基于Fluent對(duì)井下濕式除塵器的流場(chǎng)分析

王云龍，王寶中，李民主

（1.河北聯(lián)合大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063000；2.唐山開灤廣匯設(shè)備制造有限公司，河北 唐山 063000）

0 引言

我國(guó)是產(chǎn)煤大國(guó)，在煤礦生產(chǎn)過程中產(chǎn)生了大量的煤礦粉塵。粉塵危害主要有兩方面：一是對(duì)人體健康的危害，二是煤塵爆炸危害。研究井下除塵技術(shù)，遏制粉塵危害，保證礦工生命安全，具有十分重要的意義。本文對(duì)濕式除塵器的結(jié)構(gòu)、工作原理進(jìn)行深入分析研究，并利用Fluent軟件對(duì)除塵器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析除塵器內(nèi)部是否出現(xiàn)由于設(shè)計(jì)不合理而引起的渦流、回流以及內(nèi)部壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)分布的不均勻，進(jìn)而采取有效措施避免出現(xiàn)這類問題，提高除塵器除塵效率，降低設(shè)備運(yùn)行阻力。

1 井下濕式除塵器結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1為KCS復(fù)合型礦用濕式除塵器結(jié)構(gòu)。它主要由除塵器箱體、過濾裝置、脫水百葉窗3部分組成，其中過濾裝置上裝有噴水裝置。其工作原理是：首先含塵氣流進(jìn)入除塵器后經(jīng)過過濾裝置，由于噴頭不斷向過濾網(wǎng)噴水，含塵氣體經(jīng)過過濾裝置變成含塵液滴，塵粒因此被捕獲，其中一部分含塵液滴因水幕的加厚或其自重而隨水流下降，同時(shí)自動(dòng)清洗過濾裝置上的積塵，由排污口排出；另一部分含塵液滴隨后進(jìn)入脫水器，百葉窗脫水器是由多塊折流板構(gòu)成的，在折流板構(gòu)成的通道的每個(gè)拐彎處都裝有收集鉤，液滴將碰撞到對(duì)面板壁上或百葉窗拐彎處的收集鉤內(nèi)，并積聚形成液膜，液膜逐漸加厚會(huì)順著百葉窗壁面往下流，從排污口流出；最后，由排污口流出的液滴經(jīng)過過濾、脫水處理得到的潔凈氣體直接排入巷道，達(dá)到了空氣凈化的目的。

2 除塵器模型的建立及網(wǎng)格劃分

除塵器結(jié)構(gòu)為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，建立除塵器的三維模型時(shí)把不影響除塵器流場(chǎng)的部件和材料去除，如除塵器倒圓角和邊角部分以及除塵器的污水艙、排污口、進(jìn)風(fēng)口組件、出風(fēng)口組件。除塵器的過濾裝置內(nèi)填充不銹鋼絲纖維，其三維建模難度極大且不宜劃分網(wǎng)格，可以把過濾網(wǎng)看作多孔介質(zhì)域。本文采用Pro/E軟件創(chuàng)建除塵器的幾何模型，利用ICEM軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立的三維模型網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖1 KCS復(fù)合型礦用濕式除塵器結(jié)構(gòu)

圖2 除塵器網(wǎng)格劃分

3 數(shù)學(xué)模型與物理模型

3.1 湍流模型

根據(jù)井下濕式除塵器正常運(yùn)行狀態(tài)下的工況參數(shù)計(jì)算出除塵器內(nèi)部流場(chǎng)的雷諾數(shù)，從而確定內(nèi)部流場(chǎng)為湍流流場(chǎng)。湍流流場(chǎng)分析采用標(biāo)準(zhǔn)k－ε湍流模型，標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型的湍動(dòng)能k方程為：

其中：xi為氣、液、固三相中某一相的坐標(biāo)分量；ui為氣、液、固三相中某一相的速度矢量；ρ為密度；μ為分子黏性系數(shù)；μi為湍流黏性系數(shù)；Gk為由于速度梯度引起的應(yīng)力生成項(xiàng)；σk為湍動(dòng)能普朗特?cái)?shù)，σk＝1。

耗散率ε方程為：

其中：σε為耗散率普朗特?cái)?shù)，σε＝1.3；C1ε和C2ε為常數(shù)，C1ε＝1.44，C2ε＝1.92。

3.2 多相流模型

采用歐拉－歐拉方法的混合模型是一種簡(jiǎn)化的多相流模型，它用于模擬各相有不同速度的多相流，但是假定了在較短空間尺度上局部的平衡，其各個(gè)相之間的耦合很強(qiáng)；它也用于模擬有強(qiáng)烈耦合的各向同性多相流和各相以相同速度運(yùn)動(dòng)的多相流。在模擬除塵器流場(chǎng)特性和粉塵顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)一般選多相流模型，采用k－ε湍流模型求解混合相的動(dòng)量方程、第二相的體積率方程以及相對(duì)速度的代數(shù)表示。

連續(xù)性方程為：

動(dòng)量方程為：

其中：xj為另一相坐標(biāo)分量；uj為另一相的速度矢量。

3.3 多孔介質(zhì)模型

對(duì)于過濾式除塵器的模擬，由于過濾過程具有復(fù)雜性和不確定性，在模擬過濾過程時(shí)與理論上還有一定的出入，難以再現(xiàn)實(shí)際過濾過程，但采用多孔介質(zhì)模型方法，其結(jié)果與實(shí)際情況比較接近。在多孔介質(zhì)面板里需要計(jì)算的涉及到多孔介質(zhì)的參數(shù)只有兩個(gè)，第一個(gè)是黏性阻力系數(shù)α，第二個(gè)是慣性阻力系數(shù)C2，這兩個(gè)系數(shù)可以用歐根公式求解：

