CN105930548A - 基于Fluent软件的安装制冷站喷淋系统的空气雾化喷嘴的方法 - Google Patents

Abstract

基于Fluent软件的安装制冷站喷淋系统的空气雾化喷嘴的方法，涉及一种针对制冷站喷淋系统喷嘴设置的仿真数值模拟方法。本发明的目的主要解决了现有制冷站内设置喷嘴未考虑位置、数量安装条件，以及对喷嘴工作参数缺少必要的科学数据的问题。本发明包括：一、构建自定义函数；二、通过ICEM建立制冷站房模型并划分网格，生成MSH格式文件；三、将MSH文件导入Fluent软件中，检测网格质量；四、设定求解条件；五、求解迭代；六、结果分析。本发明适用于制冷站喷淋系统喷嘴设置仿真模拟。本发明结果应用于实际生产过程中不仅可以节约经济成本，还能达到喷淋系统对氨泄漏事故最优的控制效果。

Description

基于Fluent软件的安装制冷站喷淋系统的空气雾化喷嘴的方法

技术领域

本发明涉及一种基于Fluent软件的安装制冷站喷淋系统的空气雾化喷嘴的方法。

背景技术

喷淋系统吸收泄漏氨气技术在目前的化工业生产过程中被广泛应用，一般在制冷站内储氨罐上方装设喷淋系统，利用清水喷淋方法对泄漏区进行净化吸收，这种方法是利用氨气极易溶于水的特性，通过对喷嘴各项工作参数的优化，优化后能有效提高喷淋系统的吸收效率。

雾化喷淋系统主要由喷嘴、气动力系统、水动力系统组成，包括空气压缩机、储水槽、输送泵、管道和相关的控制系统。其中喷嘴是整个工艺系统中最重要的部分，合理设置喷嘴的工作参数才能保证对泄漏氨气最有效的吸收效果，达到喷淋系统最优的控制范围、吸收效率。

喷淋系统喷嘴的安装方式有两种：一种是将喷嘴边墙布置，喷淋水沿着喷嘴的轴向水平喷出；另外一种喷嘴的安装方式为顶棚布置。而边墙布置受重力等因素影响，控制范围远低于顶棚布置，因此顶棚布置方式较为常见，所以本发明只针对此类布置方式的模拟。

综上所述，在安装喷嘴前，首先需要进行模拟。现有的喷淋系统有以下缺点：

1、未考虑喷淋系统喷嘴的安装条件。企业现场的喷淋系统布置随意，有的采用管式喷淋，有的采用花洒喷淋，但无论是哪种安装方式，均没有正规标准要求，因此需要对喷嘴的安装条件进行研究。

2、忽略了喷嘴工作参数的影响。喷淋系统吸收氨气的过程受到很多因素的影响，现有研究中只考虑了喷嘴的安装数量，忽略了喷嘴工作压力、喷嘴角度等参数，从而未能达到喷淋系统最优的控制范围、吸收效率。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的制冷站内设置喷嘴时未考虑位置和数量的安装条件，以及喷嘴工作参数缺少必要的科学数据的问题，而提出一种基于Fluent软件的安装制冷站喷淋系统的空气雾化喷嘴的方法。

基于Fluent软件的安装制冷站喷淋系统的空气雾化喷嘴的方法，所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、根据实际情况设置制冷站内物理模型参数：物理原型的尺寸、喷嘴位置、喷嘴之间间距、喷淋系统工作压力以及喷嘴喷角；

其中，物理原型是指要进行空气雾化喷嘴安装的制冷站喷淋系统；

步骤二、根据步骤一确定的制冷站内物理模型参数，构建自定义函数：

1)根据喷淋系统的喷嘴出口工作压力和雾滴粒径的函数关系，构建雾滴粒径随喷嘴出口工作压力变化的自定义函数；

2)根据氨气与水化学反应的特性，构建氨气与水化学反应速率的自定义函数；

3)根据喷嘴喷角与覆盖范围的函数关系，构建覆盖范围随喷嘴喷角大小变化的自定义函数；其中，喷嘴喷角是指喷嘴中喷流下落过程中形成的椎体表面上，两条相对母线形成的锥角α；控制范围是指喷流落在喷淋空间的屋面围合形成的圆形区域；

