旋風(fēng)除塵器內(nèi)部流場的數(shù)值模擬研究

岳世松

(1.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山063012; 2.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山063012)

旋風(fēng)除塵器是含塵氣體進(jìn)入除塵器后在離心力的作用下實現(xiàn)氣、固分離的一種設(shè)備，可有效分離、捕集粒徑為5 μm以上的粉塵[1]。旋風(fēng)除塵器由于結(jié)構(gòu)簡單，制造及運行成本低，在工業(yè)中的應(yīng)用極其廣泛[2]。多年來，眾多研究者對各類旋風(fēng)除塵器的內(nèi)部氣流狀態(tài)與固體顆粒的運動規(guī)律做了大量的研究工作，取得了許多進(jìn)展[3]，但由于旋風(fēng)除塵器的分離、捕集過程是一種極其復(fù)雜的三維、二相湍流運動[4-5]，其理論與試驗研究困難重重，至今還未能完全掌握其內(nèi)在規(guī)律，也沒有完善的、成熟的數(shù)學(xué)模型，導(dǎo)致研究和設(shè)計多采用經(jīng)驗、半經(jīng)驗的方法。

隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步和計算流體動力學(xué)(CFD)理論的不斷發(fā)展，CFD技術(shù)已經(jīng)成為繼理論流體力學(xué)和試驗流體力學(xué)之后研究流體問題的又一重要手段[6]。目前，CFD方面的軟件很多， FLUENT軟件是其中的典型代表，該軟件已在機(jī)械、建筑、汽車等行業(yè)得到廣泛使用[7-8]。人們已經(jīng)開始利用計算機(jī)技術(shù)對旋風(fēng)除塵器進(jìn)行各種形式的數(shù)值模擬研究[9-10]。1982年，BOYSAN F首次將CFD技術(shù)用于模擬旋風(fēng)分離器的流場分析中[11]。林瑋等[12]采用Rodi[13]提出的k-ε模型，計算了切向入口旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場，得到的軸向和切向速度與試驗結(jié)果相近。本次研究采用CFD技術(shù)，利用ANSYS軟件中的FLUENT模塊，對干法選煤系統(tǒng)中的FXX18旋風(fēng)除塵器內(nèi)部流場進(jìn)行模擬研究。

1 模型參數(shù)設(shè)置

1.1 模型的建立

在利用CFD技術(shù)進(jìn)行數(shù)值分析時，一般分為三個階段：

(1)前期處理階段。將研究問題抽象、簡化為計算機(jī)可以識別的數(shù)據(jù)模型，以便計算機(jī)軟件進(jìn)行計算。

(2)求解階段。CFD問題的求解是由軟件讀取前期處理階段產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行運算求解，最后得到一系列相關(guān)物理數(shù)據(jù)。

(3)數(shù)據(jù)分析階段。對計算機(jī)求解出的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析，得出結(jié)論。

FXX18型旋風(fēng)除塵器是煤炭科學(xué)研究總院唐山研究院研制的干法選煤工藝系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，可對系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)進(jìn)行有效除塵，是保證整個系統(tǒng)可靠運行的重要設(shè)備。FXX18型旋風(fēng)除塵器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

圖1 FXX18旋風(fēng)除塵器結(jié)構(gòu)圖

名稱含義尺寸/mmD0筒體直徑1 800H旋風(fēng)除塵器高度6 660h圓筒段高度3 060hc排氣管長度1 460D2排灰口直徑710a進(jìn)口管高度1 430b進(jìn)口管寬度575De排氣管出口直徑1 360Dc排氣管入口直徑1 160

1.2 數(shù)值模擬

對旋風(fēng)除塵器內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬，首先利用三維建模軟件按照表1中的數(shù)據(jù)對除塵器進(jìn)行建模，然后導(dǎo)入到FLUENT軟件中。因計算域形狀不規(guī)則，故采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分。考慮到邊界層流場的物理場梯度變化大，網(wǎng)格劃分時靠近表面層的網(wǎng)格設(shè)置密一些，其余部分網(wǎng)格相對較疏，這樣既能提高分析精度，又能很好地控制網(wǎng)格數(shù)量，從而控制計算時間。在進(jìn)行邊界條件設(shè)置時，根據(jù)工程實際情況，將流體介質(zhì)設(shè)置為空氣，計算時考慮重力影響，重力加速度取9.81 m/s2，進(jìn)氣口處氣體速度為17 m/s，對應(yīng)馬赫數(shù)<0.3，流體所受的壓力不足以壓縮流體，流場可視為不可壓縮流場。出氣管處設(shè)置為outflow邊界，出口壓力設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。RNGκ-ε模型計算精度較好，模擬強(qiáng)旋流場具有優(yōu)越性，所以計算模型選擇κ-epsilon(2equ)模型,子模型選擇為RNG，同時選擇Swirl Dominated Flow選項，湍流強(qiáng)度設(shè)置為10%，水力直徑為0.82 m。

