摘要：在常温工况下，以直管、渐缩和缩放三种结构形式的脉冲反吹喷嘴为研究对象，利用高速摄影系统拍摄了喷嘴脉冲反 吹过程中的分幅阴影照，利用计算流体力学软件FLUENT对这一过程进行了数值计算，试验结果与计算结果吻合很好，验 证了计算模型计算喷嘴反吹时刻非定常流场的可靠性。在此基础上，对高温工况下的脉冲反吹流场进行计算研究，结果表明， 高温工况下，脉冲反吹过程中，喷嘴出口流场中存在压力振荡，该振荡在脉冲反吹流场传播；喷嘴的结构形式对喷嘴出口流 场的压力均一化波系具有重要影响，缩放式喷嘴出口射流核心区最大。通过跟踪流场不同时刻的压力分布发现，三种结构形 式喷嘴出口流场的射流核心区均可观察到由膨胀波、反射斜激波、剪切层组成的激波胞格结构。
关键词：陶瓷过滤 脉冲反吹 喷嘴数 值计算
中图分类号：TH825
0 前言
在现代工业生产过程中，涉及含尘气体在高温下直接净化除尘的领域十分广泛，如整体煤气化联合循环(Integrated gasification combined cycle，IGCC) 发电系统的高温煤气净化、石油催化裂解装置中高温气体过滤及催化剂的回收、汽车尾气净化高温烟气净化等[1]。高温气体除尘技术的核心是保护后续 工艺设备的顺利运行和气体净化。在诸多高温气体净化除尘工艺技术中，介质过滤净化除尘技术有许多显著的优点，在实际操作中多采用多孔陶瓷或金属管式过滤器。管式介质高温气体过滤分为两个过程，即过滤和滤管的再生，滤管的再生大多采用脉冲反吹清灰的方式实现，而喷嘴是脉冲反吹系统的重要部件，国外目前主要采用直管式喷嘴[ 2-4]。
高温工况下，脉冲反吹喷嘴出口的流场特性研究对喷嘴结构的选型、脉冲反吹参数的选择具有重要意义。PITT和日本电力科学研究院 [5-6] 认为脉冲压力波形的上升和下降时间与中间压力稳定时间相 比很短，中间的为稳态压力波形，在此假设的基础上，将引射器和滤管内流动规律假定为一维稳态流动，利用连续方程、动量方程、能量方程，并假定 滤管壁内的流动为层流符合达西公式，采用差分方法计算过滤气速、滤管渗透率、喷嘴直径、引射器喉管直径对滤管内压力大小的影响，并给出了气体引射比及管内轴向速度分布的变化规律。CHIRST[5]利用计算流体动力学软件FLUENT，将滤管内流体流动假设为二维轴对称、准稳态流场，计算了滤管内轴向速度。
实际的脉冲反吹过程则是一个非定常的流动过程，由于试验条件的局限，试验主要在常温工况下进行研究。本文利用计算流体力学软件FLUENT对不同结构形式喷嘴高温下，脉冲反吹时非定常流 动过程进行了计算，分析了脉冲反吹时喷嘴出口流场的特性，为脉冲反吹系统的优化设计提供了理论依据。
1 计算方法和试验系统
1.1计算方法及边界条件
脉冲反吹流场是圆柱形的空间流场，其气体速度达到声速和超声速。因此将该流场的模型简化为二维轴对称、可压缩湍流流场。使用耦合解算器，湍流模型选用SPALART等 [7] 在1992年提出的单方 程湍流模型，该模型常用于大梯度、近壁区域的气体流动的数值计算。
图1为计算区域以及边界条件，计算区域取 40d×200d(d为喷嘴喉部直径，文中以下算例计算区域均为此值)。计算区域的入口总压为一给定函数，给定总温和流动方向，出口给定环境压力，对称轴处采用轴对称条件，固体边界采用无滑移绝热固壁边界条件，流场边界给定压力远场条件。
为了尽快获得精确的收敛解，采用结构化网 格，为便于捕捉到喷嘴出口处的流场细节，对出口 区域进行局部加密，全场网格点为18万个。
1.2高速摄像试验系统