4)根据喷嘴分布方式与覆盖范围的函数关系，构建覆盖范围随喷嘴分布方式变化的自定义函数；

步骤三、建立喷淋系统吸收氨气过程的物理模型：

并利用ICEM软件，空间根据液化气体扩散规律的特点，选取结构化与非结构化相结合的网格划分方式进行网格划分，创建模型，设置边界条件，输出运行结果文件；

步骤四、打开fluent软件，导入步骤三输出的case文件，检查网格的质量，如果网格体积为负，则重新划分网格；

步骤五、根据物理原型的实际情况设置单位；

步骤六、导入步骤一构建的自定义函数，模拟喷淋系统吸收氨气的过程：

依次按照定义、用户自定义、函数和应用的顺序导入自定义函数；

步骤七、选择适合的模拟模型：

选用多相流模型中VOF模型，选用能量模型、湍流模型中的标准k-ε模型和DPM模型；

步骤八、设置材料属性：

在fluent软件数据库中复制出氨气与水的具体材料属性，调用氨气与水化学反应速率的自定义函数；

步骤九、多相流的确定：

将氨气与空气的混合气确定为气相，喷淋水确定为液相；

步骤十、设置边界条件：

在以上的吸收条件下，设置边界条件，分别调用雾滴粒径随喷嘴出口工作压力变化的自定义函数、覆盖范围随喷嘴喷角大小变化的自定义函数、覆盖范围随喷嘴分布方式变化的自定义函数；

步骤十一、求解方法的选择，确定求解精度：

压力速度藕合选择simple模式，压力方程的松弛因子设为0.9，压力修正方程采用Presto模式；

步骤十二、初始化边界条件并设置迭代参数，进行计算；

步骤十三、查看残差图，对相、速度、浓度和质量分数的云图和矢量图进行结果分析，改变模拟条件，优化吸收效率，得到喷嘴最优安装位置及工作参数；

步骤十四、根据以上步骤得到制冷站模型最优结果，设计出制冷站内部喷淋系统。

本发明的有益效果为：

本发明是采用fluent软件能够模拟喷嘴的不同工作参数，而且得到的氨气浓度场、速度场图较数据直接，结果较直观，该方法与试验法相比较而言，因为氨气具有毒性、易燃易爆性，易造成中毒、爆炸等事故，所以本方法无危险性，且科学、可靠。

附图说明

图1为本发明设计的模拟方法的流程图；

图2为本发明模拟的氨气吸收过程简化模型；

图3本发明涉及的网格划分示意图；

图4本发明涉及的雾化喷淋效果图；

图5a本发明涉及的喷嘴喷角为100°时浓度场分布示意图；

图5b本发明涉及的喷嘴喷角为115°时浓度场分布示意图；

具体实施方式

具体实施方式一：

本实施方式的基于Fluent软件的安装制冷站喷淋系统的空气雾化喷嘴的方法，结合图1所示的模拟方法的流程图，所述方法包括以下步骤：

步骤一、根据实际情况设置制冷站内物理模型参数：物理原型的尺寸、喷嘴位置、喷嘴之间间距、喷淋系统工作压力以及喷嘴喷角；

其中，物理原型是指要进行空气雾化喷嘴安装的制冷站喷淋系统；

步骤二、根据步骤一确定的制冷站内物理模型参数，构建自定义函数：

1)根据喷淋系统的喷嘴出口工作压力和雾滴粒径的函数关系，构建雾滴粒径随喷嘴出口工作压力变化的自定义函数；

2)根据氨气与水化学反应的特性，构建氨气与水化学反应速率的自定义函数；

3)根据喷嘴喷角与覆盖范围的函数关系，构建覆盖范围随喷嘴喷角大小变化的自定义函数；其中，喷嘴喷角是指喷嘴中喷流下落过程中形成的椎体表面上，两条相对母线形成的锥角α；

