基于CFD-DEM的金屬纖維濾網反吹過濾特性研究

彭 濤， 丁昕越， 劉雪東,b， 蔣 威， 顧宇彤， 劉梅華， 朱梓瑞

(常州大學 a. 機械與軌道交通學院; b. 江蘇省綠色過程裝備重點實驗室， 江蘇常州 213164)

金屬纖維濾網是一種應用于化工、 冶金、 石油、 環保等領域的新型濾網，可以攔截流體中的固體污染物[1-3]。相較于傳統的布式濾袋，具有耐高溫、 抗腐蝕、 可加工性強、 使用壽命長等特點，可以很好地解決惡劣工況下極易發生的糊膜、 高溫燒袋、 濾袋破損導致的粉塵泄露等問題，有效降低企業的生產成本，提高設備的連續生產能力[4]。

反吹清灰技術是提高濾網使用壽命的關鍵技術。 通常是將壓縮空氣從濾袋過濾的反方向吹掃， 使濾袋表層及內部的粉塵脫離， 恢復濾袋的過濾性能[5]。 很多學者對纖維濾袋的反吹過程進行了廣泛研究， 發現反吹清灰效果主要受濾袋的大小、 噴吹壓力、 噴吹設備形式、 濾袋排布方式等諸多因素影響。 張景霞等[6]利用計算流體動力學對脈沖袋式除塵器噴吹管內氣流進行了數值模擬， 研究了氣流在濾袋內的氣體流量、 速度和靜壓的分布。 Yan等[7]發現較大的側壁壓力峰值更有利于清灰，而Humphries等[8]的研究則顯示側壁壓力峰值與噴吹壓力呈正相關關系。胥海倫等[9]自行設計了氣體噴吹器，并對濾筒除塵器的脈沖噴吹清灰流場進行了分析，得到了最佳的噴吹器開口直徑。安蓉蓉等[10]提出了一種轉角正方形排布的袋式除塵器，并通過試驗與數值模擬結合的方法研究不同進氣條件下排布方式除塵器內部的速度分布規律以及流量分配系數。秦文茜等[11]通過試驗的方法，分析了噴吹壓力、噴吹距離以及噴吹孔徑對金屬濾袋的壓力分布影響，得到了最佳操作參數，并指出金屬濾袋的中、 下部清灰需重點關注。

已有研究多側重于從宏觀角度分析各種參數對反吹清灰效果的影響， 對于反吹時操作參數對顆粒在濾網中停留分布的影響少見報道。 本文中對金屬纖維濾網結構特性進行分析， 并以此為基礎進行三維模型重建， 通過實驗與數值模擬的方法驗證了模型的可靠性， 采用計算流體力學-離散單元法(CFD-DEM)聯合仿真的方法， 模擬球形顆粒在金屬纖維濾網內部的反吹過程，研究了反吹壓力、反吹時間對清灰效果的影響，并對反吹前、 后顆粒在濾網內的分布情況進行探討，為金屬纖維濾袋在實際工業應用中的操作條件的選定提供理論依據。

1 數值模型

1.1 氣流相模型

金屬纖維濾網內部氣體為復雜的三維湍流流場，考慮到固相顆粒及模型對氣體流動的影響，在連續性方程中加入額外的體積分數項εg(即空隙率)，從而進行流固耦合分析。氣流相的控制方程[12]為

(1)

(2)

式中：p為氣體壓力， Pa；ρg為氣體密度， kg/m3；τg為黏性應力張量；ug為網格中氣體速度，m/s；g為重力加速度， m/s2；S為氣固之間的動量交換。

1.2 顆粒相模型

將顆粒設為離散相，每個粒子在流場中運動時位置和速度都將被追蹤，顆粒所受力有顆粒之間的碰撞力、顆粒與流體和壁面之間的作用力、重力等，其運動規律遵循牛頓第二定律，運動方式包括轉動和平動2種，顆粒相的控制方程[13]為

(3)

(4)

式中：mi為顆粒i的質量， kg；ωi為角速度， rad/s；Ii為慣性矩， N·m；vi為平動速度， m/s；mig為質點重力， N；Ft,ij為顆粒間的切向接觸力， N；Fn,ij為顆粒間的法向接觸力， N；Fc,i為顆粒與流體的相互作用力， N；Fnc,i為非接觸力， N；Mr,ij為滾動摩擦力矩， N·m；Ri為顆粒質心與接觸點的距離矢量。

