基于Fluent對井下濕式除塵器的流場分析

王云龍，王寶中，李民主

（1.河北聯(lián)合大學(xué) 機械工程學(xué)院，河北 唐山 063000；2.唐山開灤廣匯設(shè)備制造有限公司，河北 唐山 063000）

0 引言

我國是產(chǎn)煤大國，在煤礦生產(chǎn)過程中產(chǎn)生了大量的煤礦粉塵。粉塵危害主要有兩方面：一是對人體健康的危害，二是煤塵爆炸危害。研究井下除塵技術(shù)，遏制粉塵危害，保證礦工生命安全，具有十分重要的意義。本文對濕式除塵器的結(jié)構(gòu)、工作原理進(jìn)行深入分析研究，并利用Fluent軟件對除塵器內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬，分析除塵器內(nèi)部是否出現(xiàn)由于設(shè)計不合理而引起的渦流、回流以及內(nèi)部壓力場、速度場分布的不均勻，進(jìn)而采取有效措施避免出現(xiàn)這類問題，提高除塵器除塵效率，降低設(shè)備運行阻力。

1 井下濕式除塵器結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1為KCS復(fù)合型礦用濕式除塵器結(jié)構(gòu)。它主要由除塵器箱體、過濾裝置、脫水百葉窗3部分組成，其中過濾裝置上裝有噴水裝置。其工作原理是：首先含塵氣流進(jìn)入除塵器后經(jīng)過過濾裝置，由于噴頭不斷向過濾網(wǎng)噴水，含塵氣體經(jīng)過過濾裝置變成含塵液滴，塵粒因此被捕獲，其中一部分含塵液滴因水幕的加厚或其自重而隨水流下降，同時自動清洗過濾裝置上的積塵，由排污口排出；另一部分含塵液滴隨后進(jìn)入脫水器，百葉窗脫水器是由多塊折流板構(gòu)成的，在折流板構(gòu)成的通道的每個拐彎處都裝有收集鉤，液滴將碰撞到對面板壁上或百葉窗拐彎處的收集鉤內(nèi)，并積聚形成液膜，液膜逐漸加厚會順著百葉窗壁面往下流，從排污口流出；最后，由排污口流出的液滴經(jīng)過過濾、脫水處理得到的潔凈氣體直接排入巷道，達(dá)到了空氣凈化的目的。

2 除塵器模型的建立及網(wǎng)格劃分

除塵器結(jié)構(gòu)為非對稱結(jié)構(gòu)，建立除塵器的三維模型時把不影響除塵器流場的部件和材料去除，如除塵器倒圓角和邊角部分以及除塵器的污水艙、排污口、進(jìn)風(fēng)口組件、出風(fēng)口組件。除塵器的過濾裝置內(nèi)填充不銹鋼絲纖維，其三維建模難度極大且不宜劃分網(wǎng)格，可以把過濾網(wǎng)看作多孔介質(zhì)域。本文采用Pro/E軟件創(chuàng)建除塵器的幾何模型，利用ICEM軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立的三維模型網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖1 KCS復(fù)合型礦用濕式除塵器結(jié)構(gòu)

圖2 除塵器網(wǎng)格劃分

3 數(shù)學(xué)模型與物理模型

3.1 湍流模型

根據(jù)井下濕式除塵器正常運行狀態(tài)下的工況參數(shù)計算出除塵器內(nèi)部流場的雷諾數(shù)，從而確定內(nèi)部流場為湍流流場。湍流流場分析采用標(biāo)準(zhǔn)k－ε湍流模型，標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型的湍動能k方程為：

其中：xi為氣、液、固三相中某一相的坐標(biāo)分量；ui為氣、液、固三相中某一相的速度矢量；ρ為密度；μ為分子黏性系數(shù)；μi為湍流黏性系數(shù)；Gk為由于速度梯度引起的應(yīng)力生成項；σk為湍動能普朗特數(shù)，σk＝1。

耗散率ε方程為：

其中：σε為耗散率普朗特數(shù)，σε＝1.3；C1ε和C2ε為常數(shù)，C1ε＝1.44，C2ε＝1.92。

3.2 多相流模型

采用歐拉－歐拉方法的混合模型是一種簡化的多相流模型，它用于模擬各相有不同速度的多相流，但是假定了在較短空間尺度上局部的平衡，其各個相之間的耦合很強；它也用于模擬有強烈耦合的各向同性多相流和各相以相同速度運動的多相流。在模擬除塵器流場特性和粉塵顆粒運動軌跡時一般選多相流模型，采用k－ε湍流模型求解混合相的動量方程、第二相的體積率方程以及相對速度的代數(shù)表示。

連續(xù)性方程為：

動量方程為：

其中：xj為另一相坐標(biāo)分量；uj為另一相的速度矢量。

3.3 多孔介質(zhì)模型

對于過濾式除塵器的模擬，由于過濾過程具有復(fù)雜性和不確定性，在模擬過濾過程時與理論上還有一定的出入，難以再現(xiàn)實際過濾過程，但采用多孔介質(zhì)模型方法，其結(jié)果與實際情況比較接近。在多孔介質(zhì)面板里需要計算的涉及到多孔介質(zhì)的參數(shù)只有兩個，第一個是黏性阻力系數(shù)α，第二個是慣性阻力系數(shù)C2，這兩個系數(shù)可以用歐根公式求解：