4)控制范围是指喷流落在喷淋空间的屋面围合形成的圆形区域；

5)根据喷嘴分布方式与覆盖范围的函数关系，构建覆盖范围随喷嘴分布方式变化的自定义函数；

步骤三、建立喷淋系统吸收氨气过程的物理模型：

并利用ICEM软件，空间根据液化气体扩散规律的特点，选取结构化与非结构化相结合的网格划分方式进行网格划分，创建物理模型，设置边界条件，输出运行结果case文件；

其中，ICEM软件是作为fluent和CFX标配的网格划分软件；

步骤四、打开fluent软件，导入步骤三输出的case文件，检查网格的质量，如果网格体积为负，则重新划分网格；

步骤五、根据物理原型的实际情况设置单位；

步骤六、导入步骤一构建的自定义函数(UDF，即user defined function的缩写)，真实模拟喷淋系统吸收氨气的过程：

依次按照定义(define)、用户自定义(user-defined)、函数(function)和应用(compile)的顺序导入自定义函数；

步骤七、选择适合的模拟模型：

选用多相流模型中VOF模型，选用能量模型、湍流模型中的标准k-ε模型和DPM模型；

步骤八、设置材料属性：

在fluent软件数据库(database)中复制出氨气与水的具体材料属性，调用氨气与水化学反应速率的自定义函数；

步骤九、多相流的确定：

将氨气与空气的混合气确定为气相，喷淋水确定为液相；

步骤十、设置边界条件：

在以上的吸收条件下，设置边界条件，分别调用雾滴粒径随喷嘴出口工作压力变化的自定义函数、覆盖范围随喷嘴喷角大小变化的自定义函数、覆盖范围随喷嘴分布方式变化的自定义函数；

步骤十一、求解方法的选择，确定求解精度：

压力速度藕合选择simple模式，压力方程的松弛因子设为0.9，压力修正方程采用Presto模式；

步骤十二、初始化边界条件并设置迭代参数，进行计算；

步骤十三、查看残差图，对相、速度、浓度和质量分数的云图和矢量图进行结果分析，改变模拟条件，优化吸收效率，得到喷嘴最优安装位置及工作参数；

步骤十四、根据以上步骤得到制冷站模型最优结果，设计出制冷站内部喷淋系统。

一、本实施方式提出一种基于fluent软件设置制冷站喷淋系统的空气雾化喷嘴方法，fluent模拟软件是基于计算流体动力学方法求解流动、传质伴有化学反应问题的通用软件，设置DPM模型，即可模拟喷嘴雾化模型，利用fluent模拟软件含有的用户自定义函数UDF的功能模块，借助构建雾滴粒径随工作压力变化的自定义函数、控制范围随喷嘴喷角变化的自定义函数、控制范围随布置方式变化的自定义函数等，并在fluent中调用这些自定义函数，达到对喷淋系统吸收氨气过程的仿真，可以直观的看到浓度随时间的变化曲线、空间内氨气速度矢量图等情况，进而分析得到的结果，最终实现工作参数、安装条件的的优化；

二、本实施方法提供了一种优化喷淋系统吸收氨气的新方法，本方法考虑到喷淋系统的工作参数及安装条件，通过调用雾滴粒径随工作压力变化的自定义函数、控制范围随喷嘴喷角变化的自定义函数、控制范围随布置方式变化的自定义函数等，实现了气液两相间的耦合计算，模拟得到的结果更接近于实际情况，可信度高。

具体实施方式二：

与具体实施方式一不同的是，本实施方式的基于Fluent软件的安装制冷站喷淋系统的空气雾化喷嘴的方法，步骤二所述喷淋系统的喷嘴出口工作压力和雾滴粒径的函数关系为：

$r=\frac{d_i}{{\mathrm{\ΔP}}^{0.37}sin\frac{\mathrm{\α}}{2}}$

式中，d_i为喷嘴出口直径，单位为米；ΔP为喷嘴出口压力，单位为帕；α为喷嘴角，α＝90°。

具体实施方式三：

与具体实施方式一或二不同的是，本实施方式的基于Fluent软件的安装制冷站喷淋系统的空气雾化喷嘴的方法，步骤二所述氨气与水化学反应的特性中，涉及的氨气与水化学反应速率关系为：

$N_A=\frac{0.75{\mathrm{Sc}}^{1/3}{{\mathrm{Re}}_G}^{1/2}{D}_{AB}}{d_{p}RT}(P-P^{*})$