由于顆粒之間存在著多次和長時間碰撞，因此采用軟球接觸模型，此時，顆粒所受外力和外力矩為

Fn,ij=knδn,ij-vnvn,ij,

(5)

Ft,ij=ktδt,ij-vtvt,ij,

(6)

(7)

式中：μr是滾動摩擦系數；vn,ij和vt,ij是相對法向和切向速度， m/s；γn和γt是法向和切向黏性阻尼系數，N·s/m；kn和kt是法向和切向彈性系數，N/m；δn,ij和δt,ij是法向和切向方向變形， m。

1.3 氣固兩相耦合算法

氣固相互作用力是顆粒與周圍氣體相互作用形成的，主要包括附加質量力、 阻力、 壓力梯度力、 浮力、 Basset力、 Magnus力、 Saffman力等。為了簡化計算，本文中主要考慮曳力對顆粒運動的影響，則氣固兩相之間的動量交換方程[14]為

(8)

式中： ΔV是控制體的體積， m3；n為粒子數；Fd,i為曳力，其計算方式為

(9)

式中：Vi是粒子體積， m3；vp是當前網格中粒子的速度， m/s；β是相間動量交換系數，計算方式為

(10)

式中：μg為流體的動力黏度，Pa·s；dp是顆粒直徑， m；cd是有效曳力系數，計算方式為

(11)

式中Rep為顆粒雷諾數。

2 模型建立及驗證

2.1 金屬纖維濾網結構特性及其三維模型

組成濾網的金屬纖維(由西部寶德科技股份有限公司提供)材料為06Cr17Ni12Mo2，出廠性能參數如表1所示。

表1 金屬纖維濾袋性能參數

金屬纖維濾網電鏡掃描圖像及其三維模型如圖1所示。由圖1 a)的金屬纖維濾網截面掃描圖可以看出，整個金屬纖維濾網類似“三明治”結構，上、 下區域由直徑為20 μm的金屬纖維組成，每側約有5層，中間區域由直徑為8 μm的金屬纖維組成，金屬纖維的排布沒有明顯的方向性。根據電鏡掃描結果采用Pro/Engineer 5.0進行三維模型重建的金屬纖維過濾網如圖1 b)所示，金屬纖維濾網三維模型由3個區域組成， 上、 下2個區域采用直徑為20 μm的圓柱狀金屬絲隨機排布，每個區域均由5層堆疊而成；中間區域由直徑為8 μm的圓柱狀金屬絲構成，共有37層，因此模型的總厚度為0.496 mm，與實際金屬纖維濾網的厚度吻合；每一層上的圓柱體隨機排布，每層約為9～10個圓柱體。為了驗證金屬纖維濾網模型與實際金屬纖維濾網的符合度，使用Pro/Engineer 5.0對三維模型進行體積分析，得到濾網模型的孔隙率為74.8%，且粗細纖維質量分數分別為0.47、 0.53，這與金屬纖維過濾網出廠報告中的孔隙率為75%相吻合。

a)金屬纖維材料截面掃描圖b)金屬纖維濾網三維模型圖1 金屬纖維濾網電鏡掃描圖及其三維模型Fig.1 Electron microscope scanning image of metal fiber filter and its three-dimensional model

2.2 金屬纖維濾網建模準確性驗證

為了進一步驗證金屬纖維濾網建模的準確性，搭建如圖2所示金屬纖維濾網實驗平臺。由圖2 a)可知，裝置兩側為透明筒體，筒體材料為亞克力，筒體內徑為100 mm，筒體長度均為500 mm。實驗裝置中間夾有金屬纖維濾網，通過螺栓將其與兩側筒體連接。圖2 b)為金屬纖維濾網實驗平臺流程圖，通過一系列的管路將XGB-370型(浙江亞士霸電機有限公司)風機、 球閥、 DN20型渦街流量計(江蘇滬儀自動化儀表有限公司)、 TESTO-510型微壓差計(德圖儀器國際貿易有限公司)、 金屬纖維濾網和筒體進行連接。氣體從鼓風機吹出，通過調節球閥的開度調整入射氣流的流量，以此根據濾網面積計算入射氣流速度，同時監控壓力表的示數。

a)實驗裝置b)實驗流程圖1—風機; 2—球閥; 3—渦街流量計; 4—微壓差計; 5—金屬纖維濾網。圖2 金屬纖維濾網實驗平臺Fig.2 Experimental equipment of metal fiber felt

