁面處的流體速度為0，即無滑移壁面邊界條件;對于出口，采用壓力出口邊界條件。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 單因素影響分析

利用已建立的計算模型，針對影響水槽液面波動的4個主要參數(shù):進口風速、出口壓力、水槽液位、初始狀態(tài)，在其他參數(shù)值不變的情況下，研究單一參數(shù)對液面波動過程的影響規(guī)律。其中水槽液位指風機未開啟時水槽的液面高度，初始狀態(tài)指的是環(huán)冷機啟動時門型擋板振動導(dǎo)致的初始液面波動高度。本計算以環(huán)冷機液密封實際初始運行工況為基準工況，相應(yīng)的操作參數(shù)分別為:進口風速20m/s，出口壓力3600Pa，水槽液位0.5m，初始狀態(tài)0.03m。

1)進口風速

不同進口風速條件下內(nèi)槽液面最高和最低值隨時間變化曲線如圖3和圖4所示。

圖3 風速對液面最高值的影響

由圖3和圖4可知，進口風速越大，內(nèi)槽液面最高值越大，但均隨時間增加而迅速減小;而不同速度條件下液面最低值的曲線基本重合，即液面最低值的變化基本相同，說明液面最低值變化受進口風速的影響較小。內(nèi)槽液面最低值的曲線均呈現(xiàn)先下降后上升再下降的趨勢，并最終將趨于一水平直線。而不同速度條件下液面最高值的曲線則明顯不同，風速越大，液面波動越劇烈，說明進口風速更多影響氣液兩相界面，對液位的影響較小。

圖4 風速對液面最低值的影響

2)出口壓力

不同出口壓力條件下內(nèi)槽液面最高和最低值隨時間變化曲線如圖5和圖6所示。

圖5 出口壓力對液面最高值的影響

圖6 出口壓力對液面最低值的影響

由圖5和圖6可知，在0.7s前，不同出口壓力條件下曲線基本重合，即內(nèi)槽初始液面在不同壓力下基本相同。但在0.7s之后，液位高度差表現(xiàn)出輕微不同，即此時出口壓力不同對于液面高度不產(chǎn)生影響。這是因為液槽上方的空氣流速受密封液體阻擋而減小，動壓轉(zhuǎn)化為靜壓。不同出口壓力的空氣在內(nèi)槽上方的靜壓不同，則內(nèi)槽液位表現(xiàn)出不同的高度。因此出口壓力更多影響液位，而對氣液兩相界面幾乎沒有影響。

3)水槽液位

不同液位條件下內(nèi)槽液面最高和最低值隨時間變化曲線如圖7和圖8所示。

圖7 液位對液面最高值的影響

圖8 液位對液面最低值的影響

由圖7和圖8可知，初始液位高度不同，液面最高值與最低值也相應(yīng)不同，表現(xiàn)在圖中即各曲線均不重合。初始液位為0.4m、0.5m、0.6m 的液面曲線具有相同變化規(guī)律，3條的曲線之間基本保持0.1m的高度差，這與初始液位之間0.1m的高度差是完全符合的，因此液位高度對液面波動基本沒有影響。但液位為0.4m工況下，內(nèi)環(huán)槽在0.6s時刻出現(xiàn)液面最低值低于0.1m的狀態(tài)，導(dǎo)致風從水槽底部泄漏。說明水槽液位雖不影響氣液兩相界面狀態(tài)，但對液密封穩(wěn)定運行影響極大。

4)初始狀態(tài)

