Fluent軟件在濾筒除塵器內部流場優化中的應用

劉紹儼 趙永會 劉巖

關鍵詞：Fluent；濾筒除塵器；數值模擬；流場分配

1引言

濾筒除塵器與傳統袋式除塵器相比具有占地面積小、除塵效率高、便于安裝維護等特點，其除塵效率不僅與濾筒本身性能有關，還與除塵器內部流場密切相關。除塵器內導流板的設置影響了氣流的分布，只有使內部氣流均勻，才能保證濾筒的使用壽命。本文利用流體力學分析軟件Fluent對除塵器內部流場進行模擬，并優化導流裝置的設計，從而為濾筒除塵器內部流場優化提供設計依據。

2數值模擬

2.1物理模型及模型簡化

某鋼廠轉爐二次除塵項目配套濾筒除塵器，處理風量60.5x104m3/h，過濾風速<0.7m/min，人口含塵濃度3～5g/Nm3，出口排放濃度<10mg/Nm3。通過改變導流裝置的大小、位置、角度等設計參數進行數值模擬，通過比較分析確定導流裝置的最優形式。

濾筒除塵器采用Solid Works按照1：1建模，其內部結構相對復雜，若不進行簡化處理會導致計算量過于龐大，無法完成相關計算，因此，需要做如下簡化。

（1）除塵設備體積龐大，可忽略壓型板箱體用對流場的影響，采用平板代替壓型板參與計算。

（2）數值模擬主要針對箱體內氣流對濾筒的影響，因此，模型缺省凈氣室噴吹管等部件的設置。

（3）濾筒的模擬一般設置為不同滲透率的多孔介質[1]，多孔介質對流場的整合作用過強會導致流場失真，若在沒有設置多孔介質時流場可滿足設計要求，則設置為多孔介質后計算的流場效果會更好，故模型忽略濾筒部件。

經簡化后模型的長×寬×高尺寸為：22080mmx11480mmx10070mm。

2.2控制方程及流體模型假設

除塵器內部流場運動形式為湍流，為較真實地模擬煙氣流動，本文采用氣、固兩相流來進行模擬分析，選擇標準k-epslion（ 2eqn）模型[2]作為湍流模型，壁面選擇標準壁面函數并采用SIMPLE算法[3]。標準k-8模型的湍流動能k和耗散率s的控制公式如下：生的湍流動能，由浮力產生的湍流動能，可壓縮湍流中的過渡擴散對整體耗散率的影響，不可壓縮流體取值為分別是湍流普朗特數。

湍流粘性系數的計算方法如下：

為了便于計算收斂，對流體模型做如下假設[4]：

（1）假設流體不可壓縮；（2）假設流體做定常流動；（3）假設整個流動過程為等溫過程，不考慮溫度對流場的影響。

3未加導流裝置模擬分析

3.1網格劃分

利用ANSYS中Fluent Meshing對模型進行劃分，體網格采用Poly-Hexcore，劃分后網格質量Skewness最大值0.799，據Fluent手冊網格質量評判標準中描述Skewness最大值小于0.9即可滿足計算要求，最終劃分的網格數量約570萬。

3.2模擬分析

模型未設導流裝置模擬結果見圖1，圖1（a）濾筒底面下500mm平面處流場速度云圖，云圖兩端高亮區域最大流速10.074m/s，最小流速0.245m/s。圖1（b）為除塵器出口側（Z方向-1.8m處截面）速度云圖，氣流經過進風彎管后的氣流直沖至灰斗的外側。

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的濾筒，此部分濾筒負荷較大，不利于使用，會導致發生濾筒破損的情況，使除塵器粉塵的排放濃度超標。

4導流裝置模擬分析

4.1模型及導流板設置

為減少計算量，模型按除塵器中心對稱的一半進行導流模擬，網格劃分后Skewness最大值為0.859，網格數量約260萬。導流裝置采用板式，導流板設置了不同的數量、大小、位置、角度等參數進行模擬，優化后的最終模型及導流板設置見圖2，導流板選用鋼板折彎壓制而成，尺寸為385mm+50mm折彎，每個灰斗均設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計算，出人口截面尺寸長×寬為3.3m×1.8m，計算后邊界條件為：水力直徑2.3294m，湍流強度3.427%．人口流速14.146m/s。

粉塵顆粒的模擬需要Fluent打開離散相模型[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，轉爐二次煙的相關參數按手冊設置[8]。

4.3模擬分析

導流裝置模擬結果如圖3所示，圖3（a）為濾筒底部500 mm處流場速度云圖，此截面按每個箱體取點540個，統計各點的流速計算相對標準偏差Cv，該值<25%即表示氣流分布合格，本案例最終計算的Cv值為24.4%。

圖3（b）為除塵器出口側（Z方向-1.8m處截面）速度云圖，通過該云圖可以看到灰斗內氣流經過導流板后流速呈下降的趨勢。

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

圖3（d）為除塵器內部氣體流動軌跡圖。

5結束語

（1） Fluent軟件對濾筒除塵器內部流場的模擬，屬計算流體力學范疇，可以解析除塵器內部氣流分布狀態，追蹤粉塵顆粒運行軌跡，為除塵器導流裝置的設計提供依據。

（2）未設置導流裝置時，除塵器內部流場不均會使粉塵沖刷濾筒，降低除塵器的使用效率，因此，導流裝置的設計是保證除塵器正常使用的關鍵。

（3）通過最終優化的模擬結果顯示，除塵器內部流場得到了明顯改善，導流板的阻流作用迫使氣流及粉塵顆粒的運動軌跡發生改變，一部分粉塵受阻直接在灰斗沉積，進而降低對濾筒的磨損。該導流模擬結果已經應用到工程實際，此項目擬定于2023年3月投入使用。

（4）在工程實際中發現，一般的除塵器出口側灰斗粉塵是最先到達上料位的，結合Fluent模擬可以看到各箱體之間的氣流分布也是不均勻的，該模擬結果和工程實際基本一致。因此，可以考慮在除塵器進風通道內設置若干導流孔板，讓除塵器每個箱體的風量分配趨于一致，氣流中的粉塵顆粒預先經過導流孔板，可以實現預除塵的效果，能更有效地提高除塵效率并延長濾筒壽命。