對金屬纖維濾網三維模型進行網格劃分，模型的最大網格尺寸設置為0.008 mm，其他部分的最大網格尺寸設置為0.04 mm，劃分后的模型中網格總數為2 311 802，網格劃分后金屬纖維濾網氣流場計算模型如圖3所示。由圖3可見，左側為氣流入口，中間位置為金屬纖維過濾網模型，右側為氣流出口。采用ANSYS Fluent 15.0進行氣相設置，左端面設置為速度入口邊界條件以模擬氣流入射條件；右端面設置為壓力出口，中間部分纖維設置為壁面無滑移邊界條件，其他部分設置為對稱邊界條件。流體密度和黏度參考25 ℃時的空氣性質，分別為1.185 kg/m3和1.835×10-5Pa·s。

圖3 金屬纖維濾網氣流場計算模型Fig.3 Calculation model of airflow in metal fiber felt

在ANSYS Fluent 15.0中，設置進口氣流速度分別為0.2、 0.4、 0.6、 0.8、 1.0 m/s進行計算，得出金屬纖維濾網兩側的壓力降隨氣流速度的變化情況，并在實驗臺設置相同的氣體流速，得出相應氣體流速所對應的壓力降，最后進行數值模擬與實驗結果的比較。數值模擬與實驗獲得的氣流速度與壓降的關系曲線如圖4所示。從圖4中可知，數值模擬結果與實驗結果具有很好的匹配性，實驗結果略大于數值模擬結果，且最大誤差小于5%。這是由于金屬纖維濾網在生產過程中，模壓成型工藝使得纖維濾網受到擠壓，存在微小的變形導致孔道阻塞，因此導致實驗測量結果略大于模擬結果，據此，可以確定所建立的三維金屬纖維濾網模型是可靠的。

圖4 數值模擬和實驗獲得的氣流速度與壓降的關系曲線Fig.4 Relation curve of airflow velocity and pressure drop obtained by numerical simulation and experiment

2.3 金屬纖維濾網反吹模型的構建

金屬纖維濾網較為合適氣體流速設為0.2～0.4 m/s[15]。為生成清灰初始模型，使顆粒沉積在金屬纖維濾網上，在含塵氣流速度為0.4 m/s的情況下，共生成3 200個直徑為12 μm的圓球形顆粒，顆粒物理性質參考煤粉設定，最終生成的金屬纖維濾網反吹模型如圖5所示。

圖5 金屬纖維濾網反吹模型Fig.5 Back-blowing model of metal fiber filter screen

由圖5可見，大部分顆粒附著在濾網表面，少部分顆粒沉積在濾網內部，且濾網內部顆粒沉積位置集中在濾網反吹方向后半部分。通過計算得出，此時金屬纖維濾網的容塵量為3.85 mg/cm2，接近表1中金屬纖維濾網的設計容塵量4 mg/cm2，故可將其作為反吹清灰的初始狀態模型。反吹清灰模型的相關計算參數如表2所示。

表2 反吹清灰模型相關計算參數

3 結果與討論

3.1 反吹壓力對清灰效率的影響

脈沖噴吹氣流在濾袋內的清灰作用是一次性的，清灰氣流對濾袋的第一次沖擊起決定性作用[16]，反吹時金屬濾網側壁壓力峰值通常為1 000～2 000 Pa[11]，因而設置濾網反吹壓力分別為1 000、 1 300、 1 600、 1 900、 2 200 Pa，研究濾網反吹壓力對清灰效率的影響。清灰效率計算公式為

(12)

式中：η為清灰效率；N0為顆粒初始沉積個數；N1為殘余顆粒個數。

不同反吹壓力條件下顆粒在濾網上的殘留情況如圖6所示。從圖6中可以看出，隨著反吹壓力的增大，濾網上殘留的顆粒數量逐漸減少。

a)1 000 Pab)1 300 Pac)1 600 Pad)1 900 Pae)2 200 Pa圖6 不同反吹壓力條件下顆粒在濾網上的殘留情況Fig.6 Residual condition of particles on filter screen under different back blowing pressure

反吹壓力對清灰效率的影響如圖7所示。由圖7可知，清灰效率隨著反吹壓力的增大而增大；其增速隨著反吹壓力的增大而存在著明顯的邊際遞減效應，當濾網反吹壓力達到1 900 Pa之后，雖然反吹壓力進一步增大，但清灰效率并無明顯提升。究其原因，當反吹壓力達到1 900 Pa時，已經清除濾網所含88.1%的顆粒，附著不牢固的顆粒已基本被清吹，剩余的顆粒由于彼此的吸附作用或者被卡在纖維與纖維之間的較小縫隙中，依然停留在濾網內部，此時再增大反吹壓力也只能吹走少許顆粒，不能顯著提高清灰效率；工程實踐表明，反吹壓力并不是越大越好，當反吹壓力過大時濾網的壽命反而變短，導致濾網頻繁更換使得成本提高，因此，在實際工程應用中，反吹壓力只需滿足清灰條件即可，過大的反吹壓力反而會降低設備運行的穩定性。

