旋風(fēng)除塵器內(nèi)氣固流動特性的CFD研究*

郗 元,蘇舒玉,2,王國際，劉軒渤，趙藝涵，代 巖

(1.大連理工大學(xué)盤錦產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，遼寧省化學(xué)助劑合成與分離省市共建重點實驗室, 遼寧 盤錦 124221;2.沈陽工業(yè)大學(xué)石油化工學(xué)院，遼寧 遼陽 111003; 3.營口遼南環(huán)境技術(shù)開發(fā)有限公司, 遼寧 營口 115000)

0 引 言

隨著工業(yè)化進程的飛速發(fā)展，各類工業(yè)生產(chǎn)中難免會有大量的粉塵顆粒物產(chǎn)生，這些粉塵嚴重危害到了生產(chǎn)的環(huán)境，并會對工作人員的身體健康產(chǎn)生危害[1、2]。旋風(fēng)除塵器由于結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，其安裝、維護及管理成本，設(shè)備投資和操作費用都相對較低，因此其在工業(yè)生產(chǎn)過程中，是應(yīng)用最為廣泛的除塵器之一。Gimbun等人[3]通過CFD模擬研究了錐尖直徑對旋風(fēng)性能的影響，并得出結(jié)論，錐尖直徑的減小將會增加旋風(fēng)除塵器的效率和壓降。Azadi等人[4]用CFD模型研究了旋風(fēng)大小對旋風(fēng)除塵器性能的影響。他們的研究結(jié)果表明，旋風(fēng)截止直徑和壓降隨著氣旋尺寸的增加而增加。Shukla等人[5]通過使用雷諾應(yīng)力湍流模型(RSTM)和大渦模擬(LES)，研究了速度波動建模對旋風(fēng)分離器收集效率的影響。迄今為止，關(guān)于旋風(fēng)除塵器中的顆粒分離機理的大多數(shù)研究主要集中在流體和顆粒的流場方面的運動學(xué)視覺，并且少數(shù)研究提及了旋風(fēng)除塵器中顆粒的動態(tài)行為。筆者擬通過對除塵器進氣管口橫截面積、圓筒體橫截面直徑及圓筒部分高度進行計算機模擬，結(jié)合前人對與粒子運動及分離效率的研究成果，深入探究了結(jié)構(gòu)尺寸對分離效率的影響，為旋風(fēng)除塵器設(shè)計提供了基礎(chǔ)理論，得出尺寸變化對除塵效率的影響規(guī)律，并針對工程實例給出優(yōu)化模型方案。

1 旋風(fēng)除塵器三維流場模擬及數(shù)值分析

1.1 模型構(gòu)建

旋風(fēng)除塵器流道模型如圖1(a)所示。該旋風(fēng)除塵器的總高度為4 000 mm，其中圓筒部分高度為2 000 mm，圓椎部分高度為2 000 mm，圓筒直徑為1 200 mm，進氣管口橫截面積為2.4×105mm2(截面處長a=800 mm，寬b=300 mm)。模型采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進行離散，最大網(wǎng)格尺寸為60。其中，速度入口及壁面處進行網(wǎng)格細化，以便捕捉到速度場梯度變化，因此此處網(wǎng)格尺寸設(shè)置為20。網(wǎng)格大小的劃分需要根據(jù)實際模型的情況而定，經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性檢驗后，最終網(wǎng)格模型圖1(b)所示。

圖1 旋風(fēng)除塵器流道的流道模型及網(wǎng)格模型

1.2 邊界條件及算法選取

旋風(fēng)除塵器入口處的氣體流速為15 m/s，頂部排氣管和底部出塵口壓力均為標準大氣壓，壁面采用無滑移壁面[6]。模擬所添加的固體顆粒材質(zhì)選擇ash-solid，平均粒徑為0.002 mm，質(zhì)量流量為6.5 kg/s。由于此研究主要探究的是結(jié)構(gòu)尺寸對除塵效率的影響，因此采取控制變量法，只針對旋風(fēng)除塵器結(jié)構(gòu)的尺寸做出改變。采用穩(wěn)態(tài)求解及k-ε標準湍流模型， SIMPLEC算法，離散方式采用二饑階迎風(fēng)格式。

1.3 除塵效率計算方法

由于均勻粒徑的顆粒進行計算，因此除塵效率計算時采用的進出口粉塵質(zhì)量比可以轉(zhuǎn)化為旋風(fēng)除塵器入口及出口出的粒子數(shù)[7-8]，即旋風(fēng)除塵器的除塵效率η可以表示：

(1)

式中：S出口為旋風(fēng)除塵器進口處的粉塵質(zhì)量，kg；S入口為旋風(fēng)除塵器排灰口處的粉塵質(zhì)量，kg。

由于粉塵單位時間內(nèi)進出的質(zhì)量是由粉塵單位時間內(nèi)進出的粒子數(shù)n乘上粒子的質(zhì)量，并且模擬中添加的粒子材質(zhì)及質(zhì)量流量都是恒定不變的，因此上述公式可變?yōu)椋?/p>

(2)

式中:n入口為旋風(fēng)除塵器進氣口處單位時間內(nèi)通過的粒子個數(shù)；n出口為旋風(fēng)除塵器排灰口處單位時間內(nèi)通過的粒子個數(shù)。

旋風(fēng)除塵器進氣口及排氣口處單位時間內(nèi)通過的粒子個數(shù)，如圖2所示。旋風(fēng)除塵器除塵器進氣口處單位時間內(nèi)通過的粒子個數(shù)為1 060，排氣口處單位時間內(nèi)通過的粒子個數(shù)為352，則本次模擬除塵效率為66.79%。

