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相對端面比對旋風(fēng)除塵器主要性能的影響

來源：泊頭市康越環(huán)保發(fā)布時間：2017/2/3 14:10:58

為了提高旋風(fēng)除塵器的分離效率，利用ＲSM 湍流模型構(gòu)建三維旋風(fēng)除塵器模型，研究了相對端面比對旋風(fēng)除塵器主要性能的影響。數(shù)值模擬結(jié)果表明，隨著相對端面比的減小，總壓和切向速度隨之降低，顆粒的停留時間縮短，因而提高了分離效率，為旋風(fēng)除塵器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供參考。

摘要：為了提高旋風(fēng)除塵器的分離效率，利用Ｒ SM 湍流模型構(gòu)建三維旋風(fēng)除塵器模型，研究了相對端面比對旋風(fēng)除塵器主要性能的影響。數(shù)值模擬結(jié)果表明，隨著相對端面比的減小，總壓和切向速度隨之降低，顆粒的停留時間縮短，因而提高了分離效率，為旋風(fēng)除塵器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供參考。

0、引言：
隨著旋風(fēng)除塵器的推廣應(yīng)用，人們對其性能的［1］。近十余年來，國外學(xué)者著手從要求也越來越高整體的三維觀點(diǎn)研究流場的結(jié)構(gòu)及性能。Karagoz［2］通過增加渦流長度設(shè)計了旋風(fēng)除塵器，發(fā)現(xiàn)其等［3］分離效率比傳統(tǒng)旋風(fēng)除塵器有所提高。劉玄等提出增加排氣管的插入深度，會增大旋風(fēng)除塵器的［4］通壓力損失，除塵效率也會因此而提高。Gao 等過改變中心管道的高度和直徑，分析了中心管道對旋風(fēng)除塵器流場的影響，得到了_優(yōu)的中心管道尺寸。實(shí)際上，當(dāng)粉塵濃度較低且捕集細(xì)微顆粒時，旋風(fēng)除塵器的除塵效率不高，如何有效地提高旋風(fēng)除塵器性能成為當(dāng)前創(chuàng)新和突破的難點(diǎn)。
本文借助計算流體軟件 CFD 對旋風(fēng)除塵器進(jìn)行數(shù)值模擬，利用ＲSM 湍流模型建立了三維的旋風(fēng)除塵器模型，得出旋風(fēng)除塵器不同相對端面比下的總壓和切向速度曲線，分析了除塵器分離效率隨相對端面比不同的變化規(guī)律。

1、理論模型：
1.1、氣體流場：

由于旋風(fēng)除塵器內(nèi)具有較強(qiáng)的三維強(qiáng)旋流，并且具有明顯的各向異性湍流特點(diǎn)，這里選用ＲSM 模型來模擬旋風(fēng)除塵器的氣相流場，其控制方程主要

［ 5 ］
為輸運(yùn)方程，可寫為
－－
 （ ρ u' _i u'_j ）	（ 1 ）
+ C _ij = D _ij － P_ij + _ij － ε_ij	（ 1 ）
 t

式中， ρ 為空氣的密度， kg /m ³ ; u' 下注 i ， j ， k 表示空

－－

間坐標(biāo); u' _i 和 u' _j 為顆粒在 x 方向的速度平均值和脈動值， m /s ; C _ij 和 D _ij 分別為對流項(xiàng) 、湍流擴(kuò)散項(xiàng); P _ij 為剪應(yīng)力產(chǎn)生項(xiàng); _ij 為壓力應(yīng)變項(xiàng); ε _ij 為粘性耗散項(xiàng) 。 1 ． 2 顆粒動力場與顆粒本身的慣性力相比，顆粒在除塵器流場中運(yùn)動時所受的浮力、壓力梯度力、附加質(zhì)量力以及重力等在量級上均很小，可忽略不計。因此，從牛頓_定律可以直接得出顆粒的運(yùn)動方程:

^m p	du _p		= F _C + F _D	（ 2 ）
		dt
			j	j

式中， m _p 和 u _p 分別為顆粒質(zhì)量和運(yùn)動速度， F _C _j 為顆粒之間、顆粒與壁面之間碰撞產(chǎn)生的力， F _D _j 為流