2 結(jié)果分析

FLUENT軟件計算完畢后，可利用軟件所提供的數(shù)據(jù)處理工具，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到旋風(fēng)除塵器內(nèi)部流場的特點。

2.1 切向速度

圖2為通過數(shù)值模擬后得到的除塵器切向流速度分布圖。切向速度在內(nèi)部流場分布中占主導(dǎo)地位，為了更清楚地認(rèn)識剖面上的速度分布情況，在距離出風(fēng)口位置y=2、2.5、3 m位置設(shè)置3條參考線，并繪制出該參考線上的切向速度，分布曲線如圖3所示。由圖3可知：曲線具有一定的對稱性，靠近筒壁處，因受到摩擦力的影響，速度近似為零；切向速度沿筒壁向軸心方向逐漸增大，當(dāng)達(dá)到最大值后又迅速降低，這是因為依據(jù)角動量守恒定律，空氣的流速會隨著半徑的縮小而逐漸加大，而中心位置切向速度突然降低，是因為受到離心力的作用，中間部分會形成空心柱，致使其中心位置的切向速度幾乎為零。

2.2 軸向速度

通過數(shù)值模擬后得到的除塵器軸向流速度分布，如圖4所示；軸向速度分布曲線，如圖5所示。分析可知：在入口空氣運動和入口壓力的作用下，旋風(fēng)除塵器的內(nèi)部流場形成了一個沿軸向上，外層下行、內(nèi)層上行的氣體雙層旋轉(zhuǎn)流動結(jié)構(gòu)。這是由于含塵氣體從進(jìn)氣管進(jìn)入除塵器后，開始沿著筒壁做旋轉(zhuǎn)運動，并在入口動壓作用下，被迫向除塵器底部流動。當(dāng)?shù)竭_(dá)除塵器錐段時，由于半徑逐漸變小，含塵氣體又被迫向除塵器中心流動并最終向上到達(dá)排氣口排出。

圖2 切向流速度分布圖

圖3 切向流速度分布曲線

圖4 軸向流速度分布圖

2.3 徑向速度

除塵器徑向速度分布情況模擬結(jié)果(圖6)，由圖6可知：徑向速度與切向速度相比要小很多，并且呈一定的對稱性，通過對y=2、2.5、3 m處的模擬結(jié)果進(jìn)行擬合，繪制出切向速度分布曲線(圖7)。在整個流場中，徑向速度的變化相對較小，且方向基本一致。這些特點都有利于除塵器的除塵，降低灰塵顆粒沿半徑方向流動至中心上升流層的概率。

圖5 軸向速度分布曲線

圖6 徑向流速分布圖

圖7 徑向速度分布曲線

2.4 壓力分布

對除塵器的壓力場進(jìn)行分析，可以得出除塵器壓力損失的產(chǎn)生機(jī)理，并可針對性地進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。旋風(fēng)除塵器壓力分布場模擬結(jié)果如圖8所示，在指定的3條參考線上的壓力曲線如圖9所示。由圖8、圖9可知：壓力由外向內(nèi)是逐漸減小的，壓力損失主要原因包括進(jìn)氣管的摩擦損失，氣體進(jìn)入除塵器后體積膨脹引起的能量損失，除塵器內(nèi)氣體旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的能量耗損。

圖8 壓力分布圖

圖9 壓力分布曲線

2.5 壓力損失

壓力損失是評價旋風(fēng)除塵器性能的一項關(guān)鍵指標(biāo)，為了研究FXX18型旋風(fēng)除塵器的壓力損耗情況，研究除對進(jìn)氣口處氣體速度為17 m/s時做了壓力損失的數(shù)值分析外，又分別對氣體速度取7、27、37、47、57 m/s時的壓力損失情況做了分析，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，所得曲線如圖10所示。由圖10可知：隨著風(fēng)速的線性增加，除塵器壓力損失按指數(shù)級急劇增長。所以，在設(shè)計和選用旋風(fēng)除塵器時，要合理選擇進(jìn)口風(fēng)速，保證除塵器的工作效率。

3 結(jié)論

通過建立旋風(fēng)除塵器模型，并對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)旋風(fēng)除塵器內(nèi)部流場中，切向速度、軸向速度、徑向速度以及壓力分布具有一定的軸對稱性。

(2)旋風(fēng)除塵器的內(nèi)部流場沿軸向上，外層下行、內(nèi)層上行，形成了一個雙層旋轉(zhuǎn)流動結(jié)構(gòu)。

圖10 風(fēng)速-壓力損失關(guān)系曲線

(3)入口流速對除塵器的壓力損失有著重要影響，隨著除塵器入口流速的增加，壓力損失則急劇增加。