Fluent軟件在濾筒除塵器內(nèi)部流場(chǎng)優(yōu)化中的應(yīng)用

劉紹儼 趙永會(huì) 劉巖

關(guān)鍵詞：Fluent；濾筒除塵器；數(shù)值模擬；流場(chǎng)分配

1引言

濾筒除塵器與傳統(tǒng)袋式除塵器相比具有占地面積小、除塵效率高、便于安裝維護(hù)等特點(diǎn)，其除塵效率不僅與濾筒本身性能有關(guān)，還與除塵器內(nèi)部流場(chǎng)密切相關(guān)。除塵器內(nèi)導(dǎo)流板的設(shè)置影響了氣流的分布，只有使內(nèi)部氣流均勻，才能保證濾筒的使用壽命。本文利用流體力學(xué)分析軟件Fluent對(duì)除塵器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬，并優(yōu)化導(dǎo)流裝置的設(shè)計(jì)，從而為濾筒除塵器內(nèi)部流場(chǎng)優(yōu)化提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

2數(shù)值模擬

2.1物理模型及模型簡(jiǎn)化

某鋼廠轉(zhuǎn)爐二次除塵項(xiàng)目配套濾筒除塵器，處理風(fēng)量60.5x104m3/h，過(guò)濾風(fēng)速<0.7m/min，人口含塵濃度3～5g/Nm3，出口排放濃度<10mg/Nm3。通過(guò)改變導(dǎo)流裝置的大小、位置、角度等設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)比較分析確定導(dǎo)流裝置的最優(yōu)形式。

濾筒除塵器采用Solid Works按照1：1建模，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，若不進(jìn)行簡(jiǎn)化處理會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量過(guò)于龐大，無(wú)法完成相關(guān)計(jì)算，因此，需要做如下簡(jiǎn)化。

（1）除塵設(shè)備體積龐大，可忽略壓型板箱體用對(duì)流場(chǎng)的影響，采用平板代替壓型板參與計(jì)算。

（2）數(shù)值模擬主要針對(duì)箱體內(nèi)氣流對(duì)濾筒的影響，因此，模型缺省凈氣室噴吹管等部件的設(shè)置。

（3）濾筒的模擬一般設(shè)置為不同滲透率的多孔介質(zhì)[1]，多孔介質(zhì)對(duì)流場(chǎng)的整合作用過(guò)強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致流場(chǎng)失真，若在沒(méi)有設(shè)置多孔介質(zhì)時(shí)流場(chǎng)可滿足設(shè)計(jì)要求，則設(shè)置為多孔介質(zhì)后計(jì)算的流場(chǎng)效果會(huì)更好，故模型忽略濾筒部件。

經(jīng)簡(jiǎn)化后模型的長(zhǎng)×寬×高尺寸為：22080mmx11480mmx10070mm。

2.2控制方程及流體模型假設(shè)

除塵器內(nèi)部流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)形式為湍流，為較真實(shí)地模擬煙氣流動(dòng)，本文采用氣、固兩相流來(lái)進(jìn)行模擬分析，選擇標(biāo)準(zhǔn)k-epslion（ 2eqn）模型[2]作為湍流模型，壁面選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)并采用SIMPLE算法[3]。標(biāo)準(zhǔn)k-8模型的湍流動(dòng)能k和耗散率s的控制公式如下：生的湍流動(dòng)能，由浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，可壓縮湍流中的過(guò)渡擴(kuò)散對(duì)整體耗散率的影響，不可壓縮流體取值為分別是湍流普朗特?cái)?shù)。

湍流粘性系數(shù)的計(jì)算方法如下：

為了便于計(jì)算收斂，對(duì)流體模型做如下假設(shè)[4]：

（1）假設(shè)流體不可壓縮；（2）假設(shè)流體做定常流動(dòng)；（3）假設(shè)整個(gè)流動(dòng)過(guò)程為等溫過(guò)程，不考慮溫度對(duì)流場(chǎng)的影響。

3未加導(dǎo)流裝置模擬分析

3.1網(wǎng)格劃分

利用ANSYS中Fluent Meshing對(duì)模型進(jìn)行劃分，體網(wǎng)格采用Poly-Hexcore，劃分后網(wǎng)格質(zhì)量Skewness最大值0.799，據(jù)Fluent手冊(cè)網(wǎng)格質(zhì)量評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)中描述Skewness最大值小于0.9即可滿足計(jì)算要求，最終劃分的網(wǎng)格數(shù)量約570萬(wàn)。

3.2模擬分析

模型未設(shè)導(dǎo)流裝置模擬結(jié)果見(jiàn)圖1，圖1（a）濾筒底面下500mm平面處流場(chǎng)速度云圖，云圖兩端高亮區(qū)域最大流速10.074m/s，最小流速0.245m/s。圖1（b）為除塵器出口側(cè)（Z方向-1.8m處截面）速度云圖，氣流經(jīng)過(guò)進(jìn)風(fēng)彎管后的氣流直沖至灰斗的外側(cè)。

