多级孔板扰流泡沫发生器流场模拟分析

周日峰，郎需庆，张健中，刘全桢

(中国石化安全工程研究院，山东青岛 266071)

多级孔板扰流泡沫发生器流场模拟分析

周日峰，郎需庆，张健中，刘全桢

(中国石化安全工程研究院，山东青岛266071)

通过数值模拟方法，对内锥和多级孔板组合扰流结构下的泡沫发生器流场进行了模拟和分析。通过CFD流场模拟软件Fluent，以泡沫发生器的真实操作工况为边界条件进行建模，得到了气液两相掺混流场的结构和重要动力学参数，并进行了分析。发现扰流件的下游区域存在一个较稳定回流区，同时在多级孔板区域流场的湍动能及湍动能耗散率较高，对泡沫发生器中气液两相掺混有利。扰流件下游液相分布较为均匀，进一步验证了发泡器内部气液掺混效果较佳。通过流场模拟，验证了圆锥和四级孔板组合扰流结构对强化泡沫发生器内气液掺混的有效性。

泡沫发生器 孔板 气液两相流 数值模拟

1 泡沫发生器简介

火灾是我国石化行业的重大安全事故。大流量高效灭火装置在石化[1,2]、矿山[3]等领域有重要应用，是消防领域技术研发的重点，其中非预混压缩空气泡沫发生装置是近年来研究的热点[4,5]。泡沫发生器是非预混两相泡沫灭火装置的核心部件。发泡前的气液两相分开存储，分别经泡沫发生器的气相入口和液相入口进入掺混腔，在掺混腔内完成混合发泡过程。通常在掺混腔内布置扰流结构，以增强气液两相的掺混效率，掺混后生成的泡沫液经发泡器的出口流出。该类泡沫发生器产生的泡沫稳定，在扑灭B类火灾时有较好的应用[6,7]。通过对泡沫装置的结构改进和优化，有助于提高泡沫发生器中的泡沫性能，如泡沫均匀度、细腻度等，对灭火装备的整体性能有重要作用[8,9]。基于泡沫发生器结构的内部两相掺混流场，与发泡效果息息相关，通过研究气液两相掺混流场，能够对泡沫发生器的结构设计进行验证和辅助优化[9]。CFD数值模拟是研究流场结构的行之有效的方法，能够得到实验中难以观察和测量的流场动力学参数，提高装备研发设计的精度和效率，如李松岩等[10]数值模拟研究了同心管式泡沫发生器，王群星等[3]研究了液相经文丘里管喉部喷入掺混室的泡沫发生器，对发生器中的压力、速度、相分布等进行了分析。

本文研究的泡沫发生装置中布置圆锥和多层孔板扰流结构，气液两相进入发泡器遇到圆锥形成环流后，在下游遇到多层孔板，增强了气液混合和发泡效果，生成的泡沫从泡沫发生器的出口流出。通过Fluent软件，对圆锥和孔板扰流泡沫发生器流场结构进行建模，计算得到了气液两相掺混的流场，并对流场中的重要动力学参数进行了分析，验证了圆锥和多层孔板组合扰流结构的泡沫发生器的掺混性能，并为后期泡沫发生器结构的改进和优化提供依据。

2 发泡器的流场结构

发泡器结构为竖直管道形状，最下部为液相入口，气相入口在液相入口上方管道的侧面，沿管道圆周均匀分布。液相入口附近设置一圆锥扰流器。圆锥下游布置4个孔板，沿上下游分别称为一、二、三、四级，孔板上设多个小孔。最上方孔板的下游管道长度为3D(D为管道直径)。发泡器结构如图1所示。

图1 泡沫发生器结构示意

3 计算域及边界条件

为了减少计算量，计算模型取管道的1/5，计算域恰好含有一个气相入口，如图2所示。

图2 泡沫发生器计算域及边界条件设置

气相入口和液相入口都设置速度边界条件，发泡器出口设置压力边界条件，表压为0Pa。计算域的周向两端为对称边界条件。其他计算域的封闭边界设置为壁面边界条件。湍流计算采用SAS湍流模型，以尽可能精确计算流场的湍流结构，得到最切近真实的流场。模型求解采用非稳态求解模型，计算时间步长设置为1e-5s，初始流场的液相体积分数设为零，气液两相速度设为零。

4 流场动力学分析

从液相开始进入泡沫发生器起，计算得到了0.395 s后的气液两相流场，并对流场中的重要动力学参数进行了分析，包括压力、相分布、两相速度、湍动能、湍动能耗散率等。为了便于观察和分析，本文抽取了发泡器三维流场中的轴向截面图(图3～图8)。

4.1 压力场

从图3中可以看出，第一级孔板对发泡器气液混合流场的压降贡献最大，上下游压降约为60 000 Pa，第二级压降约为20 000 Pa，第三级压降约为10 000 Pa，第四级压降约为15 000 Pa。第四级孔板下游存在一个较强的负压区，接近孔板位置压力最低，约为20 000 Pa，第四级孔板下游约1D位置，流场压力回复到接近发泡器出口水平。多级孔板区域的流场压力沿径向的分布变化不大。

