某型真空出铝抬包引射器的流场模拟及优化

doi：10.11832/j.issn.1000-4858.2020.06.012
某型真空出铝抬包引射器的流场模拟及优化
黄安宁J郑宇阳2
(1.重庆旗能电铝有限公司，重庆棊江401420；
2.西南石油大学机电工程学院，四川成都610500)
摘要：为了了解某型号真空吸铝抬包的引射器中流体流动情况，使用Fluent软件对其进行了数值模拟，分析了其压力及流速分布情况。

在此基础上，分析了该型号引射器为单吸入口的不足之处。

通过优化结构，将其修改为对称双入口结构的引射器，并再次模拟计算了抬包吸入口的负压值，获得了吸铝所需较科学的最低引射气流压力值。

并进一步运用VOF两相流模型模拟了真空抬包的瞬态吸铝过程，获得了不同时刻铝水在抬包中的流动及体积分数分布情况，为设备的升级改造的提供了理论依据。

关键词：真空抬包；引射器；结构优化；Fluent模拟
中图分类号:TH137:TH138文献标志码：B文章编号：1000-4858(2020)06-0078-05
Flow Field Simulation and Structure Optimization of
Ejector in a Vacuum Ladle
HUANG An-ning1,ZHENG Yu-yang2
(1.Chongqing Qineng Electricitj and Aluminum Co.,Lth.,Qpiang,Chongqing401420；
2.School or Mechatronic Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu,Sichuan610500)
Abstract：In order to understand the fluid flow in the ejector of a ce/ain type of vecuum ladle for pumping aluminum liquid,Fluent software is used for-□26X01simulation,and the distribution of pressure and yXocity are analyzed.On this basis,the shortcomings of the ejector with a single suction inlet are analyzed.W e then optimiee the structua ot the ejector and moddy X as a double inlt ejector.We simulate and calculate the negative pressure of suction inlt in vecuum ladl,and obtain the lowest injection passua velue required for pumping aluminum liquid.We further use the VOF two-phase flow model to simulate the process of pumping aluminum liquid in the vecuum ladle.The flow and volume fraction of aluminum liquid at diXeant times are obtained.The study provides soma theoretical basis for the upgrading of the equipment.
Key wordt:vecuum ladle,ejector,structure optimization,Fluent simulation
引言
真空抬包是冶金行业常见的周转容器，依靠气体引射器作用产生负压使抬包内达到一定的真空度，利用负压把铝、镁等液态金属从电解槽内吸出并转运至后续生产工序。

气体引射器是真空抬包中关键部件,在引射器中压缩空气经过变截面的喷嘴后形成高速射流，由于高速射流的紊动扩散作用，流动过程中对抬包中的气体进行卷吸，使之被吸入接受室,高速压缩空气与被吸入气流在混合室内混合，进行能量交换,流动过程中其速度场逐渐分布均匀，随后混合气体进入扩散管,流速逐步降低，最后以一定流速和压力进入消音室，经消声和净化后排入大气。

而抬包中的气体被不断抽吸，包内产生的真空度达到一定后,就可在大气压
收稿日期$2019-11-26
基金项目:四川省科技计划(2017GZ0357))
作者简介:黄安宁(1976—),男，湖北荆州人，高级工程师，硕士，主要从事铝电解设备设计与研究工作(
的作用下将电解槽中的铝液通过吸铝 取到抬包体 内，完成吸铝作业。

