喷射流体紊流混合装置的理论计算及其应用

　　1 喷射流体紊流混合的研究概况

　　喷射流体紊流混合的研究时间较长,由于问题本身的复杂性加上在环境工程的应用不断提出新的要求,仍引起人们的广泛重视,喷射流体紊流混合装置早期研制成文丘理除尘器[1]已在烟气除尘治理项目得到应用,但由于单级紊流混合未能发挥流体动力力学作用,影响治理效果。文献[2]研究液)气喷射泵紊流方程组,采用单流体K_E模型,应考虑相应方程属两相流体的紊流掺和。喷射脱硫剂烟气粉尘脱硫属于液—气(固)两相紊流,它既有湍流的特性又具有多相流的特性,并要考虑脱硫剂与含硫化合物的化学反应过程,在短期内从微观上建立较真实反映含化学反应过程在内的两相湍流机理的模型仍十分困难。如果我们回避两相流界面的特性参数的突变及本构关系,仅考虑相间质量、动量及能量的平衡关系和传递交换的规律,可以建立双流体模型[3],这种模型认为液—气(固)有足够的浓度,两种连续介质在同一时空内重叠、相互作用,并且是高速、高紊流状态,化学反应考虑紊动能能量耗散率的影响和质量流率的变化。若液—气(固)及喷射液体速度及紊流度较低时,可忽略湍流载能运动及其相应的物理量,用时均运动速度代替脉动速度,把流体看作不可压缩的,流体的密度为常量,分别按液—气(固)建立流体力学方程和液—气(固)在紊流混合室的动(冲)量方程,对研究液-气紊流混合装置的性能更有现实的指导意义。

　　本文研究两级紊流的液—气(固)喷射器的流体动力学方程,按一维不可缩、定常流动建立模型,其难点之一是考虑喷射脱硫剂(液体)与烟气含硫化合物的化学反应,对流体力学方程的影响。事实上,考虑化学反应是一种放热过程引起温度的改变,喷射器接收管的传热引起的温度差产生了单位体积力的作用,与文献[4]研究的自然流动十分相似。文献[4]指出单独考虑当温度差所造成的密度差为引起运动的唯一原因时,其每单位的体积力为(式中Q为流体密度, g为重力加速度,为管内平均温度,H为管内、外温度差)。本文必须考虑脱硫剂与硫的化学反应释放的热量造成的温度的影响才能建立模型,将在后面讨论。

　　2 液—气(固)喷射器的流体动力学方程

　　两级紊流混合的液—气(固)喷射器如图1所示。图中1为喷咀,2为喷咀座,含脱硫剂的流体由喷头喷射,抽引从喷管座2—2截面进入的烟气,在接收管3进行紊流混合,由于喷射流体及烟气速度较低(小于90m/s),可以假设流体是不可压缩和定常流动的。

　　液体从入口至喷咀出口1—1截面的贝努里能量方程为:

式中P_L0为液体全压力(滞止点); P1为喷咀出口压力,ρ₁为喷射流体的密度, U₁为喷咀出口的速度,ζ₁为局部阻力损失系数。