大型储罐清洗喷嘴的数值模拟研究

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第30卷第9期2013年 9月机 电 工 程Journal of Mechanical＆ Electrical EngineeringVo1．30 No．9Sep．2013DOI：10．3969／j．issn．1001—4551．2013．09．011大型储罐清洗喷嘴的数值模拟研究方 舟，杨剑锋 ，刘文彬(北京化工大学 化工安全教育部工程研究中心，北京 100029)摘要：针对石油储罐机械清洗过程中射流发散严重、有效靶距过短、清洗效果差的问题，现将一种含中心体式喷嘴应用到储罐清洗中。运用Fluent软件对含中心体的储罐清洗喷嘴内外流场进行了数值模拟仿真，过程中选用K一￡紊流模型和SIMPLEC算法进行了数值计算，采用 Mixture多相流模型和非结构化网格对含中心体喷嘴和圆柱形喷嘴进行了对比模拟评价。研究结果表明，含中心体喷嘴沿射流方向的轴心速度逐渐增大，射流在计算域内未发散，有效靶距得到了提高。相比于圆柱形喷嘴，含中心体的喷嘴卅口截面射流半径缩小了13．7％，聚束性得到了提高，打击力得到了更好的保持 ，因而能更好地满足大型储罐清洗的要求。

关键词：喷嘴；水射流；中心体；数值模拟中图分类号：TH6；TH122；0358 文献标志码：A 文章编号：1001—4551(2013)09—1082—04Numerical simulation of large storage tank cleaning nozzlesFANG Zhou，YANG Jian—feng，LIU Wen—bin(Chemical Safety Engineering Research Center of Ministry of Education，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China)Abstract：Aiming at the problems that jet divergence is serious，the efective target distance is shoa and cleaning efect is poor in the processof mechanical cleaning of oil tank．a new type of nozzle which has center cylindrical was investigated．The numerical simulation of the flowfield inside and outside the tank cleaning nozzle with center cylinder was ca~ied on with the software of Fluent，the K—eturbulence model wasused to establish a mathematical mode1．The water jet structure was simulated by fluent arithmetic，The efects of nozzle which has a centercylinder and cylindrical nozzle were evaluated on the Mixture muhiphase flow model and unstructured mesh which used simulation evaluation.

The results indicate that the speed of the nozzle with the center cylinder increases gradually along the stream direction．the jet does not diver—gence within the computational domain and the target distance is improved efectively．The exit jet radius of nozzle which has c,enter cylinderis reduced by 13．7％ compared with the cylindrical nozzle and the bunching of the jet is improved as wel as the hitting power is better kept，SO that it can meet the requirements of large storage tank cleaning beter.

Key words：nozzle；water jet；center cylinder；numerical simulation0 引 言射流清洗是水射流的主要用途之一。水射流技术是从上世纪 70年代发展起来的一项新的清洁技术。

自1972年第一届国际水射流会议以来，每次会议上发表的论文中，水射流清洗技术方面的内容都占有相当大的比重 J¨，水射流清洗技术一直以来都是国内外学者关注的热点。

在最初的空化射流研究中，根据空化产生的条件，即通过在射流中心形成低压区而使射流成为空化水射流。自从 V．E．Johnson等人 采用了中心体或转叶型喷嘴概念以来，随着水射流技术研究的发展，为了更收稿 日期：2013—04—09作者简介：方 舟(1988一)，男，湖北宜昌人，主要从事储罐清洗喷嘴方面的研究．E-mail：fangzl006###sina．COIn通信联系人：杨剑锋，男，教授．E—mail：yjmt###263．net第 9期 方 舟，等 ：大型储罐清洗喷嘴的数值模拟研究 ·1083·加有效地产生空化，国内外学者研究开发了多种形式的空化水射流喷嘴。

1968年，美国水航公司的 R．E．Kohl发明了两种喷嘴 3¨]。第 1种喷嘴称为旋转叶片式喷嘴，它是在喷嘴下部的锥形收缩段 内放置一个本身不动的旋转叶片，液体进入喷嘴内经过旋转叶片导流作用后喷出的射流变成旋转射流，射流中心压力降低，从而产生空化；第 2种喷嘴称为中心体式喷嘴，在喷嘴前部出口处放置中心体，使射流在中心体周 围分离 而产生空化 ]。但该发明并未用于储罐清洗研究上。

随着我国石油储罐大型化的发展趋势，储罐工业清洗已成为近几年的热点话题。工业清洗已不再是一种简单劳动，而是一门需要专业技术、专业设备的新兴产业。储罐罐底油泥厚度一般在 1 m～2 m，即占全罐容积的5％ ～10％，其中大部分是可以回收的原油 J。

储罐清洗时喷枪一般从罐顶进入，由于储罐直径较大，对于射流的喷射距离及有效打击力就提出了更高的要求，只依靠增加压力来延长喷射距离不仅会带来成本的增加，在现场也会带来一系列的安全隐患。