式中：N_A表示氨气的吸收速率；Sc为斯密特准数；Re_G为雷诺准数，无量纲；D_AB表示氨气在空气中的扩散系数D_AB，单位为m²/s；d_p表示液滴粒径；P表示气相分压；p^*表示与液相浓度成平衡的气相分压；P-P^*表示分压差所代表的总推动力；RT表示室温。

具体实施方式四：

与具体实施方式三不同的是，本实施方式的基于Fluent软件的安装制冷站喷淋系统的空气雾化喷嘴的方法，步骤二所述的喷嘴喷角与覆盖范围的函数关系为：

$s=\mathrm{\π}\×{(h\×tan\frac{\mathrm{\α}}{2})}^2$

式中，s表示喷流在喷淋空间内的屋面上形成的覆盖范围；h表示喷嘴与喷淋空间内的屋面的距离；α表示喷嘴喷角。

具体实施方式五：

与具体实施方式一、二或四不同的是，本实施方式的基于Fluent软件的安装制冷站喷淋系统的空气雾化喷嘴的方法，步骤三所述建立喷淋系统吸收氨气过程的物理模型过程中，所述边界条件涉及各边界量和单位为：

1)在喷淋系统入口采用速度边界条件，在喷淋系统出口采用自由出口条件；

2)喷嘴所在的面设定为escape边界条件，即喷雾液滴回流到达这个面，则认为雾滴将逃离这个边界面，不在返回计算区域；

3)喷淋空间的侧壁面设定为wall边界条件，其温度设置为283K；

4)喷淋空间的底面设定为outflow边界，雾滴到达outflow边界后终止计算，不再对吸收场产生影响；

5)根据边界条件，进行用户自定义程序的编制过程。

具体实施方式六：

与具体实施方式五不同的是，本实施方式的基于Fluent软件的安装制冷站喷淋系统的空气雾化喷嘴的方法，所述根据边界条件，进行用户自定义程序的编制过程为，在数值计算过程中，涉及到气液两相的反应，通过编制用户自定义模型来实现传质和反应速率，具体步骤如下：

首先，检查用户模型；

然后，输入源代码，保存后运行Fluent软件，读入，设置ICEM软件的运行结果文件，激活UFD程序开始计算。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.基于Fluent软件的安装制冷站喷淋系统的空气雾化喷嘴的方法，其特征在于：所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、根据实际情况设置制冷站内物理模型参数：物理原型的尺寸、喷嘴位置、喷嘴之间间距、喷淋系统工作压力以及喷嘴喷角；

其中，物理原型是指要进行空气雾化喷嘴安装的制冷站喷淋系统；

步骤二、根据步骤一确定的制冷站内物理模型参数，构建自定义函数：

1)根据喷淋系统的喷嘴出口工作压力和雾滴粒径的函数关系，构建雾滴粒径随喷嘴出口工作压力变化的自定义函数；

2)根据氨气与水化学反应的特性，构建氨气与水化学反应速率的自定义函数；

3)根据喷嘴喷角与覆盖范围的函数关系，构建覆盖范围随喷嘴喷角大小变化的自定义函数；其中，喷嘴喷角是指喷嘴中喷流下落过程中形成的椎体表面上，两条相对母线形成的锥角α；控制范围是指喷流落在喷淋空间的屋面围合形成的圆形区域；

4)根据喷嘴分布方式与覆盖范围的函数关系，构建覆盖范围随喷嘴分布方式变化的自定义函数；

步骤三、建立喷淋系统吸收氨气过程的物理模型：

并利用ICEM软件，空间根据液化气体扩散规律的特点，选取结构化与非结构化相结合的网格划分方式进行网格划分，创建物理模型，设置边界条件，输出运行结果文件；

步骤四、打开fluent软件，导入步骤三输出的case文件，检查网格的质量，如果网格体积为负，则重新划分网格；

步骤五、根据物理原型的实际情况设置单位；

步骤六、导入步骤一构建的自定义函数，模拟喷淋系统吸收氨气的过程：

依次按照定义、用户自定义、函数和应用的顺序导入自定义函数；

步骤七、选择适合的模拟模型：

选用多相流模型中VOF模型，选用能量模型、湍流模型中的标准k-ε模型和DPM模型；

步骤八、设置材料属性：

在fluent软件数据库中复制出氨气与水的具体材料属性，调用氨气与水化学反应速率的自定义函数；

步骤九、多相流的确定：

将氨气与空气的混合气确定为气相，喷淋水确定为液相；

步骤十、设置边界条件：

在以上的吸收条件下，设置边界条件，分别调用雾滴粒径随喷嘴出口工作压力变化的自定义函数、覆盖范围随喷嘴喷角大小变化的自定义函数、覆盖范围随喷嘴分布方式变化的自定义函数；

