基于CFD的錐形散射器強化清灰特性數值模擬及優化

郗 元， 姜文文， 代 巖*， 王國際， 閆志剛， 任福良， 牛鳳娟

(1.大連理工大學盤錦產業技術研究院 遼寧省化學助劑合成與分離省市共建重點實驗室， 遼寧 盤錦 124221；2.營口遼南環境技術開發有限公司， 遼寧 營口 115000；3.營口理工學院 化學與環境工程學院， 遼寧 營口 115000)

濾筒除塵器在工作一段時間后，需要對其外表面附著的塵粒進行清除。既需要及時、均勻地去除濾筒上的積灰，同時又要避免過度清灰，使其能保留“一次粉塵層”，以保證運行的高效率[1-2]。如何清除表面附著的塵粒并進行有效的剝離是保證除塵器穩定運行的重中之重。目前國內外學者基于噴吹參數和噴吹結構做了很多實驗和數值研究。胥海倫等[3]設計出上部開孔錐形散射器，模擬結果表明采用上部開孔散射器使濾筒側壁壓力分布達到均勻，但隨著開孔的增大趨于不均勻。同時，結合試驗測試驗證了在同等噴吹工況下，頂部開孔錐形散射器可以有效提高濾筒脈沖清灰過程中的均勻性，降低了壓縮空氣對濾筒底部造成的沖擊傷害，進而提高了筒下部濾料疲勞壽命[4]。劉東等[5]對不同錐度的上部開口散射器進行了分析，發現適當地提高錐度可以增加清灰性能，但需要配合不同的噴吹壓力。針對此問題，課題組提出在噴嘴下部安裝錐形散射器，分別研究噴吹距離和噴吹壓力變化時，濾筒側壁正壓峰值的變化規律，分析清灰過程的均勻性，并對錐形散射器進行優化。

1 流場數值求解

1.1 物理及網格模型

濾筒脈沖清灰系統由噴吹實驗臺、氣源系統和數據采集系統構成。其中濾筒規格為?325 mm×1 000 mm，內、外徑分別為215 mm和325 mm。脈沖寬度可控范圍為0.01～0.20 s，脈沖噴吹清灰脈沖寬度一般為80～100 ms，楊迪等[6]的研究指出，脈沖寬度對清灰效果影響不大，本研究取脈沖寬度為100 ms。濾筒的物理模型如圖1所示。

圖1 物理模型Figure 1 Physical Model

采用結構化網格對物理模型進行離散，并做網格無關性分析，最終網格模型如圖2所示。其中，最大全局尺寸取8 mm；噴嘴和散射器處由于氣流速度大，需要對網格加密來保證模擬的準確性，軸向尺寸取2 mm，徑向尺寸取4 mm；濾筒內部軸向尺寸取4 mm，徑向尺寸取6 mm。

圖2 網格模型Figure 2 Mesh Model

1.2 計算方法

采用瞬態分析對流場進行求解，標準k-ε模型對流場湍動進行描述，SIMPLE隱式算法作為壓力基求解器，二階迎風作為差分格式[7]。噴吹時間為100 ms，取時間步長為0.2 ms，時間步為500步，最大迭代步數為30 步，保證在每個最大迭代步內殘差能下降3個數量級。噴嘴入口為壓力入口，箱體底部為壓力出口，其值為標準大氣壓。濾筒上圓面和錐形散射器底面有流體通過，設置為內部界面，箱體壁面和花板為無滑移的壁面邊界條件[8]。濾筒外壁面設定為多孔跳躍邊界條件，由式(1)設定。

(1)

式中：μ為黏度系數，a為滲透率，c2為阻力系數，ρ為介質密度，Δm為過濾介質厚度。

1.3 模型驗證

為驗證模型選擇和參數設置的合理性，采用文獻[9]的測試方法，在噴吹壓力為0.4 MPa，噴吹距離為200 mm，噴嘴直徑分別為25和30 mm的工況下，對上測點(x=100 mm)、中測點(x=500 mm)和下測點(x=900 mm)的峰值壓力進行監測，并與Li[9]的實驗進行對比，如表1所示。從表中可以看出，3個測點的壓力呈現出由袋口向下增大的趨勢，相對誤差在10%以內，滿足精度要求[10-11]。

表1 不同測點峰值壓力計算值與實驗值對比

2 結果與討論

2.1 噴吹過程速度場分析

圖3為無散射器和安裝錐形散射器的脈沖氣流速度云圖。

圖3 不同散射器下脈沖氣流速度云圖Figure 3 Pulse flow velocity field cloud chart of different diffusers

無散射器時，由于濾筒底部封閉，高速的脈沖氣體射流不受任何結構的阻礙作用，直接垂直作用于濾筒底部，造成劇烈的沖擊，長期周期性運行會損壞濾筒底部，減少使用壽命；當安裝錐形散射器時，由于錐形散射器的導流作用，脈沖射流速度減小，且2次、3次誘導周圍氣體，誘導氣量明顯增大，低速射流與誘導氣流一起大面積進入濾筒內部，避免高速壓縮空氣的脈沖射流直接進入濾筒內部而嚴重沖擊濾筒底部。