射器形成负压的过程是复
杂的物理 ，气流混、卷吸、膨胀波系与压缩波系 的相互。

国内 有 的学者对各 射器 & 7, 针大型出铝抬包的：引射器 &9', 步真空抬包吸铝情况
的更不。

大铝电解槽的出现，生产抬包的盛铝容积 来越大，因此有
抬包的气
射器结构以及在 射压力状态下抬包吸铝情科学合理的
，
备的升级改
吸
铝能
供相关依据。

1
及求解
1.1 几何模型建立
真空出铝抬包的
射器 由 (喷射
器)、受室、混、消音等组成，其结构 图如
图1所。

图1抬包引射器剖视图
&10'
，射器的二维和三维模型在
算结果上 差在3%以内，在工程计算允
许 内。

模 算的时间，利用ANSYS 前
处理软
号真空出铝抬包引射器 简 实
模，生成二维的流
算域，如图2所，并进
划分等前处理。

根
产现场实际情况，设定
端 收缩管端面 。

1.2 求解方程及边界条件
运算量，忽略 在流动中的温度变化，
假 不可压缩。

由 射器内 流为完全湍流 的流动状态，采用标准*+方程模 立方程，经简化
的方程如下&⑴:
$(p *) * $(#$)
_
$ /
$(#?) * $(P$")
$ / $.
式中，p ——流 度
$
——
动力黏性系数
*----湍动能
$——
流速"----
2---------------
速度梯度
的湍动能
(，c ；% —— 分别取常数1.45和1.92
在Fluent 软件中，设定引射气流采用压力入口条
(Possuo-inlet)，根 产现场实际 ，压
0.50 MPa ；被吸
入口 用压力入口
二
(Pressure-inlet)，压力设置为0 ；出口采用压力出口(Pressure -yutlet)；因为考虑到消音器的圭寸闭阻隔，根
际 出口压力表压
0.08 MPa ；固
处采用无滑移边
(Wall)；
近面采用标准壁
面函数进行修正;采用压力和流速耦合(Coupled )的算
法，用二阶迎风
(Second Order Upwind )
运
算 。

a)引射器实体结构模型
2仿真结果与分析
b)引射器流体域模型
图 2 引 器
将划分好网格的流体域模型导入Fluent 软件中进
模 算， 射器内部流体压力及流速等分布
，如图3所。

图3a 中可以看出，压缩空气流经
，压力
下降较快，在 受室已经产 压，尤 在收缩管
内部，负压最小值达到- 0.23584 MPa ，此时吸入口顶
近的
压 -0.05835 MPa 。

产现场
际
基本
，说 用Fluent 软
模拟的可 。

从图3b 中可以看出，混 流速度
沿引射器中心轴线呈 变化，引射入口处
速
度为588.7 m/s ,在喷嘴端部速度
大，气体流速
已超过音速，
易因高速气流 坏，与实
际使用 （混 流最后以平均速度231. 2 is
扩 端流出。

由图3b %图3c 可得知，混 流
在扩
端出
大区域的漩涡回流，这将 响
顺利流动，造成 大的能 ，不利 高抬包
的真空度。

2.47e+005
Pressure Gon t our 1
3.02+005
Velocity Contour 1
ar 1.04e+003I - 9.39e+002
■ -8.35e+002■ - 7.31e+002I 6.26e+002I 5.22e+002I 4.18e+002I - 3.13e+002I - 2.09e+002I 1.04e+002
■ 0.00e+000
[m s A -1]
C ）速度流线图
图3抬包引射器仿真分析结果图
根 [12'，选取电解槽中高温铝液密度/ = 2.3x103kg/m 3，真空出铝抬包吸铝高度T =2. 1m 。

由
伯努利方程P 二pgh 可知，在出铝时真空抬包中的 '
压 0.04738 MPa 才能将铝水吸入抬包中,在一个
标准大气压下折算为表压 应 - 0. 05395 MPa 。

在引射压 0.50 MPa 且抬包整
完好的 「
下， 号的出铝抬包可以将铝水从电解槽吸取至抬
包中， 有
点，抬包中的真空度将急剧下降,
会出现由于真空度不够导致铝水抽取时间长，甚至
取的。

3结构优化仿真分析
3.1 仿真结果分析
由图3中知气流在扩 端出 涡流，主要原因是吸入口为单入口结构且位 射器下部，当吸
入的低速 入收缩管混 动量交，对整体
气流流动方向有扰动。

针对不足之处，将吸入口
为
上下对称分布同等直径2个吸入口，用
除漩涡现。

结构优化后仿真模拟所采用的
、边 件
等
原结构仿真时相同,仿真结果如图4所。

1,40e+004B.32e+004
3 60e+005
4.61e+0023.46e+002
1.15e+0020.00e+000
1.94e+0051.24e+005
a ）流体压力云图
b ）流体速度云图及流线图
图4结构优化后的引射器仿真分析结果图
图4o 压力云图可看出，同等条件下，双入口结
构形式的引射器在吸入口
压 勺
-0.08029 MPa ，远优于单入口引射器。