圖7 反吹壓力對清灰效率的影響Fig.7 Influence of back blowing pressure on dust removal efficiency

3.2 顆粒殘留的分布

為了研究反吹前、 后顆粒在金屬濾網中殘留的分布情況，沿金屬纖維濾網模型的深度方向將整個濾網平均分為20個區域，區域間隔深度為0.025 mm，并統計每個間隔深度區域的顆粒數目。在反吹時間為100 ms、 反吹壓力為1 900 Pa的條件下，對除表面外的殘留顆粒在濾網不同間隔深度區域進行統計。不同過濾網間隔深度反吹前后殘留顆粒數量如圖8所示。

圖8 不同過濾網間隔深度反吹前后殘留顆粒數量Fig.8 Number of residual particles before and after back-blowing with different depth of filter screen interval

從圖8可知，反吹之前顆粒主要集中在近濾網表面處；在距離濾網表面0.10 mm之內，顆粒數量占濾網內顆粒總數量的49.5%；反吹后，近濾網表面顆粒反吹清灰效果最明顯，在距離濾網表面0.10 mm之內，超過94%顆粒被吹除；濾網中后段反吹效果欠佳，在距離濾網表面0.10～0.25 mm的區域內，僅吹除35%的殘留顆粒；距離濾網表面超過0.25 mm的區域，反吹前后此區域的顆粒數量基本沒有變化。這是由于顆粒沉積深度越深，顆粒在脫離金屬纖維濾網的過程中會遇到更多顆粒以及纖維的阻礙；沉積較淺的顆粒遇到的阻礙較小，更容易脫離濾網，因此，濾網表面顆粒反吹效果與濾網中后段反吹效果差別較大。

3.3 反吹時間對清灰效率的影響

在不同反吹壓力條件下，分別設置反吹時間為60、 80、 100、 120、 140 ms，對殘余在金屬纖維濾網上的顆粒數進行分析，計算反吹清灰效率。不同反吹壓力條件下反吹時間對清灰效率的影響如圖9所示。

圖9 不同反吹壓力條件下反吹時間對清灰效率的影響Fig.9 Influence of back-blowing time on dust removal efficiency under different back blowing pressure

由圖9可知，在一定反吹壓力條件下，清灰效率先是隨著反吹時間的增大而逐漸增大，但反吹時間達到某一數值之后清灰效率基本不再增大，說明反吹時間只有在一定范圍內影響纖維濾網的清灰效果，繼續增加反吹時間只會增加能量的損耗，并不能提高清灰效率。從圖9還可以發現，為了達到平衡清灰效果，反吹壓力為1 000 Pa時所需反吹時間為120 ms，是反吹壓力約為2 200 Pa時所需反吹時間的1.5倍；當反吹壓力為1 900 Pa、 反吹時間為80 ms時清灰效果最好。反吹壓力越大，達到平衡清灰效率所需要的反吹時間越短，其原因在于，反吹壓力越大，高壓氣體對于濾網內的顆粒沖擊作用越大，濾網能夠很快達到清灰平衡狀態。

4 結論

依據金屬纖維濾網的結構特性以及出廠參數，建立反吹清灰初始三維模型，研究了濾網表面反吹壓力、 反吹時間對清灰效果的影響，得出以下結論：

1)清灰效率隨著反吹壓力的增大而增大，其增速隨著反吹壓力的增大而存在著明顯的邊際遞減效應；當反吹壓力過大時，濾網的使用壽命也會相應變短，增加了使用成本。

2)顆粒主要集中在近濾網表面處，反吹后在距離濾網表面0.10 mm之內超過94%顆粒被吹除。

3)隨著反吹時間的增加，清灰效率先逐漸增大，之后保持穩定，反吹時間只在一定范圍內影響纖維濾網的清灰效率；反吹壓力越大，達到平衡清灰效率所需要的反吹時間越短。

4)對于孔隙率為74.8%、 容塵量為3.85 mg/cm2的金屬纖維濾網， 當反吹壓力為1 900 Pa、 反吹時間為80 ms時， 清灰效率最高。