2.2 噴吹壓力對清灰效果的影響

不同噴吹距離下，濾筒上、中、下3個側點的正壓力峰值變化如圖4～6所示。對于無散射器的工況下，相同噴吹距離不同噴吹壓力下，噴吹壓力的增加有助于正壓力峰值的增加。高噴吹壓力引起噴嘴出口的壓力增大，致使產生高速氣流，同樣增大了氣流流量，誘導了大量周邊空氣進入到濾筒中，進而增大了壁面壓力。濾筒下部同時受脈沖氣流和反射氣流的作用，因此噴吹壓力的增加使復雜流場對濾筒下部側壁的效應更加明顯。安裝錐形散射器時，濾筒側壁壓力值變化規律與無散射器時一致。

圖4 噴吹距離為150 mm時濾筒側壁正壓峰值隨噴吹壓力的變化Figure 4 Filter side wall peak pressure values variation at distance of 150 mm

圖5 噴吹距離為200 mm時濾筒側壁正壓峰值隨噴吹壓力的變化Figure 5 Filter side wall peak pressure values variation at distance of 200 mm

圖6 噴吹距離為250 mm時濾筒側壁正壓峰值隨噴吹壓力的變化Figure 6 Filter side wall peak pressure values variation at distance of 250 mm

表2為噴吹距離為200 mm時，無散射器時清灰過程濾筒側壁正壓峰值隨噴吹壓力的變化。可以看出噴吹壓力越大，濾筒側壁正壓峰值的壓力平均值越大，壓力方差也越大，即提高噴吹壓力能夠改善清灰性能，但是會加劇清灰作用的不均勻性，所以實際上不是噴吹壓力越大越好。這是因為噴吹壓力過高，造成濾筒下部甚至整個濾筒壁的過度清灰，破壞濾筒表面的初始粉塵層，影響其捕集粉塵即過濾的效率，嚴重時會使粉塵從濾料表面通過。噴吹壓力越大，消耗的壓縮空氣也越多，實際應用應根據需要選擇合適噴吹壓力，能達到清灰要求即可。

表2 無散射器時不同噴吹壓力下的側壁壓力峰值

表3為噴吹距離200 mm時，錐形散射器對濾筒壓力峰值的影響。從表2和表3可知，加裝錐形散射器后壓力方差大大減小，很大程度上改善了濾筒清灰的均勻性。

表3 加裝錐形散射器時不同噴吹壓力下的側壁壓力峰值

3 錐形散射器的優化設計

其他條件不變時，錐形散射器頂點距入口的距離越小，作用于濾筒上部的氣流越多，且誘導濾筒上方的氣體量越多，但是此距離過小會使部分脈沖氣流不能進入濾筒內部。錐形散射器距入口距離一定時，固定錐形散射器錐角，增大散射器高度，脈沖氣流在散射器側壁引流的距離就越大，但是其值過大仍會造成脈沖氣流的損失。錐形散射器距入口距離一定時，固定散射器高度，增大散射器錐角時，散射作用越發明顯，更多的氣流作用于濾筒上部，但錐角過大也會造成噴吹氣流的損失。模擬選取上述3個因素，每個因素對應3個水平，詳見表4。

表4 正交實驗表

在噴吹壓力0.4 MPa，噴吹距離200 mm時，模擬各因素水平下濾筒脈沖清灰流場，監測濾筒側壁的壓力值變化，獲得各測點的正壓峰值，計算壓力均值和壓力方差，如表5～7所示。

表5 A1=5 mm時側壁壓力值

表6 A2=10 mm時側壁壓力值

表7 A3=15 mm時側壁壓力值

由表5～7可知，噴吹參數組合為A2B3C1時，即錐形散射器頂點距入口距離為10 mm，散射器底面直徑為60 mm，散射器高度為40 mm時，壓力平均值最大，即清灰性能最好；壓力方差最小，即清灰均勻性最好。所以綜合來看，本文實驗條件下的最佳噴吹結構為：在噴嘴下部10 mm處安裝規格為?60 mm×40 mm的錐形散射器。

在相同噴吹參數時，加裝散射器的最佳噴吹結構，此時壓力方差比無散射器時減小了2個數量級，大大改善了清灰的均勻性；同時解決了普通噴吹結構上部清灰性能差，下部過度清灰的問題。濾筒整體、濾筒側壁正壓峰值處于很高的水平，實際清灰過程中可以適當減小噴吹壓力，只要能達到需要的清灰性能即可。減小噴吹壓力不僅能進一步改善清灰的均勻性，而且能減少壓縮空氣的消耗，既滿足了使用性，又節能環保。

4 結論

為了有效地消除濾筒除塵器表面附著的塵粒，課題組提出在噴嘴下部安裝錐形散射器。分別研究了噴吹距離和噴吹壓力變化時，濾筒側壁正壓峰值的變化規律，結果表明：無散射器的噴吹清灰過程中，濾筒上、中、下的側壁正壓峰值隨著噴吹距離的變化，無明顯規律呈現；加裝錐形散射器后，3個測點位置的側壁正壓峰值呈現出規律變化，即噴吹距離增加，壓力先提升后降低。

根據散射器頂點距入口距離、底面直徑和高度3個因素對散射器進行優化設計，得到清灰效果最好的結構為：散射器頂點距入口10 mm，散射器底面直徑60 mm，散射器高度40 mm。在最佳結構下，濾筒上部正壓峰值為728 Pa，中部為827 Pa，下部為910 Pa，改善濾筒整體的清灰性能，且清灰十分均勻。