蜂窩式填料礦用除塵風機的CFD模擬

宋凱　孫志坤　劉濤　趙子赫（中國礦業大學（北京），北京　100083）

蜂窩式填料礦用除塵風機的CFD模擬

宋凱孫志坤劉濤趙子赫
（中國礦業大學（北京），北京100083）

針對日益嚴重的井下煤塵污染，自主設計了濕式蜂窩擾流濾芯除塵器。介紹了此新型除塵器的除塵機理及結構組成，搭建了除塵器的實驗平臺，以便與后續的仿真模擬做對比。建立濕式蜂窩擾流濾芯除塵器的數學模型，并對其進行了網格劃分，針對各種邊界條件進行了分析，模擬了單相氣相、氣液兩相、氣固兩相流中的圖湍能和速度分布，為風機的設計提供了參考。

濕式除塵蜂窩擾流濾芯CFD模擬

隨著我國能源工業的不斷發展，煤礦開采的機械化程度也越來越高，功率大、效率高的綜采、綜掘設備得到了廣泛的使用。由此產生的負面影響也是顯著的，井下工作面、巷道內的粉塵產生量急劇增加。井下粉塵污染不僅會使勞動者患上塵肺病，而且造成設備磨損，儀器失靈，并在一定條件下引起煤塵爆炸，嚴重威脅礦井的安全生產。

粉塵的危害早已為人們所知，并且采取了很多措施進行預防。比如在開采前的煤層注水，增加煤的含水量；在掘進機、采煤機上安裝內外噴霧裝置，進行噴霧除塵；利用井下風流進行通風除塵，稀釋空氣中的煤塵含量等等。但是取得的效果有限，空氣中煤塵含量依然遠遠超出國家標準。這就說明需要一種更為高效的，專門為煤礦井下除塵用的設備［1］。

近年來，我國引進了一些除塵設備，但是因為體積大，功耗高，無法適應我國的井下環境。而國內研制的一些除塵設備，因為井下水質、粉塵性質等各種原因而無法在井下正常工作。因此，開發一種適于我國國情的井下除塵設備成為改善工人作業環境，保障煤礦安全生產的當務之急［2］。

1　蜂窩式填料除塵器簡介

為了有效去除空氣中的煤塵顆粒，本文提出并設計了濕式蜂窩擾流濾芯除塵器。在該除塵器中，最關鍵的組件是蜂窩擾流濾芯。蜂窩是指濾芯內部蜂窩狀的六邊形結構，擾流則是指流體在圓柱后形成的卡門渦街對于平板邊界層產生的擾動作用，因此又將圓柱稱為擾流柱。如圖1所示［3］。

圖1　蜂窩式填料

1.電機　2.噴頭　3.蜂窩擾流濾芯　4.脫水網　5.導流板　6.集污槽圖2　濕式蜂窩擾流濾芯除塵器實驗平臺示意圖

圖3　濕式蜂窩擾流濾芯除塵器計算區域

圖4　濕式蜂窩擾流濾芯除塵器計算區域

圖5　湍動能（uin=5.54m/s）Fig.5 Turbulent Kinetic Energy（uin=5.54m/s）

濕式蜂窩擾流濾芯除塵器（蜂窩擾流濾芯除塵器）是一種濕式除塵器，如圖2所示，主要作用介質是水。除塵用水通過噴嘴向蜂窩擾流濾芯器壁表面噴水，在其壁面和濾芯內的擾流柱表面形成一層連續的水膜，當含塵空氣通過蜂窩狀濾芯時，其中較大粒徑的粉塵顆粒會因為慣性而撞擊到蜂窩濾芯內呈交叉分布的擾流柱，被其壁面的液膜被捕獲，而較小的顆粒則由于較好的跟隨性，隨著氣體分子繞過擾流柱。而在擾流柱后面，卡門渦街與蜂窩壁表面液膜邊界層形成復渦黏，強化了渦團間的作用，小顆粒的擴散作用增強，均勻分布在空氣中。在含塵空氣與濾芯體壁上的液面接觸時，小顆粒被液膜捕集達到除塵的效果。此外，濕式蜂窩擾流濾芯除塵器還具有氣體的冷卻和吸收作用，而且蜂窩擾流濾芯方便更換，所以日常的維護更加容易，使用壽命更長。

