雙聯(lián)旋風(fēng)除塵器流場數(shù)值模擬

陳大偉，李長明，孫建

（秦皇島煙草機(jī)械有限責(zé)任公司技術(shù)中心，河北秦皇島 066318）

0 引言

旋風(fēng)除塵器作為一種有效的除塵設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。旋風(fēng)除塵器利用高速旋轉(zhuǎn)的氣體產(chǎn)生離心力，將粉塵從氣流中分離，并沿壁面排出，其具有結(jié)構(gòu)簡單、耐高溫、高壓、低成本、體積小等優(yōu)點(diǎn)。在煙草工業(yè)生產(chǎn)中，雙聯(lián)旋風(fēng)除塵器被應(yīng)用于Airco 模式二氧化碳膨脹煙絲生產(chǎn)線中。由于旋風(fēng)除塵器涉及許多設(shè)計參數(shù)，在設(shè)計過程中，由于參數(shù)設(shè)計不合理，引起的渦流、回流，造成除塵器內(nèi)部壓力、速度場分布不均勻，影響了除塵效率。

流場模擬是以流體流動的質(zhì)量、動量和能量守恒微分方程為基礎(chǔ)，通過計算機(jī)數(shù)值分析計算限定物理模型和邊界條件下流體運(yùn)動情況的模擬方法。人們在旋風(fēng)除塵器內(nèi)部流場模擬方面展開了大量研究，隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，對旋風(fēng)除塵器內(nèi)部流場數(shù)值模擬已經(jīng)越來越接近真實(shí)的流場情況。本文利用ANSYS Workbench 和CFX，對二氧化碳膨脹煙絲生產(chǎn)線中使用的雙聯(lián)除塵器進(jìn)行了內(nèi)部流場模擬。

1 流場數(shù)值模擬過程

對流體流動進(jìn)行數(shù)值計算模擬的方法稱為計算流體動力學(xué)（CFD）。利用ANSYS Workbench 和CFX 進(jìn)行流體數(shù)值模擬的一般步驟如圖1 所示。

圖1 ANSYS Workbench 分析流程

1.1 數(shù)學(xué)模型

在進(jìn)行數(shù)值分析前應(yīng)確定分析對象的數(shù)學(xué)模型。在除塵器內(nèi)的氣流流動的控制方程可以看成是黏性不可壓縮方程［1］。除塵器中的流體可以通過基于雷諾時均N-S方程進(jìn)行求解，并用湍流模型進(jìn)行封閉。

目前在工程中應(yīng)用最廣泛的湍流模型是k-ε 模型［2］，利用該方程進(jìn)行求解，速度快、簡單，但對于除塵器來說，內(nèi)部流場為旋轉(zhuǎn)流，如果利用k-ε 模型進(jìn)行求解，計算結(jié)果偏差較大［3］。在有些研究［4］中，對于旋轉(zhuǎn)流采用RSM 模型獲得比較好的結(jié)果，因此在本文中采用RSM 湍流模型來對雙聯(lián)除塵器內(nèi)部流場進(jìn)行模擬。

1.2 建立物理模型并劃分網(wǎng)格

目前，ANSYS Workbench 已經(jīng)能夠很好地兼容其他3D 工程設(shè)計軟件，在本文中，模型的建立是通過三維繪圖軟件SolidWorks 來實(shí)現(xiàn)的，將SolidWorks 建立的流體模型導(dǎo)入DM 中。

雙聯(lián)旋風(fēng)除塵器一般可分為進(jìn)氣結(jié)構(gòu)、排氣芯管、筒體分離空間、錐體排塵結(jié)構(gòu)、集風(fēng)斗、排氣結(jié)構(gòu)等6 部分，見圖2。其中關(guān)鍵尺寸參數(shù)如下：直筒分離高度H1，排氣芯管插入深度S，錐體高度H2，直筒直徑D1，錐體底部直徑D2，排風(fēng)芯管直徑D3，除塵器兩側(cè)對稱。本文中所采用的模型是筆者公司為某卷煙廠膨脹煙絲生產(chǎn)線所設(shè)計生產(chǎn)的雙聯(lián)旋風(fēng)除塵器真實(shí)模型。

圖2 旋風(fēng)除塵器結(jié)構(gòu)簡圖

導(dǎo)入模型后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在本例中，為了方便計算，我們將模型劃分為擁有40891 個節(jié)點(diǎn)，102347 個四面體單元的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。

