碳烟捕集器气体流动性能的实验与仿真

　　随着科学技术的不断进步,对流体的性质及运动规律的研究也不断深入。由于流体运动规律极度复杂,人们对它的认识还存在很大的局限性。物理模型试 验虽然是研究流体运动的常用手段,但对于实际工程中大量存在的边界形状复杂的区域内的运动,鉴于其复杂性和测量的困难性,实验往往只能给出总流的参数而对 区域内的流场的信息却不能详细描述,而仿真数值模拟则能描述相关流场的具体信息。因此,利用FLUENT软件模拟仿真气体在多孔介质/纯流体耦合区域内的 流动特性能为碳烟捕集器的性能设计提供便利和保证。

　　1　多孔介质气体流动性能的实验与数据分析

　　1.1　多孔介质的性能

　　碳烟捕集器采用泡沫陶瓷为载体,通常多孔介质的性能有气孔率、抗弯强度、热震稳定性、网眼孔径、渗透率、惯性系数等,其中多孔介质材料的渗透率和惯性系数是决定多孔介质中流体流动特性的两个重要参数[1,2]。由于气体在可压缩性情况下

　　作非定常Darcy流动,利用多孔介质中的Darcy-Forchheimer定律计算得到多孔介质材料的渗透率和惯性系数[3,4]。渗透率K和惯性系数C的公式为

　　式中:压力p和速度u的下标1、2表示多孔介质材料入口处的两种不同的气体流动状态;p为入口处的气体压力;p0为大气压;u为入口处的气体流速;K为介质渗透率;CF为介质惯性系数;T为流体的温度;μ为流体的动力粘性系数;L为多孔介质材料的厚度。

　　1.2　实验装置

　　根据式(1)和式(2),确定测量多孔介质渗透率和惯性系数的实验方法和路线。实验装置如图1所示。

　　样品室用于放置25PPI的氧化铝多孔泡沫陶瓷材料样品。材料样品的形状均为圆柱形,实验所用的多孔陶瓷样品的直径为160 mm,样品厚度为46 mm,气孔率为0.8834。气流流经样品后直接流入大气中。流量计前的温度计用于修正流量计的读数,流量计后的温度计用于计算实验气体的粘性系数和当地 声速。XGB 14型旋涡气泵提供流动气体,最大流量480 m3/ h,最大压力42 kPa。LZB 80型玻璃转子流量计测量气体范围80~400m3/h,准确度等级LZB2.5。8205压力计测量范围为-3.45×105~3.45×105Pa, 最大压力为1.379×105Pa,分辨率为69 Pa,准确度为±0.3%。

　　1.3　实验数据分析

　　表1为25PPI的氧化铝多孔泡沫陶瓷材料样品的实验测量结果。取实验数据点编号之间的最小间距为d,当最小间距d分别取1、2、4、6、8时根据式(1)和式(2)计算得到相应的渗透率和惯性系数,如表2所示。

　　从渗透率K和惯性系数CF数值计算结果看,除个别点外,绝大部分数据点计算得到的值都很接近,而且d越大,不合理的数据点越少。