国内关于储罐清洗喷嘴的研究较少，只有山东大学陈颂英教授和浙江大学王乐勤教授对其进行了研究分析_6 ，但两位教授主要是对于自激振荡脉冲射流喷嘴的结构进行研究，对于含中心体的喷嘴研究较少。

本研究主要对现行的含中心体的储罐清洗喷嘴进行模拟研究。

1 储罐机械清洗工艺设备储罐机械清洗工艺主要分为原油移送、同种油清洗、温水清洗三大过程。首先将不含污泥的原油通过回收泵及管道移送到备用储罐中，使储罐中原油液位降低到可以清洗的高度；当被清洗储油罐内流动性较好的原油基本抽吸完成，且罐内氧气浓度低于8％时，启动清洗设备对被清洗储油罐进行清洗。清洗油一般采用与储罐中相同种类的油，方便最终油的回收；利用同种油清洗能够将储罐中大部分附着物和难溶物清洗干净，但为了能将储罐彻底清洗干净，还需要进行温水清洗过程。系统将水通过清洗泵和热交换器进行加压加温后，提供给清洗机，清洗机利用温水对储罐内部各个地方进行喷射清洗，油水混合物输送到油水分离器中分离，油通过回收泵抽到临界罐中，水在油水分离器中再经过一次加热继续进行循环。如此循环，边加热边进行清洗，最终把残油移送干净。

储罐机械清洗设备主要 由回收泵、清洗泵、换热器、过滤器、油水分离器、喷枪等组成，其中喷枪是整套设备的核心设备，而喷嘴是喷枪的主要配件，喷嘴射流冲击油泥表面，它的作用直接影响清洗的最终情况，在同等压力流量下，合适的喷嘴形状不仅可以提高清洗效率，还可以提升清洗效果。

2 清洗喷嘴型式含中心体喷嘴如图 1所示，喷嘴由圆柱形外壳和圆锥形中心体组成，中心体可与出口截面齐平，也可缩进出口截面，内部中心体前端为锥直型，后端为圆柱型，周身有6个翅片对称排列，主要防止射流经过时周身抖动。射流从喷嘴射出，由于中心形成负压，射流集束性较好，能量主要由轴线传递，径向较少，故能量集中，适合远距离清洗。

图 1 含中心体喷嘴模型3 射流流动模型水通过喷嘴喷射到空气中，属于空气和水的轴对称两相混合流动。在两相射流中由喷嘴出口断面之基本段的动量方程 J：l p口 (1+n)dA=／0 (1)to=mB+m (2)式中：厶一喷嘴出口断面上射流的动量，为空气的动量和混合物动量之和；m 一空气的质量流量，kg／s；m 一水的质量流量，kg／s；UB一喷嘴出口处的空气的速度，m／s；／'n一喷嘴出口处水的速度，m／s；n一射流边界层中混合物的质量分数；p ～空气的密度，kg／m ；M 一边界层中任一点的速度，m／s；p 一混合物的密度，kg／m ；一 射流断面面积，m 。

由于所研究的是轴对称模型，则有：A：1Tr ，dA=Z'~za (3)现取无因此坐标 =y／r，则 d^ =2订r l"d ，将该式带人前式，且空气的密度在射流中不变化，则有：2
,,A2Il (1+咖 (4)
第9期 方 舟，等：大型储罐清洗喷嘴的数值模拟研究 ·1085·渐增大，由于计算域 的限制 ，最大轴心速度并未 出现，可以看出，含 中心体喷嘴相 比于圆柱形喷嘴，射流核心速度的长度得到了提升，也就提高了射流有效打击距离。

从图4和图5中可以得出含中心体喷嘴与圆柱形喷嘴 的射 流在 出 口截面上有 效射流半 径分别 为0．051 in和0．058 in，含中心体喷嘴较圆柱形喷嘴集束性提高了 13．7％。圆柱形喷嘴轴心处速度最大，但是随着径向距离的增加，轴向速度逐渐减小直至为0；而在计算域内含中心体喷嘴的喷嘴速度最大处并未出现在轴心处，而 是离轴心 0．024 In 处，速 度大小 为27．48 m／s，这说明轴心速度并未达到最大，最大速度出现在计算域外的区域中。

从以上分析中可以看出，含中心体喷嘴在截面上的射流半径小于圆柱形喷嘴，其集束性要明显好于圆柱形喷嘴，相 比于圆柱形喷嘴，其射流的发散程度较小，能量集中，保持了更好的打击力，更能满足大型储罐清洗的要求。

6 结束语含中心体喷嘴的出口射流由于内部产生负压，具有较好的集束性，在 10倍管径长度的计算域内，最大速度还未出现在轴心处。相比于圆柱形喷嘴，出口截面射流半径缩小了 13．7％，核心速度增长，集束性得到了提高，打击力得到了更好的保持，更有利于大型储罐的清洗。

由于模拟计算域有限，射程提高的长度还需要在后期的实验中进行研究，以便研究者对储罐清洗喷嘴进行全面的分析和评价。

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[编辑：张 翔]