其中：Dp為球形顆粒的直徑或非球形顆粒的體積當(dāng)量直徑；ω為孔隙率。

4 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

本文根據(jù)設(shè)備的具體運(yùn)行狀況進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化：①除塵器的內(nèi)流場(chǎng)為等溫流動(dòng)，不考慮各相間的熱交換；②塵粒和液滴均看作球形；③把過濾裝置看作多孔介質(zhì)域。

因?yàn)楸疚难芯康氖强諝狻旱巍悍廴嘞嗷ヘ炌ǖ倪B續(xù)體，是具有強(qiáng)烈耦合的各向同性的多相流，考慮了界面?zhèn)鬟f特性以及兩相間的擴(kuò)散作用和脈動(dòng)作用，所以采用mixture模型進(jìn)行氣液固三相模擬。其中湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型和壁面函數(shù)法，應(yīng)用壓力速度耦合的Coupled算法。把過濾裝置看作多孔介質(zhì)域，采用多孔介質(zhì)條件的簡(jiǎn)化模型，即多孔跳躍條件。進(jìn)口條件采用速度進(jìn)口，出口條件采用壓力出口，氣流相壁面滿足無滑移條件，近壁面處應(yīng)用壁面函數(shù)，對(duì)于固相顆粒，壁面采用無損失碰撞條件，入口速度給定，與氣流速度相同。經(jīng)過Fluent計(jì)算后，得到的結(jié)果如圖3～圖7所示。

圖3 y＝0處除塵器整體橫向截取的速度矢量和總壓力分布云圖

圖4 x＝0處除塵器整體縱向截取的速度矢量和總壓力分布云圖

圖5 z＝622mm處除塵器縱向截取的多孔介質(zhì)域速度矢量和壓力分布云圖

由圖3和圖4可知，氣—液—固三相流由除塵器進(jìn)口進(jìn)入除塵器內(nèi)部，首先通過多孔介質(zhì)域，經(jīng)過過濾得到充分發(fā)展和穩(wěn)定，然后進(jìn)入百葉窗脫水器，液滴氣流碰到百葉窗壁面產(chǎn)生了明顯的回流和渦流，百葉窗通道內(nèi)的速度分布與其他部分的速度分布明顯不同。在過濾裝置的多孔介質(zhì)域附近，由于氣流速度變小，靜壓上升，因此總壓較高；當(dāng)氣流到達(dá)除塵器的排污口時(shí)，由于外側(cè)高速氣流的誘導(dǎo)，部分氣體向外側(cè)流動(dòng)，形成切向渦旋，氣流沒有經(jīng)過過濾裝置和百葉窗進(jìn)行凈化就排除，影響了除塵效果。

由圖5可知，流體進(jìn)入多孔介質(zhì)域后，過濾除塵裝置內(nèi)部速度分布比較均勻，使每個(gè)過濾單元的工作負(fù)載均勻分布，沒有渦流或回流現(xiàn)象，可以防止承受巨大的氣流沖擊，基本可以有效過濾粉塵和液滴；從圖5（b）來看，靠近進(jìn)風(fēng)口處的靜壓分布均勻性較好，在遠(yuǎn)離進(jìn)風(fēng)口部位下方的靜壓值大于中部和上部的靜壓分布，流體通過多孔介質(zhì)域后所產(chǎn)生的壓降值大概在100Pa左右。

由圖6可知，百葉窗脫水器速度總體變化趨勢(shì)是逐步減小的，切向速度方向與百葉窗拐角方向具有一致性，其中百葉窗收集鉤內(nèi)部速度變大，速度曲線變化明顯，驗(yàn)證了渦流的存在。由圖7可以看出，百葉窗內(nèi)部壓力從內(nèi)到外逐漸變低，出口處形成負(fù)壓，氣體從出口排出，百葉窗脫水器內(nèi)部速度矢量和壓力分布均勻，可以很好地實(shí)現(xiàn)脫水效果。

圖6 百葉窗脫水器3個(gè)截面速度矢量分布

圖7 百葉窗脫水器3個(gè)截面的壓力云圖分布

5 結(jié)論

本文以井下濕式除塵器為例，分析研究了除塵器內(nèi)部氣－液－固三相流的速度及壓力的分布規(guī)律，探討了Fluent軟件在除塵領(lǐng)域的應(yīng)用。在設(shè)計(jì)過程中借助Fluent軟件對(duì)除塵器內(nèi)部流場(chǎng)模擬，可以清晰地了解設(shè)備內(nèi)部流場(chǎng)參數(shù)，為研發(fā)實(shí)用可靠、效果明顯的除塵設(shè)備提供了一個(gè)方便的途徑。

［1］王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［2］Marsden Alison L，Vasilyev O V，Moin Parvoz.Construction of commutative filters for les on unstructured meshes［J］.Journal of Computational Physics，2002，175（2）：584－603.

［3］趙萍，陳麗君，李永奎.矩形入口旋風(fēng)除塵器結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2007（2）：114－117.

［4］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(dòng)力工程，2003，18（4）：337－342.

［5］卜英勇，康新庫(kù)，吳晟.徑向直葉片濕式風(fēng)機(jī)內(nèi)氣固兩相流的數(shù)值模擬［J］.鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2011（4）：76－80.