2　濕式蜂窩擾流濾芯除塵器的CFD建模

從上面的分析可以知道，濕式蜂窩擾流濾芯除塵器內流場屬于稀相多相流，本文將采用歐拉—拉格朗日方法對濕式蜂窩擾流濾芯除塵器內的多相流動進行數值模擬。其中先采用標準的k-ε模型對連續相氣流進行模擬，再使用RSM對其進行模擬，然后將模擬的結果進行對比分析；使用DPM模型對實驗中的顆粒相進行模擬，氣固相間采用速度與壓力的動量耦合，并驗證該模型在濕式蜂窩擾流濾芯除塵器內多相流數值模擬的可行性［4］。

2.1模型假設與簡化

（1）含塵氣體視為不可壓縮的牛頓流體；

（2）除塵用噴霧液滴為球形；

（3）含塵空氣與液滴間不存在傳質、傳熱和化學反應；

（4）忽略噴嘴及其他附件對流場的影響；

（5）由于實驗系統為圓形截面，所以簡化為二維模型進行模擬。

2.2物理模型與網格的劃分

為了驗證濕式蜂窩擾流濾芯除塵器除塵機理的正確性，根據理論模型搭建了實驗用的實驗平臺，將該實驗平臺的物理模型簡化后，得到如以下模型，如下圖3所示。

對濕式蜂窩擾流濾芯除塵器實驗平臺進行簡化后的模型劃分網格，劃分結果如圖4。考慮到流管的對稱性，三維的模型可以通過有條件的簡化，生成二維的數學模型。

（1）進口條件。濕式蜂窩擾流濾芯除塵器進風口設定為速度型進口，室溫狀態，進口速度u分別取3.0m/s、3.5m/s、4.8m/s、5.5m/ s、6.4m/s，方便與物理實驗數據進行驗證。同時假定進風口為均勻流速，且在除塵器內部流場充分發展。

圖6　湍動能（uin=5.54m/s）

（2）出口條件。出口為外界大氣壓，所以出口邊界設定為有壓邊界出口。

（3）壁面條件。除塵器壁面均為固體表面，所以進行無滑移邊界條件處理，近壁面使用標準的壁面函數進行模擬。（4）離散相模擬。離散相進行如下的假設后使用隨機軌道模型：

1）顆粒粒徑：實驗用顆粒為煤塵，所以假定顆粒粒徑符合Rosin-Rammler分布；

2）顆粒數目：實驗用風近似勻速，所以顆粒按照一定的速率釋放；

3）邊界條件：由于采用濕式除塵法，且采用水膜除塵，所以當顆粒碰到實驗平臺內壁面，擾流柱壁面以及蜂窩擾流濾芯壁面時，都可以認為是被捕塵體捕獲，只有出口壁面設置為逃逸。

3　蜂窩擾流濾芯模型數值模擬的結果分析與討論

按照上述方法對濕式蜂窩擾流濾芯除塵器進行數值模擬，得到了以下結果。

3.1單相氣相模擬

氣相的湍能分布如下：

由圖5可以看出，k-ε模型與RSM模型在入口速度為5.54m/ s時，二者的模擬結果都能夠反映出濕式蜂窩擾流濾芯除塵器內的湍流情況。并且蜂窩擾流濾芯內部都出現了強度在1.60m2/s2左右的較強湍流。湍動能的提升加劇了粉塵的湍流擴散，促進了除塵器內部各相的混合接觸，對于提高除塵器的除塵效果起了積極的作用。