不同初始狀態(tài)條件下內(nèi)槽液面高度最高和最低值隨時間變化曲線如圖9和圖10所示。

圖9 初始狀態(tài)對液面最高值的影響

圖10 初始狀態(tài)對液面最低值的影響

由圖9和圖10可知，由于初始液面狀態(tài)的不穩(wěn)定，液面最高值曲線呈現(xiàn)明顯不同的分布規(guī)律。初始波高為0.04m工況下，內(nèi)環(huán)槽液面最高值曲線穩(wěn)定在1m，從0.2s一直持續(xù)到0.6s，這是由于內(nèi)槽液面劇烈震蕩激起了水花沖擊在頂部密封板。但0.6s之后曲線呈現(xiàn)直線下落，這是空中的液滴回落的過程。在1s后液面最高與最低曲線基本重合，即液面震蕩過程結(jié)束，恢復(fù)平穩(wěn)。而初始波高在0.03m與0.02m的曲線與0.04m的曲線也具有相似的規(guī)律，但曲線震蕩的幅度越來較小。液面最低曲線在不同初始波高下則基本一致。綜上，初始波高對內(nèi)槽液位的變化影響較小，但對氣液兩相界面的影響十分巨大，很容易引起液密封的不穩(wěn)定。

2.2 正交仿真實驗

利用正交實驗法對進口風速、出口壓力、水槽液位、初始狀態(tài)這4個參數(shù)進行綜合分析。以上4個參數(shù)均為3水平，故選擇正交表L9(34)。實驗優(yōu)化指標為同一水槽內(nèi)液面最高點與液面平均高度之差，即 ΔH=Hmax—Havg。ΔH 值越小，表征液面越平穩(wěn)。若某一時刻出現(xiàn)液面跳出水花，則以水花所在高度作為Hmax的值。正交實驗設(shè)計如表1所示。

表1 正交實驗工況仿真計算結(jié)果

根據(jù)方差分析可以發(fā)現(xiàn)不同因子對實驗結(jié)果的影響顯著性依次為:初始狀態(tài)、進口風速、水槽液位、出口壓力。通過Fluent進一步模擬仿真結(jié)果表明，在考慮因素單獨作用的條件下，各參數(shù)最優(yōu)水平組合為:進口風速 15m/s，出口壓力3300Pa，水槽液位 0.5m，初始狀態(tài) 0.02m。得到最優(yōu)工況下ΔH平均值為0.048m。

3 計算結(jié)果驗證

考慮到液密封的密閉性，對于內(nèi)環(huán)槽的現(xiàn)場測試有一定的難度，因此通過易于觀察測量的外環(huán)槽液面高度變化的現(xiàn)場測試值與仿真結(jié)果的數(shù)值進行對比，對本研究所采用模型的正確性進行驗證。針對液密封外環(huán)槽液面高度計算結(jié)果與測試結(jié)果的對比如下表2所示。

從表2可以看出，在數(shù)值仿真結(jié)果和測試結(jié)果之間存在不同程度的誤差。該誤差主要來源于:①測試過程中環(huán)冷機液密封各項參數(shù)并非保持恒定不變，例如鼓風機出口風壓和流量存在波動，這將對測試結(jié)果產(chǎn)生直接的影響;②現(xiàn)場測試工具及測試人員操作可能存在一定誤差;③本計算對物理模型進行了一定程度的簡化可能產(chǎn)生誤差。但是，數(shù)值仿真結(jié)果與現(xiàn)場測試結(jié)果的最大誤差小于5%，且液面波動與實際趨勢也較為符合，因此，可以認為本文所建立的模型及計算結(jié)果是可靠的。

表2 液密封外環(huán)槽液面高度計算結(jié)果與測試數(shù)據(jù)的對比

4 結(jié)論

1)利用VOF方法很好地模擬出液密封水槽液面波動，較好地捕捉出氣液兩相流的分界面，計算結(jié)果與現(xiàn)場測試之間的誤差在5%以內(nèi)，驗證了此模型的正確性。

2)通過上述模型計算了在其他參數(shù)正常的情況下，各單一參數(shù)對液密封液面的影響。其中液面初始狀態(tài)及進口速度對液面平穩(wěn)性有較大影響，液槽液位及出口壓力則主要影響液位的變化。

3)運用正交實驗綜合分析了影響液密封水槽波動的主要因素，初始狀態(tài)影響最大，進口風速和水槽液位影響次之，出口壓強最小，并進一步計算得到液密封最優(yōu)運行參數(shù)組合:進口風速15m/s，出口壓力 3300Pa，水槽液位 0.5m，初始狀態(tài)0.02m。

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