为验证数值计算的准确性，利用高速摄像装置对喷嘴在常温工况下的脉冲反吹过程进行了拍照试验，并与计算结果进行对比。
试验装置包括脉冲反吹系统、光源系统及图像 拍摄系统，其中电磁阀、脉冲控制仪和图像拍摄系 统为关键部件，试验系统如图2所示。脉冲控制仪 (脉宽范围为0.05～1.00 s，脉冲间隔在4～120 s， 连续可调)，TURBO公司；电磁阀，SCG353A044 型，ASCO-JOUCOMATIC公司；图像拍摄系统(图 像分辨率是512×480像素，拍摄频率范围是250幅/s 到10 000幅/s)，FASTCAM-Super 10K/10KC型， REDLAKE公司。
脉冲反吹过程中高压气体从喷嘴出口流出，形成超声速射流，由于喷嘴的型线以及非定常效应，产生激波现象。激波现象的特征之一是气体的密度在激波前后有突变。根据光学原理，一束平行光经过密度突变的区域，光线在穿过不同密度介质的表面时会产生折射。经过折射后，原来应该照明区域的光就会偏移到相邻区域，区域就会变暗，而相邻 区域由于折射增加了多余的光线，亮度就会增强。激光器产生的平面激光通过存在激波的流场后，就能够将流场中存在的激波系显示出来。
2 计算结果与比较
2.1常温工况下计算模型的验证
研究表明对于脉冲反吹清灰，脉冲宽度对清灰效率几乎没有影响。在满足清灰要求的前提下，提高反吹压力清灰并没有明显的改善效果，而过高的 过滤速度对清灰效率极为不利，会严重影响过滤器的稳定操作 [8] 。
计算采用的喷嘴(图6)喉部直径d=10 mm，喷吹压力为300kPa、脉宽为50 ms，流场温度为300 K。脉冲反吹时，脉冲阀是瞬时开启和关闭的，因此将反吹过程视作非定常流动进行数值计算。计算区域的入口采用压力入口条件：给定压力入口断面上一正弦压力分布:
式中pb——环境压力
p——喷吹压力
τ——脉冲宽度
t——喷吹时间
本算例中，各参数分别取为pb=101.325 kPa， p=300 kPa，τ=50 ms，t=0～50 ms。
图3所示为渐缩喷嘴脉冲反吹过程高速摄影拍 照结果与数值计算的密度云图的对比，其中，左边 为试验结果，右边为数值计算结果，激波的形状和 位置和试验吻合得较好，从中可观察到高速气流所 形成的激波自产生至衰减的全过程。
0～10 ms为流场建立阶段，如图3a所示。此 时脉冲阀开度小，喷管压力低，气流在喷管中得到 完全膨胀，为亚声速流动。随着脉冲阀开度逐渐增 大，喷嘴出口压力也随之增大，由于喷嘴出口的静压大于环境压力，在喷嘴出口附近形成膨胀波，膨 胀波在射流边界上反射为压缩波，在t=6 ms时刻， 射流流场中第一个激波胞格结构形成，说明此时流 场中存在超声速流动区域，在t=10 ms时刻形成了 一系列的激波胞格。
10～46 ms为维持阶段，此时激波胞格结构维 持不变，激波和膨胀波的位置基本保持不变，流场 基本保持稳定，属于低度欠膨胀流场，具体如图3b 和图3c所示。
t=46 ms以后为衰减阶段，此时由于气体粘性 的作用，气流射入大气后逐渐与周围气体掺混，射 流气体的能量不断减小，激波胞格逐渐衰减，最终 使气流中的膨胀和压缩过程终止，整个流动变为亚 声速射流，具体如图3d所示。
图4所示为反吹过程中轴线距喷嘴出口2d、3d、 4d、5d、6d处各点压力随时间变化的数值计算结果， 图示各点压力在脉冲反吹过程中有高频振荡，其中， 10～40 ms脉冲保持，振幅达到最大；0～10 ms脉 冲建立时刻及40～50 ms脉冲结束时刻压力振荡的 频率较脉冲保持稳定时压力振荡的频率大。脉冲反 吹过程中，射流核心区存在负压，该区域位于脉冲 反吹系统的引射区域，负压存在有利于引射作用。