图3 泡沫发生器两相流场中压力分布轴向截面

4.2 速度场

从图4中可以看出，第4级孔板下游有一个较长的回流区，其径向尺寸受第四级孔板中心阻挡区域尺寸约束，并且沿流场轴向先增大，在约0.6D位置达到最大，然后缩小，约在1.3D位置达到最小，然后又增大。回流区在第四级孔板下游1D范围内最强，越靠近下游，强度越弱。在该回流区附近，流场的轴向剪切速率较大，由于气液两相的密度不同，两相间的速度滑移也较大，故回流区对气液掺混有强化效果。

图4 泡沫发生器两相流场中速度分布轴向截面(Z方向为轴向方向)

在圆锥与第一级孔板之间，也存在一个较小的回流区。在4级孔板构成的流场中，也分散有数量较多的回流区。在4级孔板区域，无论轴向还是径向，流场的剪切速率都较大，有利于气液掺混。故四级孔板对发泡器的扰流效果较佳。

4.3 湍流结构

a)湍动能。从图5中可以看出，在气相入口附近、圆锥的锥部区域、第一级孔板区域、四级孔板区域靠近管壁侧，湍动能较强。

图5 泡沫发生器两相流场中湍动能分布轴向截面

b)湍动能耗散量。从图6中可以看出，在气相入口附近、第一级孔板区域、四级孔板区域靠近管壁侧，湍动能较强。

图6 泡沫发生器两相流场中湍动能耗散率分布轴向截面

4.4 相分布

4.4.1多级孔板区域

在第一级孔板横截面及其下游区域(图7-a)，气相主要分布在管道中间区域，液相主要分布在外围区域。这是由于气液两相绕流经过V锥后，气相比液相的密度和惯性都较小，流动方向变换容易导致(图8-a)。到第三级孔板所在流场区域(图7-c)，气相在管道横截面的分布已较为均匀，液相在管道中心区域的相含率也提高许多。

4.4.2整个流场区域

从图8-a中可以看出，液相从发泡器进入后，经过圆锥的分流变向，然后又经过四级孔板的分散及气相的湍动效应，在第四级孔板的下游约1D往后区域，液相在管道中分布已经较为均匀，无明显的液相团块存在，且液相在管壁附近的分布量也不多，即气液混合较为均匀。流场中第四级孔板下游2D位置至流场出口之间区域的气相比例偏高，是由于计算域出口回流导致。圆锥和四级孔板组合扰流装置对强化气液混合的效果较佳。

图7 多级孔板区域流场中相分布的径向截面

图8 整个计算域流场中相分布

5 结论

通过对圆锥和多层孔板组合扰流结构的泡沫发生器内部流场的数值模拟，得到了气液两相混合流场的结构及相关动力学参数，并对其中压力、轴向速度、湍流动力学参数、相分布等进行了分析。研究发现，扰流件下游区域存在较强的稳定回流区，该区域剪切速率较大，有助于强化气液掺混。同时，多级孔板附近区域流场的湍动能和湍动能耗散率较大，说明多级孔板对流场的扰动作用较强，有利于强化气液掺混。另外，多级孔板下游流场区域的液相分布较为均匀，不存在明显的液块，进一步验证了发泡器内部气液掺混效果较佳。

综上所述，圆锥和四级孔板组合扰流结构对泡沫发生器两相掺混效果较好，今后可进行更深入的研究和优化设计。

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NumericalStudyofGas-liquidFlowinFoamGeneratorwithDisturbingDeviceofMulti-orificeZhou Rifeng, Lang Xuqing,

Zhang Jianzhong, Liu Quanzhen

(SINOPEC Research Institute of Safety Engineering; Shandong, Qingdao 266071)

In order to study the performance of foam generator with disturbing device in form of multi-orifice for gas and liquid mixing which is used in the large flow rate fire extinguishing device, the two phase flow field under the composed disturbing device of V cone and multi-orifice was got and analyzed. The numerical model was build on the real operating conditions of foam generator by CFD software Fluent, and the two phase flow structure with some flow dynamic parameters was studied, such as velocity, pressure, turbulent energy and liquid phase distribution in the flow field, etc. There was a strong counter-flow domain downstream the disturbing device, and the turbulent energy and turbulent dissociation rate around the multi-orifice were higher than other domains, which is beneficial to the two phase flow mixing. Also, the homogeneous liquid phase distribution showed a well gas and liquid mixing effect in the foam generator. All these afore mentioned factors contributed to the mixing efficiency of the two phase flow in the foam generator. Through the flow field simulation, verify the effectiveness of the cone and four hole plate combination structure of gas-liquid mixed flow perturbation in the mixed enhanced foam generator.

foam generator; orifice; gas-liquid flow; numerical study

2016-03-10

周日峰，工程师，2013年毕业于西安交通大学，硕士学位，现在中国石化安全工程研究院从事加油加气站安全研究工作。