下進風式除塵器流動特性的數(shù)值模擬研究

郗 元， 代 巖, 王詩陽, 母德強

(1.大連理工大學盤錦產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院, 遼寧 盤錦 124221;2.長春工業(yè)大學 機電工程學院， 吉林 長春 130012)

下進風式除塵器流動特性的數(shù)值模擬研究

郗 元1， 代 巖1, 王詩陽1, 母德強2*

(1.大連理工大學盤錦產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院, 遼寧 盤錦 124221;2.長春工業(yè)大學 機電工程學院， 吉林 長春 130012)

以下進風式除塵箱為研究對象，結(jié)合計算流體力學方法對其內(nèi)部流動特性展開模擬分析計算。研究發(fā)現(xiàn),進風口射流現(xiàn)象對下箱體內(nèi)氣流平穩(wěn)流動造成了較大影響，不利于灰塵沉積；除塵器內(nèi)部旋流的存在對主體氣流流動有一定的影響，其擾動作用使氣流偏離原來運動路徑，造成濾筒流量不均勻。

下進風式除塵器； 數(shù)值模擬； CFD； 中心軸線速度

0 引 言

近年來，環(huán)境污染問題日益突顯。隨著國家加大對空氣污染整治的力度，對于煙塵等排放濃度提出了更高要求。除塵器由于除塵效率高[1-2]，可有效控制PM2.5顆粒，因此成為高效處置粉塵保護環(huán)境的有力設(shè)備，得到越來越廣泛的關(guān)注和應(yīng)用[3-4]。然而除塵器內(nèi)氣體流動的特性直接取決于除塵器性能的好壞，對未來除塵器及濾筒的設(shè)計至關(guān)重要。

1 物理模型及網(wǎng)格模型構(gòu)建

以某型號下進風式除塵箱為研究對象，對其進行物理模型構(gòu)建。由于主要研究除塵器內(nèi)氣體流動特性，因此將除塵器上箱體內(nèi)反吹噴吹清灰等裝置忽略，以實現(xiàn)模型簡化處理[5]。

下進風式除塵器主要包括進風口、出風口、上箱體、下箱體、濾筒和灰斗，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 下進風式除塵器結(jié)構(gòu)示意圖

下進風式除塵器主要結(jié)構(gòu)尺寸見表1。

表1 下進風式除塵器主要結(jié)構(gòu)尺寸 mm

下進風式除塵器工作時內(nèi)部流場較為復(fù)雜，為了合理模擬出該過程，需要對模擬進行以下簡化和假設(shè)：

1)默認下進風式除塵器入口速度均勻分布。因為邊界層的影響，實際入口速度在不同位置有差別，但這影響很小，故認為其均勻。

2)忽略熱量對下進風式除塵器的影響，即不考慮熱交換。

由于該模型結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為了能夠較好地對其物理模型進行網(wǎng)格拓撲，采用結(jié)構(gòu)適應(yīng)性較強的四面體網(wǎng)格對其進行劃分。經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性分析后，最終確定該網(wǎng)格模型，如圖2所示。

(a) 整體圖

(b) 切面圖

2 數(shù)值計算方法選取及邊界條件確定

由于下進風式除塵器穩(wěn)定工作時，其內(nèi)部的流動為穩(wěn)態(tài)流動，將氣體假定為不可壓縮氣體，不隨溫度、氣體粘度等物理因素發(fā)生改變[6]；進風口處氣體均勻分布在整個入口截面，入口處的湍流已充分發(fā)展[7-8]。

下進風式除塵器入口的氣體視為常溫常壓下的氣體。入口邊界條件設(shè)定為速度入口；出口為壓力出口，壓力值為標準大氣壓，其余壁面設(shè)置為無滑移壁面，濾筒設(shè)置為多孔跳躍，4個濾筒的滲透率為1.95×10-9m2，過濾介質(zhì)厚為5 mm，壁面函數(shù)選擇為標準壁面函數(shù)。數(shù)值計算方法選用k-ε模型，壓力速度耦合SIMPLE算法，差分格式選擇二階迎風。迭代計算后，殘差收斂曲線如圖3所示。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