3.2氣固兩相流的模擬

單獨的氣相流場模擬比較簡單。相較于單獨的氣相流場，含有固體顆粒的氣、固混合兩相流具有一些特殊的性質，下面就氣固兩相流進行相關參數的數值模擬。

氣相的湍能分布如下：

由圖6可以看出，k-ε模型與RSM模型在入口速度為5.54m/ s，空氣含塵濃度9g/m3時，二者的模擬結果都能夠反映出濕式蜂窩擾流濾芯除塵器內的湍流情況。并且蜂窩擾流濾芯內部都出現了強度在1.60m2/s2左右的較強湍流。湍動能的提升加劇了粉塵的湍流擴散，促進了除塵器內部各相的混合接觸，對于提高除塵器的除塵效果起了積極的作用。

圖7　加噴水的速度場

3.3氣液兩相流的模擬

在濕式蜂窩擾流濾芯除塵器的除塵過程中，要始終保持噴水對蜂窩擾流濾芯內壁表面的噴水過程，以保證擾流濾芯內壁不斷被沖刷，達到“自清潔”的目的。所以，本文對氣液兩相也進行了模擬，用以表明液氣比對流場的影響。

氣液兩相流氣相速度場的模擬結果如下：

如圖9所示，濕式蜂窩擾流濾芯除塵器在噴淋過程中的氣相速度矢量分布圖和蜂窩擾流濾芯附近速度矢量圖說明，相較于無噴淋的速度場，在氣液兩相流場中氣液兩相發生強烈的耦合作用，造成擾流柱附近的湍流程度降低，在擾流柱的后方，由于液相的加入，原本清晰的卡門渦街現象已經不那么明顯，速度梯度邊界層更加明顯，但是湍流程度稍微降低，氣相液相間接觸面積有所降低，氣液兩相摻混明顯，粉塵與液滴的碰撞幾率反而增加。所以，過大的液氣比雖然降低了空氣與液膜接觸層的厚度，但是其除塵效率并沒有降低。但是從降低消耗，節約能源的角度來說，需要盡量的減小液氣比，降低消耗，所以還是可以從增加空氣與液膜接觸層厚度的角度來考慮提高捕集粉塵顆粒的效率。

4　結語

本章采用計算流體動力學建立了模型，分析了濕式蜂窩擾流濾芯除塵器的性能，對除塵器內空氣的流動特性進行了模擬，得出以下結論。

（1）對濕式蜂窩擾流濾芯除塵器內部氣相流場進行了模擬，RSM湍流模型能更精確地反映各項的旋流運動。模擬結果以圖形的方式來觀察濕式除塵器湍動能分布，可以指導除塵器的設計。

（2）模擬氣固兩相流過程中假定入口風速5.54m/s，空氣含塵濃度9g/m3，采用了RSM和DPM模型，分別對速度、壓力和DPM濃度等進行了模擬。模擬結果證明，氣體中的顆粒進入除塵器后，隨空氣繼續前進，大粒徑的顆粒由于慣性與擾流柱或者除塵器內壁表面發生碰撞或攔截而被捕集，小粒徑的顆粒隨氣流繞過擾流柱后，在擾流柱后發生凝聚或者因為擴散效應而被蜂窩擾流濾芯器壁表面水膜被捕獲。同時經過蜂窩擾流濾芯壓降增加約60Pa；且隨入口速度增加，壓降增加。

（3）當入口速度為5.54m/s，液氣比控制在0～0.3L/m2時，對除塵器內部流場的氣液兩相流進行模擬。模擬結果說明，噴水液滴對于流場有著整流的作用，使得蜂窩擾流濾芯內部的湍流相對弱化，擾流柱后的渦街減弱，但擾流柱上下兩側湍流增大，周圍速度梯度級別增多；蜂窩擾流濾芯前后的壓降降低；出口液氣比增加，并可能帶有部分液滴。

［1］史興國.煤礦粉塵控制.金屬礦山，2009，11:776～779.

［2］徐景德.礦塵防治.徐州:中國礦業大學出版社，1992:12.

［3］郭建明.KSWS濕式除塵裝置在石圪節礦井的應用.煤，2009，18（6）: 71～72，76.

［4］歐陽潔，李靜海.模擬氣固多相流動非均勻結構的顆粒運動分解軌道模型.中國科學（B輯），1999，29（1）:29～38.

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