图5所示为沿轴线距喷嘴出口60d、70d、80d、 100d处各点压力随时间变化的数值计算结果。由 图可以看出振荡向前传播，振幅衰减严重，同样存 在负压区。远离喷嘴出口各点位于滤管区域，负压 存在对反吹有不利，故设计反吹系统时应考虑此 因素。
2.2高温工况下不同结构喷嘴出口流场的比较
为了研究高温工况下不同喷嘴结构对反吹过程流场结构的影响，选取如图6所示喉部直径d均为10mm的三种典型结构形式的喷嘴进行计算。在增压流化床燃烧(Pressurized fluidized bed combustion，PFBC)条件下，温度为840～870℃，压力为1.0 MPa；而在IGCC条件下，温度为650～850℃，压力为0.3 MPa，因此要求滤管材料能耐 850℃以上的温度 [9] 。故计算给定环境温度为1 150 K，脉冲反吹气体温度为600 K，其他边界条件与常温工况下计算取相同边界条件，湍流模型取S-A湍 流模型。
在脉冲稳定阶段(以下均选取t=25 ms时刻计 算数据)，图7所示为各喷嘴出口流场，喷嘴出口流场均为典型的欠膨胀射流。其中缩放式喷嘴的射流核心区最大，渐缩式喷嘴次之，直管式喷嘴射流核心区最小。
现结合马赫数等值线局部放大对喷嘴出口作进一步说明。缩放式喷嘴出口流场如图8所示，为典型的低度欠膨胀流场 [10] 。其射流核心区可以观察到由膨胀波、反射斜激波、剪切层组成的激波胞格结构。脉冲反吹气体在喷嘴出口经膨胀波减压增速，膨胀波相交然后分别到达剪切层，在自由界面反射形成激波，气流穿过激波压力跃增、速度陡降。渐缩式、直管式喷嘴出口流场结构与其相似，但强度稍低。
图9显示三种喷嘴出口沿轴向的压力分布沿轴线呈衰减波形分布，其中直管式喷嘴的射流核心区范围在0～8 d内，渐缩式喷嘴的射流核心区范围在0～9 d内，缩放式喷嘴的射流核心区范围在0～10d内，射流核心区之后压力分布保持稳定。
三种喷嘴出口流场沿轴线的马赫数比较结果如图10所示，射流核心区马赫数沿轴线变化范围较大，气流流速均保持超声速，直喷管在11.1 d、收缩喷管在11.8 d、缩放在12.6 d后气流流速降为亚声速。
3 结论
(1)利用高速摄影系统拍摄了喷嘴脉冲反吹过程中的分幅阴影照，采用数值计算的方法对这一过 程进行了计算，试验结果与计算结果吻合很好，表明了本研究的合理性和准确性，对脉冲反吹系统的优化设计有着积极的意义。
(2)通过对脉冲反吹过程非定常流场的数值计算发现，脉冲反吹过程时喷嘴出口流场中有明显的压力振荡，且该振荡保持一定速度向前传播。脉冲反吹过程时，喷嘴出口流场存在负压，射流核心区位于脉冲反吹系统引射区域，故负压存在有利于引射作用；远离喷嘴出口各点位于滤管区域，负压存在对反吹有不利影响，故设计反吹系统时应考虑此因素。
(3)通过过比较直管、渐缩和缩放三种典型结构形式的脉冲反吹喷嘴高温工况下的出口流场的数值计算结果发现，不同的喷嘴结构对流场压力均一化波系存在影响，喷嘴出口观察到明显的激波胞格结构，缩放式喷嘴出口射流核心区最大。
(4)通过跟踪流场不同时刻的压力分布发现，喷嘴出口射流核心区存在激波现象，但未观察到激波在整个脉冲反吹流场传播，则脉冲反吹过程中激波对清灰作用的影响有待进一步研究。
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