除塵箱速度矢量圖如圖4所示。

從圖4中可以看出，氣流在與下箱體后壁面碰撞后產(chǎn)生上升氣流，這時上升速度變大，還有一部分氣流往下沿著灰斗運動。側(cè)面的氣流與此相類似，導(dǎo)致在箱體的下部形成漩渦，漩渦在灰斗處靠近速度進口的下部，由于這個漩渦的渦旋上升作用，使得入口的射流有向上偏的趨勢。同理，在上下箱體的擋板處也相應(yīng)地形成漩渦，在局部造成影響。

圖3 殘差收斂曲線

(a) 速度矢量圖

(b) 跡線主視圖

為直觀觀察不同截面處速度分布情況，選取x=400 mm、x=600 mm、x=780 mm處的速度分布情況，分別如圖5～圖7所示。

圖5 x=400 mm截面速度云圖

圖6 x=600 mm截面速度云圖

圖7 x=780 mm截面速度云圖

從圖5中可以看出，此時的速度最大并產(chǎn)生明顯的射流現(xiàn)象，射流現(xiàn)象維持不久就因為在下箱體里的擴散導(dǎo)致氣流速度減小，部分氣流因為擴散作用從濾筒群中和濾筒與入口側(cè)壁向上，經(jīng)過濾袋的過濾進入濾袋，將灰塵留在外部，向上的氣流速度不斷減小，這是因為有部分氣流進入濾袋內(nèi)部導(dǎo)致的。氣流到上下箱體之間的濾板受到阻擋回流,從而在此處形成漩渦。入口氣流另一部分向后運動，碰到后壁面減速分為兩股。一部分沿著箱體向上，其情況與之前的類似，不同的是這里向上氣流因為濾筒與間壁的縫隙，使氣流流通面積突然減小，速度上升，入口處因為初始氣流大而沒有此現(xiàn)象。還有一部分向下進入灰斗，順著灰斗外輪廓運行在進口射流的下面形成漩渦，使射流方向有一點向上偏離，并使下部灰斗中的顆粒物向上揚起，這不利于灰塵沉積。

從圖6可以看出，1號和4號濾筒下壁因為靠近入口，下部為高速氣流，氣流大使得這兩濾筒風量大于另外兩個。氣流從濾袋不斷進入筒內(nèi)，所以隨著濾筒高度的上升，氣流速度不斷變大，中部的速度大于兩邊。進入上箱體，同樣氣流打入上箱壁，順著壁面從出口處去，因此可以看出在出口上部的速度明顯大于下部。與圖5對比可以看到，因為圖6靠近濾筒出口,使得在這個面的出口速度大于圖5的截面。

從圖7可以看出，在間隙處氣流進入濾筒的情況。在空間面積小的地方氣流流速大，所以濾筒靠近兩側(cè)的位置比4個濾筒中心的速度大。速度流場中因為邊界層的存在以及多孔跳躍現(xiàn)象，速度在該區(qū)變化較大。

對4個濾筒的表面速度分布進行初步分析如圖8所示。

(a) 正視圖

(b) 側(cè)視圖

圖8(a)中，由于1號和4號濾筒靠近進風口，進風的速度較大，所以在濾袋下部一部分區(qū)域速度較大。對于整體濾袋速度從濾袋下部到上部不斷增大，這與之前的分析一致。在濾袋上部存在漩渦，也是上部濾袋速度增加較快的原因之一，從這里也可以看出,在縫隙較小的區(qū)域速度會更快。從圖8(b)中可以看出,1號和4號濾筒整體的進口速度大小中速度分布大的區(qū)域大于2號和3號，據(jù)此可以判斷1號和4號濾筒的處理風量大于2號和3號，隨之其磨損也較大，壽命較短。

濾筒中心上軸線的速度分布可以間接反映處理風量[6]。因此提取4個濾筒的軸線，分析其在不同高度上的速度變化，從而進一步分析在不同面上的處理風量。

4個濾筒中心軸線的速度分布圖，根據(jù)上節(jié)的定義,當z=660 mm時為濾筒底端，z=0 mm時才為濾筒的出口，氣流是從濾筒下部向上部運動，因此應(yīng)該是從z=660 mm運動到z=0 mm處。濾筒中心軸線速度如圖9所示。

(a) 1號濾筒

(b) 2號濾筒

(c) 3號濾筒

(d) 4號濾筒

4幅圖大體的趨勢一致，大致都是在z=660 mm時,因為處在濾筒底端壁面速度為0，在z=660 mm到z=600 mm左右速度變化平緩，基本維持不變。在z=600 mm到z=100 mm時,速度大致成直線上升，快到z=0 mm時，速度有少量下降。