从图4b 速度
云图及流线图也可看出，结构优
的引射器扩 ：
端出口处速度梯度分布均匀，流线顺畅且清楚可辨，
涡回流 。

3.2引射 选取
在采用对称双入口结构形式的引射器后，吸入口
压 小于吸入铝水所 压值，说 射入
口压
可以适 整，具备节能降耗的空间。

在不同引射压
下，对优
射器
模 '
算， 加理的生产技术参数。

具 如
1 所 。

MP<
表1不同引射压力条件下的对比表
序号
引射压力
吸入口顶部平均压力
1
0.55-0.089292
0.50
-0.08029
30.45-0.07295
4
0.40
-0.05767
由表1可知，
射压力的增加，在吸入口产生
的负压
，即出铝抬包中的真空度越大， 易将
铝液吸取进入抬包中，但单位时间内压缩空气的 i
将大幅增加。

射压
0.40 MPa 时，产 的
压 吸铝所 压
差不大，考虑 场
际存在
，实际产过程中引射压 议选
取 0.45 MP＜。

3.3抬包吸铝模拟分析
假定真空抬包完好,取用引射入口压力为0.45MPa时抬包吸入口压值作为压力入口的初始条件;采用瞬态计算,流体体积(VOF#模型，启用*+湍流方程，PISO算。

其中铝液动力黏度"二1.196x10一3Pa・s,表面张力系数&二0.72N/m&13经模拟计算后,铝液被吸入抬包中的流动和体积分数分布图5所。

图5不同时刻铝水体积分数图
由图5得知，在出铝真空抬包整体密
的下,铝水在1.3s左右就能被吸入抬包中，此
铝水进入抬包的平均速度为0.475m/s,折算为铝液流量即为0.527t/min。

单台槽出铝 3.21,则单槽吸铝时间能控制在7mW以内，产际需求。

4结论
(1)可利用Fluent软抬包引射器流场分布情
、抬包吸铝瞬态过程有效模，不足之处针的改进，产际具有的指导作用和参考；
(2)在相同、、以及同等入射压力的下,对称的双吸入口结构形式的引射器单吸入口引射器在整个流体区域压流速分布都更加匀，出口未出涡回流，整速度流线顺畅。

出铝抬包可高的真空度，从电槽中吸取铝液的初速度更快,可作人员劳动时间,降工人的劳动强度；
(3)装有对称双吸入口结构形式引射器的出铝抬包，在入射压0.45MPa的下产生的真空度就可场工，可减少压缩空气的，具有的节能降耗空间。

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引用本文：
黄安宁，郑宇阳.某型真空出铝抬包引射器的流场模拟及优化[J].液压与气动,2020,（6）:78-82.
1HUANG Anncng,ZHENG Yuyang.Foow Fceod Scmuoaicon and SieuciueeOpicmcaaicon ooEeecioecn aVacuum Ladoe[J].Chcnese Hydeauoccs&Pneumaiccs,2020,（6）：78-82.
符号的选用
尽量用公式编辑器，物理量符号的选用按国标，外文字母的正斜体使用原则如下：
斜体:物理量符号（质量e,力7；pH、硬度符号HB除外）、物理常数及特征数（雷诺数））、数学中的变量符号（。

巧0坐标、函数代.））（如:公式（1）
：2=C d G X e槡槡（P o-P2）（1）黑斜体:矢量、张量、矩阵。

如:矢量＜、张量/、矩阵"=（111213）o
正体:计量单位、化学、某些数学符号（sin、tan、ln、d（微分）、％logexpmin i max）等；
作为下标的某些表示特定含义的字母，也用正体表示（例如最大电流V o、电动机转速$f）等。

另外，可用下标进一步说明和区别物理量符号的含义，例如可用英文单词头个字母a（轴向）、a径向）以及坐标轴.和Y等作为力符号7的下标，则构成轴向力7g、径向力7-以及坐标x,y向的7.和7的物理量符号。

其中a、r是名词或定语的头个字母，所以是正体字母，而x,y是坐标变量符号，所以是斜体字母。