其中：Dp為球形顆粒的直徑或非球形顆粒的體積當(dāng)量直徑；ω為孔隙率。

4 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

本文根據(jù)設(shè)備的具體運行狀況進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕孩俪龎m器的內(nèi)流場為等溫流動，不考慮各相間的熱交換；②塵粒和液滴均看作球形；③把過濾裝置看作多孔介質(zhì)域。

因為本文研究的是空氣—液滴—煤粉三相相互貫通的連續(xù)體，是具有強烈耦合的各向同性的多相流，考慮了界面?zhèn)鬟f特性以及兩相間的擴散作用和脈動作用，所以采用mixture模型進(jìn)行氣液固三相模擬。其中湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型和壁面函數(shù)法，應(yīng)用壓力速度耦合的Coupled算法。把過濾裝置看作多孔介質(zhì)域，采用多孔介質(zhì)條件的簡化模型，即多孔跳躍條件。進(jìn)口條件采用速度進(jìn)口，出口條件采用壓力出口，氣流相壁面滿足無滑移條件，近壁面處應(yīng)用壁面函數(shù)，對于固相顆粒，壁面采用無損失碰撞條件，入口速度給定，與氣流速度相同。經(jīng)過Fluent計算后，得到的結(jié)果如圖3～圖7所示。

圖3 y＝0處除塵器整體橫向截取的速度矢量和總壓力分布云圖

圖4 x＝0處除塵器整體縱向截取的速度矢量和總壓力分布云圖

圖5 z＝622mm處除塵器縱向截取的多孔介質(zhì)域速度矢量和壓力分布云圖

由圖3和圖4可知，氣—液—固三相流由除塵器進(jìn)口進(jìn)入除塵器內(nèi)部，首先通過多孔介質(zhì)域，經(jīng)過過濾得到充分發(fā)展和穩(wěn)定，然后進(jìn)入百葉窗脫水器，液滴氣流碰到百葉窗壁面產(chǎn)生了明顯的回流和渦流，百葉窗通道內(nèi)的速度分布與其他部分的速度分布明顯不同。在過濾裝置的多孔介質(zhì)域附近，由于氣流速度變小，靜壓上升，因此總壓較高；當(dāng)氣流到達(dá)除塵器的排污口時，由于外側(cè)高速氣流的誘導(dǎo)，部分氣體向外側(cè)流動，形成切向渦旋，氣流沒有經(jīng)過過濾裝置和百葉窗進(jìn)行凈化就排除，影響了除塵效果。

由圖5可知，流體進(jìn)入多孔介質(zhì)域后，過濾除塵裝置內(nèi)部速度分布比較均勻，使每個過濾單元的工作負(fù)載均勻分布，沒有渦流或回流現(xiàn)象，可以防止承受巨大的氣流沖擊，基本可以有效過濾粉塵和液滴；從圖5（b）來看，靠近進(jìn)風(fēng)口處的靜壓分布均勻性較好，在遠(yuǎn)離進(jìn)風(fēng)口部位下方的靜壓值大于中部和上部的靜壓分布，流體通過多孔介質(zhì)域后所產(chǎn)生的壓降值大概在100Pa左右。

由圖6可知，百葉窗脫水器速度總體變化趨勢是逐步減小的，切向速度方向與百葉窗拐角方向具有一致性，其中百葉窗收集鉤內(nèi)部速度變大，速度曲線變化明顯，驗證了渦流的存在。由圖7可以看出，百葉窗內(nèi)部壓力從內(nèi)到外逐漸變低，出口處形成負(fù)壓，氣體從出口排出，百葉窗脫水器內(nèi)部速度矢量和壓力分布均勻，可以很好地實現(xiàn)脫水效果。

圖6 百葉窗脫水器3個截面速度矢量分布

圖7 百葉窗脫水器3個截面的壓力云圖分布

5 結(jié)論

本文以井下濕式除塵器為例，分析研究了除塵器內(nèi)部氣－液－固三相流的速度及壓力的分布規(guī)律，探討了Fluent軟件在除塵領(lǐng)域的應(yīng)用。在設(shè)計過程中借助Fluent軟件對除塵器內(nèi)部流場模擬，可以清晰地了解設(shè)備內(nèi)部流場參數(shù)，為研發(fā)實用可靠、效果明顯的除塵設(shè)備提供了一個方便的途徑。

［1］王福軍.計算流體動力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［2］Marsden Alison L，Vasilyev O V，Moin Parvoz.Construction of commutative filters for les on unstructured meshes［J］.Journal of Computational Physics，2002，175（2）：584－603.

［3］趙萍，陳麗君，李永奎.矩形入口旋風(fēng)除塵器結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化設(shè)計［J］.農(nóng)機化研究，2007（2）：114－117.

［4］王海剛，劉石.不同湍流模型在旋風(fēng)分離器三維數(shù)值模擬中的應(yīng)用和比較［J］.熱能動力工程，2003，18（4）：337－342.

［5］卜英勇，康新庫，吳晟.徑向直葉片濕式風(fēng)機內(nèi)氣固兩相流的數(shù)值模擬［J］.鄭州大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2011（4）：76－80.