對于4個濾筒主要的不同是在最大風量上，4個濾筒中心軸線上的最大速度從1號到4號風速分別是0.762、0.678、0.677、0.761 m/s。從這里可以看出,1號和4號處理風量要大于2號和3號，但是一般用濾筒中心軸線上速度作為評價指標，1號到4號濾筒的平均速度為0.568、0.510、0.509、0.567 m/s。從這里發(fā)現(xiàn)1號和4號濾筒速度大致相等，同樣2號和3號濾筒的速度也大致相等,但是1號和4號的速度大于2號和3號濾筒。根據(jù)上述評判標準，可以認為1號和4號濾筒流量大致相等，以及2號和3號濾筒的流量也大致相等。但是1號和4號的流量大于2號和3號濾筒，這就導(dǎo)致了不均勻性。

4 結(jié) 語

1)進風口射流現(xiàn)象對下箱體內(nèi)氣流平穩(wěn)流動造成了較大影響，不利于灰塵沉積。

2)進風口處對應(yīng)濾筒的處理風量相比其余濾筒處理風量大，易磨損，壽命短。

3)濾筒中心軸線速度沿著軸向方向呈現(xiàn)出降低趨勢，到達濾筒頂端處速度達到最低。

[1] 劉美玲．袋式除塵器脈沖清灰氣流的數(shù)值模擬[D]．西安：西安建筑科技大學，2009.

[2] 孔祥超,程凱,高云鵬.自激式除塵脫硫裝置流場的數(shù)值模擬[J].長春工業(yè)大學學報:自然科學版,2014,35(2):200-205.

[3] 謝錚勝,黨小慶,高朋,等.袋式除塵器入口煙道流場數(shù)值模擬與優(yōu)化設(shè)計[J].環(huán)境工程學報,2017,11(3):1761-1765.

[4] 高士虎,王璐瑤,王承學.新型旋風分離器的設(shè)計與應(yīng)用[J].長春工業(yè)大學學報:自然科學版，2009,30(4):442-446.

[5] 陸勇祥,蔡杰,王運軍,等.基于兩相流的布袋除塵器結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].南京師范大學學報：工程技術(shù)版,2017,17(1):42-47.

[6] 王福軍．計算流體動力學分析：CFD 軟件原理與應(yīng)用[M]．北京:清華大學出版社，2004.

[7] 吳舒星,張凱,周煒,等.CFD仿真的濕式除塵器流場均勻性的優(yōu)化設(shè)計[J].中國計量大學學報,2016,27(3):301-305.

[8] 王海洲,沙學鋒,鄒家平.基于CFD的仿生非光滑表面柴油機螺旋進氣道對進氣過程質(zhì)量流率的影響分析[J].長春工業(yè)大學學報:自然科學版,2014,35(2):183-188.

Numericalsimulationofflowcharacteristicsfordownside-dustextractor

XI Yuan1, DAI Yan1, WANG Shiyang1, MU Deqing2*

(1.Panjin Industrial Technology Institute of DUT, Panjin 124221， China;2.School of Mechatronic Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China)

The internal flow characteristics of a downside-dust extractor is studied with Computational fluid dynamics method. Results indicate that the inlet jet can keep the flow of lower extractorstable to avoid dust deposition. The internal whirlwind has some effects on inlet-airflow. The disturbance makesthe inlet-airflowdeviatedfrom its original routewhich causes the uneven flow in the downside-dust extractor.

downside-dust extractor; numerical simulation; CFD; central axis velocity.

2017-07-21

遼寧省博士啟動基金資助項目(20170520354、20170520148)； 國家自然科學基金資助項目(21706023)； 大連理工大學盤錦產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院專項資金項目(YJYZXZJ004)

郗 元(1987-)，男，漢族，遼寧盤錦人，大連理工大學盤錦產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院工程師，博士，主要從事環(huán)保機械方向研究,E-mail:xy59135210@163.com. *通訊作者：母德強(1961-)，男，漢族，遼寧昌圖人，長春工業(yè)大學教授，博士，主要從事機械設(shè)計與精密加工方向研究,E-mail:mudq@ccut.edu.cn.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2017.5.17

X 964

A

1674-1374(2017)05-0501-05