步骤十一、求解方法的选择，确定求解精度：

压力速度藕合选择simple模式，压力方程的松弛因子设为0.9，压力修正方程采用Presto模式；

步骤十二、初始化边界条件并设置迭代参数，进行计算；

步骤十三、查看残差图，对相、速度、浓度和质量分数的云图和矢量图进行结果分析，改变模拟条件，优化吸收效率，得到喷嘴最优安装位置及工作参数；

步骤十四、根据以上步骤得到制冷站模型最优结果，设计出制冷站内部喷淋系统。

2.根据权利要求1所述基于Fluent软件的安装制冷站喷淋系统的空气雾化喷嘴的方法，其特征在于：步骤二所述喷淋系统的喷嘴出口工作压力和雾滴粒径的函数关系为：

$r=\frac{d_i}{{\mathrm{\ΔP}}^{0.37}sin\frac{\mathrm{\α}}{2}}$

式中，d_i为喷嘴出口直径，单位为米；ΔP为喷嘴出口压力，单位为帕；α为喷嘴角，α＝90°。

3.根据权利要求1或2所述基于Fluent软件的安装制冷站喷淋系统的空气雾化喷嘴的方法，其特征在于：步骤二所述氨气与水化学反应的特性中，涉及的氨气与水化学反应速率关系为：

$N_A=\frac{0.75{\mathrm{Sc}}^{1/3}{{\mathrm{Re}}_G}^{1/2}{D}_{AB}}{d_{p}RT}(P-P^{*})$

式中：N_A表示氨气的吸收速率；Sc为斯密特准数；Re_G为雷诺准数，无量纲；D_AB表示氨气在空气中的扩散系数D_AB，单位为m²/s；d_p表示液滴粒径；P表示气相分压；p^*表示与液相浓度成平衡的气相分压；P-P^*表示分压差所代表的总推动力；RT表示室温。

4.根据权利要求3所述基于Fluent软件的安装制冷站喷淋系统的空气雾化喷嘴的方法，其特征在于：步骤二所述的喷嘴喷角与覆盖范围的函数关系为：

$s=\mathrm{\π}\×{(h\×tan\frac{\mathrm{\α}}{2})}^2$

式中，s表示喷流在喷淋空间内的屋面上形成的覆盖范围；h表示喷嘴与喷淋空间内的屋面的距离；α表示喷嘴喷角。

5.根据权利要求1、2或4所述基于Fluent软件的安装制冷站喷淋系统的空气雾化喷嘴的方法，其特征在于：步骤三所述建立喷淋系统吸收氨气过程的物理模型过程中，所述边界条件涉及各边界量和单位为：

1)在喷淋系统入口采用速度边界条件，在喷淋系统出口采用自由出口条件；

2)喷嘴所在的面设定为逃离escape边界条件，即喷雾液滴回流到达这个面，则认为雾滴将逃离这个边界面，不在返回计算区域；

3)喷淋空间的侧壁面设定为wall边界条件，其温度设置为283K；

4)喷淋空间的底面设定为outflow边界，雾滴到达outflow边界后终止计算，不再对吸收场产生影响；

5)根据边界条件，进行用户自定义程序的编制过程。

6.根据权利要求5所述基于Fluent软件的安装制冷站喷淋系统的空气雾化喷嘴的方法，其特征在于：所述根据边界条件，进行用户自定义程序的编制过程为，在数值计算过程中，涉及到气液两相的反应，通过编制用户自定义模型来实现传质和反应速率，具体步骤如下：

首先，检查用户模型；

然后，输入源代码，保存后运行Fluent软件，读入，设置ICEM软件的运行结果文件，激活UFD程序开始计算。