圖2 旋風(fēng)除塵器內(nèi)部含塵氣體的運動軌跡

2 旋風(fēng)除塵器實例分析及優(yōu)化

2.1 旋風(fēng)除塵器筒體高度對除塵效率的影響

旋風(fēng)除塵器筒體的高度是由圓筒部分高度及圓椎部分高度所組成，改變圓筒部分高度Hf來改變旋風(fēng)除塵器的筒體總高度H，而圓椎部分高度Hc則保持不變[9]。在筒體總高度為3 800～4 300 mm的區(qū)間內(nèi)，共建立6個旋風(fēng)除塵器的三維模型，每個三維模型的筒體總高度以100 mm的增量進行改變(見圖3)。

圖3 改變旋風(fēng)除塵器筒體高度

模型構(gòu)建完成之后，分別將這6個模型進行除塵效率計算，結(jié)果如表1所列。從模擬結(jié)果中可明顯看出，在筒體高度從3 800～4 300 mm的變化過程中，旋風(fēng)除塵器的除塵效率隨除塵器圓筒高度的增加而提高，這是因為高度的增加，提高了顆粒的輸送距離。

2.2 旋風(fēng)除塵器圓筒直徑對除塵效率的影響

在旋風(fēng)除塵器圓筒直徑為1 000～1 500 mm的變化區(qū)間內(nèi)，同樣建立6個旋風(fēng)除塵器模型，且每個三維模型的圓筒直徑以100 mm的增量進行改變(見圖4)。

表1 改變旋風(fēng)除塵器筒體高度

圖4 改變旋風(fēng)除塵器圓筒直徑

模型構(gòu)建完成之后，分別將這6個模型進行除塵效率計算，結(jié)果如表2所列。從模擬結(jié)果中可以很明顯的看出，從1 000～1 500 mm的變化過程中，旋風(fēng)除塵器的除塵效率隨除塵器圓筒直徑的增大而大幅降低。

2.3 改變旋風(fēng)除塵器進氣口面積

在旋風(fēng)除塵器進氣口面積為2.4×105mm2(其中截面處長a=800 mm，寬b=300 mm)的原始工程模型的基礎(chǔ)上，不改變進氣口橫截面的形狀及長寬比，即對進氣口進行等比例縮放(見圖5)。

圖5 改變旋風(fēng)除塵器進氣口面積

模型構(gòu)建完成之后，分別將這6個模型進行除塵效率計算，結(jié)果如表3所列。從模擬結(jié)果中可以很明顯的看出，從進口面積的變化過程中，旋風(fēng)除塵器的除塵效率隨除塵器進氣口面積的增大而降低。

表2 改變旋風(fēng)除塵器圓筒直徑

表3 改變旋風(fēng)除塵器進氣口面積

3 旋風(fēng)除塵器實例優(yōu)化方案

改變旋風(fēng)除塵器的筒體總高度H、圓筒直徑D以及進氣口的橫截面積都會對旋風(fēng)除塵器的除塵效率產(chǎn)生影響。并且在限定的范圍內(nèi)，在特定的范圍內(nèi)，這三項結(jié)構(gòu)尺寸對除塵效率的影響都是線性的，旋風(fēng)除塵器筒體總高度增加，除塵效率隨之增加；圓筒直徑增大，除塵效率隨之降低；進氣口面積增大，除塵效率也隨之降低。因此可以得到如下的基礎(chǔ)優(yōu)化方案：分別取限定范圍內(nèi)最高的筒體高度(4 300 mm)；最小的圓筒直徑(1 000 mm)以及最小的進氣口面積(153 600 mm2(長寬分別為：640 mm×240 mm))構(gòu)建旋風(fēng)除塵器三維模型(見圖6)，則該模型為在限定范圍內(nèi)的優(yōu)化后的旋風(fēng)除塵器模型。

模擬分析優(yōu)化后模型的內(nèi)部流場，得出的除塵效率如表4所示。在限定的范圍內(nèi)經(jīng)過基礎(chǔ)的優(yōu)化后，旋風(fēng)除塵器的除塵效率達到了92.06%，比之前模擬過的17個模型的除塵效率都要高，并且相比于原始的旋風(fēng)除塵器70.15%的除塵效率要提高了21.91%，基本達到了目的，通過對旋風(fēng)除塵器結(jié)構(gòu)尺寸的改變極大的提高了除塵器的性能。

表4 優(yōu)化后旋風(fēng)除塵器的結(jié)構(gòu)尺寸及除塵效率

圖4 24優(yōu)化后的旋風(fēng)除塵器三維模型

4 結(jié) 語

以旋風(fēng)除塵器的除塵效率作為評價指標，探究了旋風(fēng)除塵器結(jié)構(gòu)尺寸變化對除塵效率的影響。在一定的范圍內(nèi)，旋風(fēng)除塵器筒體總高度H增加，除塵效率增大；旋風(fēng)除塵器圓筒直徑D增大，除塵效率降低；旋風(fēng)除塵器進氣口橫截面積增加，除塵效率降低。最后對原始模型做出在限定范圍之內(nèi)的基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)尺寸方面的優(yōu)化方案：筒體高度為4 300 mm、圓筒直徑為1 000 mm、進氣口橫截面積為153 600 mm2(長寬分別為：640 mm×240 mm)的旋風(fēng)除塵器。該結(jié)構(gòu)尺寸狀態(tài)下的旋風(fēng)除塵器除塵效率達到了92.06%，高于在限定范圍之內(nèi)模擬過的17個不同結(jié)構(gòu)尺寸的旋風(fēng)除塵器，并且相比于原始旋風(fēng)除塵器70.15%的除塵效率提高了21.91%，達到了優(yōu)化目的。