模擬得出氣流分布不均勻，高速的氣流和粉塵直接沖刷箱體靠外側(cè)的濾筒，此部分濾筒負(fù)荷較大，不利于使用，會(huì)導(dǎo)致發(fā)生濾筒破損的情況，使除塵器粉塵的排放濃度超標(biāo)。

4導(dǎo)流裝置模擬分析

4.1模型及導(dǎo)流板設(shè)置

為減少計(jì)算量，模型按除塵器中心對(duì)稱的一半進(jìn)行導(dǎo)流模擬，網(wǎng)格劃分后Skewness最大值為0.859，網(wǎng)格數(shù)量約260萬(wàn)。導(dǎo)流裝置采用板式，導(dǎo)流板設(shè)置了不同的數(shù)量、大小、位置、角度等參數(shù)進(jìn)行模擬，優(yōu)化后的最終模型及導(dǎo)流板設(shè)置見(jiàn)圖2，導(dǎo)流板選用鋼板折彎壓制而成，尺寸為385mm+50mm折彎，每個(gè)灰斗均設(shè)5塊，與水平夾角呈80°。

4.2邊界條件及離散相模型

按新模型重新核算邊界條件，煙氣流量按一半30.25×104m3/h計(jì)算，出人口截面尺寸長(zhǎng)×寬為3.3m×1.8m，計(jì)算后邊界條件為：水力直徑2.3294m，湍流強(qiáng)度3.427%．人口流速14.146m/s。

粉塵顆粒的模擬需要Fluent打開(kāi)離散相模型[7]，粉塵顆粒釋放位置為除塵器人口，流速與氣流速度一致，分布形式為rosln-rammler，轉(zhuǎn)爐二次煙的相關(guān)參數(shù)按手冊(cè)設(shè)置[8]。

4.3模擬分析

導(dǎo)流裝置模擬結(jié)果如圖3所示，圖3（a）為濾筒底部500 mm處流場(chǎng)速度云圖，此截面按每個(gè)箱體取點(diǎn)540個(gè)，統(tǒng)計(jì)各點(diǎn)的流速計(jì)算相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差Cv，該值<25%即表示氣流分布合格，本案例最終計(jì)算的Cv值為24.4%。

圖3（b）為除塵器出口側(cè)（Z方向-1.8m處截面）速度云圖，通過(guò)該云圖可以看到灰斗內(nèi)氣流經(jīng)過(guò)導(dǎo)流板后流速呈下降的趨勢(shì)。

圖3（c）為除塵器內(nèi)部粉塵粒子運(yùn)動(dòng)軌跡，一部分粉塵顆粒與導(dǎo)流板碰撞后直接落人灰斗，導(dǎo)流裝置可以避免大顆粒粉塵直接沖刷濾筒。

圖3（d）為除塵器內(nèi)部氣體流動(dòng)軌跡圖。

5結(jié)束語(yǔ)

（1） Fluent軟件對(duì)濾筒除塵器內(nèi)部流場(chǎng)的模擬，屬計(jì)算流體力學(xué)范疇，可以解析除塵器內(nèi)部氣流分布狀態(tài)，追蹤粉塵顆粒運(yùn)行軌跡，為除塵器導(dǎo)流裝置的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

（2）未設(shè)置導(dǎo)流裝置時(shí)，除塵器內(nèi)部流場(chǎng)不均會(huì)使粉塵沖刷濾筒，降低除塵器的使用效率，因此，導(dǎo)流裝置的設(shè)計(jì)是保證除塵器正常使用的關(guān)鍵。

（3）通過(guò)最終優(yōu)化的模擬結(jié)果顯示，除塵器內(nèi)部流場(chǎng)得到了明顯改善，導(dǎo)流板的阻流作用迫使氣流及粉塵顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生改變，一部分粉塵受阻直接在灰斗沉積，進(jìn)而降低對(duì)濾筒的磨損。該導(dǎo)流模擬結(jié)果已經(jīng)應(yīng)用到工程實(shí)際，此項(xiàng)目擬定于2023年3月投入使用。

（4）在工程實(shí)際中發(fā)現(xiàn)，一般的除塵器出口側(cè)灰斗粉塵是最先到達(dá)上料位的，結(jié)合Fluent模擬可以看到各箱體之間的氣流分布也是不均勻的，該模擬結(jié)果和工程實(shí)際基本一致。因此，可以考慮在除塵器進(jìn)風(fēng)通道內(nèi)設(shè)置若干導(dǎo)流孔板，讓除塵器每個(gè)箱體的風(fēng)量分配趨于一致，氣流中的粉塵顆粒預(yù)先經(jīng)過(guò)導(dǎo)流孔板，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)除塵的效果，能更有效地提高除塵效率并延長(zhǎng)濾筒壽命。