網(wǎng)格劃分后，Workbench 自動將網(wǎng)格數(shù)據(jù)傳遞給CFX 預(yù)處理程序。

1.3 邊界條件處理

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，設(shè)定入口風(fēng)速為18 m/s，壓力為常壓，出口邊界考慮以充分發(fā)展。采用無滑移邊界條件，壁面附近流動計算采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

流體設(shè)定后進(jìn)行灰塵顆粒設(shè)定，顆粒直徑為6 μm，設(shè)定灰塵進(jìn)口速度為18 m/s，與入口風(fēng)速相同，均勻分散在入口，對灰塵顆粒分離狀況進(jìn)行模擬。

1.4 計算及結(jié)果

以上邊界條件設(shè)定后，Workbench 將計算參數(shù)傳遞給計算器進(jìn)行計算。

經(jīng)計算后，內(nèi)部流場及灰塵顆粒軌跡如圖3 所示。

圖3 內(nèi)部空氣流場及灰塵顆粒軌跡

通過觀察內(nèi)部流場及顆粒軌跡，可以看到含塵氣體以18 m/s 的較高的速度沿外圓桶切線方向進(jìn)入后獲得旋轉(zhuǎn)氣流，直筒處速度增加，該旋轉(zhuǎn)氣流沿筒體自上至下旋轉(zhuǎn)做螺旋線運(yùn)動。含塵氣體在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生很大的離心力，由于塵粒慣性比空氣大很多倍，因此將大部分塵粒甩向器壁，當(dāng)塵粒與外壁接觸后便失去慣性力而沿壁面下落，與氣體分開，經(jīng)錐體排入集灰斗。旋轉(zhuǎn)下降的外旋氣流在圓錐部分運(yùn)動時隨圓錐形的收縮而向除塵體中心靠攏，氣流達(dá)到錐體下端時便開始旋轉(zhuǎn)上升，形成一股自下而上的螺旋線運(yùn)動，并經(jīng)由排氣筒向外排出。

圖4 界面壓力分布曲線及軸向截面壓力分布

選取直筒部分某橫截面對外旋和內(nèi)旋氣流進(jìn)行壓力分析，沿垂直通過筒體軸線做取樣直線。該取樣直線壓力分布曲線及整個沿筒體軸線截面的壓力分布如圖4 所示。

由圖4 可以看出流體在錐段運(yùn)動過程中，徑向內(nèi)外壓差較大，并且內(nèi)部始終呈現(xiàn)負(fù)壓狀態(tài)，因此，除塵器下部不保持密閉就會有空氣滲入，形成氣流，將已經(jīng)分離的粉塵重新卷入內(nèi)渦旋，影響了除塵效率。

觀察軸向截面流體矢量圖，見圖5。在排氣管下端部，出現(xiàn)部分氣流運(yùn)動劇烈，這是由于除塵器出氣口處呈負(fù)壓狀態(tài)，部分進(jìn)入的氣體在旋轉(zhuǎn)過程中靠近了排氣管端部，發(fā)生了流體“短路”直接從排氣管處排出，影響了除塵效率。

圖5 軸向截面流體矢量圖

2 結(jié)論

通過對除塵器內(nèi)部流場的數(shù)值模擬，使我們對除塵器內(nèi)部流場有了一個直觀的認(rèn)識，同時通過改變除塵體各個關(guān)鍵尺寸結(jié)構(gòu)，我們可以得到一個分布更合理的流場，從而提高除塵效率。

ANSYS Workbench 中的CFD 軟件CFX 是目前流體研究比較活躍的領(lǐng)域，通過的三維軟件建立流體模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分和對流體方程的離散化，確定合適的邊界條件，可以得到較為直觀的模擬結(jié)果，該結(jié)果可以對工程設(shè)計人員的設(shè)計提供指導(dǎo)性參數(shù)。

［1］Agarwal A T.Design guide for dust collectors ［J］.Chemical Engineering，2005，112（2）：42-49.

［2］王常斌，林建忠，石興.射流泵湍流場的數(shù)值模擬與實(shí)驗研究［J］.高校化學(xué)工程學(xué)報，2006，20（2）：175-179.

［3］王海剛，劉石.不同湍流模型在旋風(fēng)分離器三維數(shù)值模擬中的應(yīng)用和比較［J］.熱能動力工程，2003，18（4）：337-342.

［4］Gimbun J，Chuah T G.The influence of temperature and inlet velocity on cyclone pressure drop：A CFD study［J］.Chem.Eng.Process，2005（44）：7-12.