倪洪启，何崇玉，孟宪春

（1.沈阳化工大学 机械与动力工程学院，沈阳 110142；2.秦皇岛北方管业有限公司 河北省波纹膨胀节与金属软管技术创新中心，河北 秦皇岛 066004）

0 引言

近些年，我国经济发展迅速，工业也在急速发展，但生态环境问题已经成为一个不可忽视的大问题，大气的污染也越来越严重，而这些对大气造成危害的主要来源就是我们工业生产中所排放的工业废气[1]，因此对工业废气的处理是十分必要的。

废气净化活性炭箱是利用活性炭的吸附性，对废气进行净化[2]。但是，废气进入活性炭箱后，如果均风板的均风能力低，实际的使用效果差距很大。针对这种情况，本文通过Fluent软件模拟不同倾斜角度的均风板对活性炭箱内的气体分布影响情况，找出最适合的均风板模型，这样可以减少企业对均风板的开发成本，也可以提高净化效率。

1 Fluent仿真与计算

1.1 计算模型的的选择

在活性炭箱内，模型中流入空气流速为14.8 m/s，进口直径为488 mm，20 ℃空气的动力黏度[3]为1.79×10-5Pa·s，20 ℃空气的密度为1.205 kg/m3，此时雷诺数为

式中：ρ为20 ℃空气的密度；V为流入空气的流速；d为入口圆管直径；μ为20 ℃空气动力黏度。

气体在箱内为湍流流动，湍流流动是一个非常复杂的过程，要想模拟出湍流流动需要满足3个方程，即连续性方程、动量守恒方程和湍流方程。现在最常用的湍流方程模型有4种，分别为标准k-ε模型、RNG k-ε模型、Realizable k-ε模型及k-ω模型[4]。目前使用最广泛的模型是标准k-ε模型。RNG k-ε模型更适合强旋转流动的计算[5]。本文中使用的是标准k-ε模型。标准的k-ε模型是一个半经验公式[6]，主要由湍流动能方程与耗散率方程推导而来。其中湍流动能方程是一个精确推导的方程,但是湍流耗散率方程是一个由经验公式推导出的方程[7]。

湍流动能k方程为

式中：C1ε、C2ε、G3ε为经验常数；Cμ为湍流常数；Gb为由浮力产生的湍流动能；Gk为由层流速度梯度产生的湍流动能；k为湍流动能；t为时间；ui为xi方向的速度；xi、xj为坐标位置；ρ为密度；σk为k方程的Prandtl数；σε为ε方程的Prandtl数；ε为湍流耗散率；μ为层流黏性系数；μt为湍流黏性系数。

1.2 几何模型的建立

1.2.1 物理模型

将活性炭SolidWorks模型图导入Workbench中，活性炭箱简化模型图如图1所示，活性炭箱进口直径为488 mm，箱体部分两边长为1950 mm，整体高度为3354 mm，均风板开孔大小均为直径40 mm的圆孔，均风板的倾斜角度如图2所示。使用Workbench 下的DesignModelor打开模型，使用Fill命令创建活性炭箱内的内流域场[8]。

图1 废气净化活性炭箱的模型

图2 均风板的倾斜角度

1.2.2 网格划分

本文中网格划分软件为Workbench中的Meshing软件。在Meshing中，可以将计算网格分为结构化网格、非结构化网格和混合网格[9]。因为结构化网格生成速度快，生成的网格质量好。本文中的模型网格划分选用结构化网格，并对均风板处进行加密处理，提高计算精度。因为计算时使用的是k-ε模型，所以对模型的外壁面处也采用加密处理。

1.2.3 边界条件设置

在Fluent中进行求解时，设置流入的气体为空气，温度为20 ℃。湍流模型为标准k-ε模型，Pressure Based隐式（Implicit）求解，进口边界设为Velocity Inlet，速度大小为14.85 m/s，湍流强度为5%，水力直径为0.488 m。壁面采用标准壁面，并且光滑无滑移。出口边界设为outflow，其余保持默认设置。求解器设置中，压力和速度耦合选用SIMPLE 算法。空间离散化设置中，梯度选择Least Squares Cell Based，压力选择Second Order，动量、湍动能和湍流耗散率采用二阶迎风格式，求解稳态不可压缩流。

2 计算结果与分析

2.1 速度云图结果与分析

通过比较不同倾斜角度均风板的活性炭箱内流场的速度云图，分析不同倾斜角度均风板对流场的影响，不同倾斜角度时的速度如图3所示。

图3 不同倾斜角度均风板对应的箱内流场速度云图

通过6张速度云图，可以清楚地看到不同倾斜角度时活性炭箱中的速度分布情况，当倾角大于165°时，随着倾角的增大，气流通过均风板后的分布面积开始变小，主要集中在均风板中部，气流通过均风板后并不能完全流过整个箱体。均风板处速度在3.98～11.95 m/s之间时，其余部分速度大多在1.99 m/s以下。主要原因是当倾角过大，均风板就类似一个平板，气流在经过均风板时，均风板无法起到一个均风的作用，气流直接撞在均风板上，所以只能流过比进口直径稍微大一点的区域。使用大于165°的均风板，气流分布不均匀，无法起到均风的作用，不满足实际需要。当均风板倾角小于150°时，随着均风板倾角的减小，气流通过均风板后的分布面积也越来越小，且大多是沿着均风板四周流动。均风板处速度在4.23～14.83 m/s之间时，速度差值较大，速度分布不均。其主要原因是当气流经过均风板时，气流会沿着均风板的边缘进行分散，但高速的气流经过时，过小的倾角使气流来不及沿均风板边缘进行分散，气流在速度的影响下从离其最近的孔中流过，因此分布范围也比较小，均风板的均风效果仍不理想，无法满足实际要求。从图中可以看出，当倾角为150°～165°之间时，气体经过均风板后，沿均风板进行分散，使气体几乎可以覆盖整个活性炭箱，均风板处速度大多处在4～12 m/s之间，速度差值较小。且几乎扩散到了整个均风板面，箱内气体分布比较均匀，基本满足实际使用需求。

2.2 速度均匀系数分析

图4所示为不同倾角均风板的速度均匀系数，本文中以活性炭箱正中间处剖面为标准平面，主要测量了距离标准平面0、100、200、300 mm处的不同倾角均风板的速度均匀系数。

图4 不同倾斜角度速度均匀系数

均风板倾角为150°～165°时，速度的均匀系数明显高于其他倾角，其速度均匀系数都在0.72以上，并越靠近标准平面，即离均风板越远，速度均匀系数也越高。这表明，倾角为150°～165°之间的速度均匀度更好，气体经过均风板后，分布更加均匀。倾角大于165°和小于150°时，速度均匀系数大多在0.7以下，速度均匀度较差，不能达到较好的均风效果。这和速度云图显示的结果相吻合，同时也验证了速度云图分析的正确性。

3 结论

均风板不同的倾斜角度对活性炭箱中气体均匀分布有很大的影响。通过ANSYS平台下的Fluent软件对废气净化活性炭箱内的气体流场进行了数值分析可以看出，均风板倾角为150°～165°之间时，活性炭箱内的流场通过均风板后的分布最为均匀，均风板均风效果最好，基本可以达到实际的使用要求。