體粘性作用在顆粒上的拖拽力，可寫為

_d 2

F _D

πρ _p

C _D （ u_g － u_p ） | u_g － u_p |

（ 3 ）

式中， C _D 為氣體－顆粒阻力系數(shù)， d _p 為顆粒直徑，

u _g ，u_p 分別為氣體和顆粒的速度。

數(shù)值模型與計算

2 ． 1

幾何模型

所示，

本文選用的旋風(fēng)除塵器三維模型如圖 1

除塵器高度 H = 760 mm，直徑 D₀ = 190 mm，其中矩

形部分為進(jìn)氣管道，進(jìn)氣管道高度 a = 95 mm，寬度

b = 38 mm ; 大的圓柱部分為主筒體，高度 h = 285

mm ，下部梯形圓臺部分為錐形灰斗，直徑 D _c = 72 ． 5

mm ; 上部的小圓柱為出氣管道，直徑 D

= 64 mm ，其

深入到主筒體內(nèi)部的高度Ｒ = 95 mm，漏在外邊的

高度 L = 55 mm。

圖 1旋風(fēng)除塵器的三維模型

2 ． 2		網(wǎng)格劃分

		采用六面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，分別選取 3			種網(wǎng)格

	數(shù)來計算 1 μm		顆粒的分離效率，計算結(jié)果如表 1

	所示。可以看出，隨著網(wǎng)格數(shù)的遞增，分離效率相對

	誤差逐步減小。為了_計算精度，本文選用 93

216 個網(wǎng)格單元數(shù)進(jìn)行模擬計算。

		表 1	旋風(fēng)除塵器網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

		網(wǎng)格數(shù)	分離效率 /%	相對誤差 /%

		78 765	59 ． 88	－
		85 941	62 ． 12	3 ． 74
		93 216	63 ． 54	2 ． 28

2 ． 3		邊界條件
		出口采用流動出口，固體壁面、其他壁面分別采

	用無滑移壁面和反射邊界，其他邊界條件設(shè)置見表

2 。

			表 2 邊界條件設(shè)置


		邊界條件		設(shè)置


		入口		速度入口

		排灰口		捕集界面
		排氣口		逃逸邊界

3、計算結(jié)果與分析：

相對端面比是旋風(fēng)除塵器入口截面積與筒體截面積之比，記為 K。矩形進(jìn)口管的高度 a 及筒體直徑 Do 是影響旋風(fēng)除塵器除塵效率的兩個重要因素。鑒于此，本文分別通過改變進(jìn)口高度 a 和筒體直徑Do 來考察不同相對端面比對旋風(fēng)除塵器性能的影響。

3.1、可靠性驗(yàn)證：
本文模擬了旋風(fēng)除塵器結(jié)構(gòu)在 x = 0 截面上 z =150 mm 位置處的切向速度沿半徑方向（筒體中心線指向筒壁的方向）的變化，與文獻(xiàn)［］的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)6 進(jìn)行了對比，結(jié)果如圖 2 所示?？梢钥闯?，模擬結(jié)果與文獻(xiàn)［］中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，從而驗(yàn)證了本6 文理論和數(shù)值模型的可靠性。

圖 2切向速度沿徑向的變化曲線

3.2、相對端面比對除塵性能的影響：

不同相對端面比下，旋風(fēng)除塵器顆粒運(yùn)動軌跡如圖 3 所示，從左至右依次為 K = 5，K = 7 以及 K =9?？芍庇^地看出，隨著相對端面比的減小，顆粒在除塵器中旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)減少，即其在除塵器中停留的時間逐漸減少，這_使得顆粒更早進(jìn)入排灰口從而易于被捕集。

圖 3 不同相對端面比下旋風(fēng)除塵器顆粒運(yùn)動軌跡

切速度是除塵器內(nèi)量級_、_主要的分速度，也是影響顆粒捕集的主要因素之一。不同相對端面比下旋風(fēng)除塵器內(nèi)部切速度沿半徑方向變化的曲線見圖 4。由圖 4 可知，切速度隨半徑增大先急劇增大，到達(dá)峰值后再逐漸減小，曲線呈左右對稱的“駝峰”形分布，這是因?yàn)樵谙滦龤饬髦星兴俣入S著徑向半徑的增大而減小，而在上旋氣流中切速度隨著徑向半徑的增大而增大。此外，隨著相對端面比的增大，旋風(fēng)除塵器內(nèi)部切速度逐漸增大。

圖 4不同相對端面比下內(nèi)部切速度變化曲線

壓力場的大小與分布直接影響旋風(fēng)除塵器的除塵效率，而總壓又是反映旋風(fēng)除塵器壓力場分布的重要指標(biāo)。圖 5 給出了不同相對端面比下的總壓曲線，分析后不難得知: 旋風(fēng)除塵器內(nèi)的總壓沿半徑方向呈非線性增大趨勢，_后逐步趨于平緩，曲線的斜率先增大后減小，這是因?yàn)樵谏闲拖滦龤饬鞯慕唤缣帀毫ψ兓黠@的緣故。此外，隨著相對端面比的減小，旋風(fēng)除塵器內(nèi)部的總壓不斷減小。

圖 5不同相對端面比下總壓沿半徑方向變化曲線

在入口風(fēng)速為 16 m /s 時，旋風(fēng)除塵器分離效率隨相對端面比的變化曲線如圖 6 所示。可以發(fā)現(xiàn)，隨著相對端面比的逐漸增大，分離效率先增大后減小，且在 K = 5 附近達(dá)到_，這是因?yàn)橄鄬Χ嗣姹戎饕扇肟诟叨燃巴搀w直徑兩參數(shù)共同決定。