下進(jìn)風(fēng)式除塵器流動(dòng)特性的數(shù)值模擬研究

郗 元， 代 巖, 王詩陽, 母德強(qiáng)

(1.大連理工大學(xué)盤錦產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院, 遼寧 盤錦 124221;2.長春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 吉林 長春 130012)

下進(jìn)風(fēng)式除塵器流動(dòng)特性的數(shù)值模擬研究

郗 元1， 代 巖1, 王詩陽1, 母德強(qiáng)2*

(1.大連理工大學(xué)盤錦產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院, 遼寧 盤錦 124221;2.長春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 吉林 長春 130012)

以下進(jìn)風(fēng)式除塵箱為研究對(duì)象，結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)其內(nèi)部流動(dòng)特性展開模擬分析計(jì)算。研究發(fā)現(xiàn),進(jìn)風(fēng)口射流現(xiàn)象對(duì)下箱體內(nèi)氣流平穩(wěn)流動(dòng)造成了較大影響，不利于灰塵沉積；除塵器內(nèi)部旋流的存在對(duì)主體氣流流動(dòng)有一定的影響，其擾動(dòng)作用使氣流偏離原來運(yùn)動(dòng)路徑，造成濾筒流量不均勻。

下進(jìn)風(fēng)式除塵器； 數(shù)值模擬； CFD； 中心軸線速度

0 引 言

近年來，環(huán)境污染問題日益突顯。隨著國家加大對(duì)空氣污染整治的力度，對(duì)于煙塵等排放濃度提出了更高要求。除塵器由于除塵效率高[1-2]，可有效控制PM2.5顆粒，因此成為高效處置粉塵保護(hù)環(huán)境的有力設(shè)備，得到越來越廣泛的關(guān)注和應(yīng)用[3-4]。然而除塵器內(nèi)氣體流動(dòng)的特性直接取決于除塵器性能的好壞，對(duì)未來除塵器及濾筒的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

1 物理模型及網(wǎng)格模型構(gòu)建

以某型號(hào)下進(jìn)風(fēng)式除塵箱為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行物理模型構(gòu)建。由于主要研究除塵器內(nèi)氣體流動(dòng)特性，因此將除塵器上箱體內(nèi)反吹噴吹清灰等裝置忽略，以實(shí)現(xiàn)模型簡(jiǎn)化處理[5]。

下進(jìn)風(fēng)式除塵器主要包括進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口、上箱體、下箱體、濾筒和灰斗，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 下進(jìn)風(fēng)式除塵器結(jié)構(gòu)示意圖

下進(jìn)風(fēng)式除塵器主要結(jié)構(gòu)尺寸見表1。

表1 下進(jìn)風(fēng)式除塵器主要結(jié)構(gòu)尺寸 mm

下進(jìn)風(fēng)式除塵器工作時(shí)內(nèi)部流場(chǎng)較為復(fù)雜，為了合理模擬出該過程，需要對(duì)模擬進(jìn)行以下簡(jiǎn)化和假設(shè)：

1)默認(rèn)下進(jìn)風(fēng)式除塵器入口速度均勻分布。因?yàn)檫吔鐚拥挠绊?，?shí)際入口速度在不同位置有差別，但這影響很小，故認(rèn)為其均勻。

2)忽略熱量對(duì)下進(jìn)風(fēng)式除塵器的影響，即不考慮熱交換。

由于該模型結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為了能夠較好地對(duì)其物理模型進(jìn)行網(wǎng)格拓?fù)?，采用結(jié)構(gòu)適應(yīng)性較強(qiáng)的四面體網(wǎng)格對(duì)其進(jìn)行劃分。經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性分析后，最終確定該網(wǎng)格模型，如圖2所示。

(a) 整體圖

(b) 切面圖

2 數(shù)值計(jì)算方法選取及邊界條件確定

由于下進(jìn)風(fēng)式除塵器穩(wěn)定工作時(shí)，其內(nèi)部的流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，將氣體假定為不可壓縮氣體，不隨溫度、氣體粘度等物理因素發(fā)生改變[6]；進(jìn)風(fēng)口處氣體均勻分布在整個(gè)入口截面，入口處的湍流已充分發(fā)展[7-8]。

下進(jìn)風(fēng)式除塵器入口的氣體視為常溫常壓下的氣體。入口邊界條件設(shè)定為速度入口；出口為壓力出口，壓力值為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，其余壁面設(shè)置為無滑移壁面，濾筒設(shè)置為多孔跳躍，4個(gè)濾筒的滲透率為1.95×10-9m2，過濾介質(zhì)厚為5 mm，壁面函數(shù)選擇為標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。數(shù)值計(jì)算方法選用k-ε模型，壓力速度耦合SIMPLE算法，差分格式選擇二階迎風(fēng)。迭代計(jì)算后，殘差收斂曲線如圖3所示。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

除塵箱速度矢量圖如圖4所示。

從圖4中可以看出，氣流在與下箱體后壁面碰撞后產(chǎn)生上升氣流，這時(shí)上升速度變大，還有一部分氣流往下沿著灰斗運(yùn)動(dòng)。側(cè)面的氣流與此相類似，導(dǎo)致在箱體的下部形成漩渦，漩渦在灰斗處靠近速度進(jìn)口的下部，由于這個(gè)漩渦的渦旋上升作用，使得入口的射流有向上偏的趨勢(shì)。同理，在上下箱體的擋板處也相應(yīng)地形成漩渦，在局部造成影響。

圖3 殘差收斂曲線

(a) 速度矢量圖

(b) 跡線主視圖

為直觀觀察不同截面處速度分布情況，選取x=400 mm、x=600 mm、x=780 mm處的速度分布情況，分別如圖5～圖7所示。

圖5 x=400 mm截面速度云圖

圖6 x=600 mm截面速度云圖

圖7 x=780 mm截面速度云圖

從圖5中可以看出，此時(shí)的速度最大并產(chǎn)生明顯的射流現(xiàn)象，射流現(xiàn)象維持不久就因?yàn)樵谙孪潴w里的擴(kuò)散導(dǎo)致氣流速度減小，部分氣流因?yàn)閿U(kuò)散作用從濾筒群中和濾筒與入口側(cè)壁向上，經(jīng)過濾袋的過濾進(jìn)入濾袋，將灰塵留在外部，向上的氣流速度不斷減小，這是因?yàn)橛胁糠謿饬鬟M(jìn)入濾袋內(nèi)部導(dǎo)致的。氣流到上下箱體之間的濾板受到阻擋回流,從而在此處形成漩渦。入口氣流另一部分向后運(yùn)動(dòng)，碰到后壁面減速分為兩股。一部分沿著箱體向上，其情況與之前的類似，不同的是這里向上氣流因?yàn)闉V筒與間壁的縫隙，使氣流流通面積突然減小，速度上升，入口處因?yàn)槌跏細(xì)饬鞔蠖鴽]有此現(xiàn)象。還有一部分向下進(jìn)入灰斗，順著灰斗外輪廓運(yùn)行在進(jìn)口射流的下面形成漩渦，使射流方向有一點(diǎn)向上偏離，并使下部灰斗中的顆粒物向上揚(yáng)起，這不利于灰塵沉積。

從圖6可以看出，1號(hào)和4號(hào)濾筒下壁因?yàn)榭拷肟冢虏繛楦咚贇饬?，氣流大使得這兩濾筒風(fēng)量大于另外兩個(gè)。氣流從濾袋不斷進(jìn)入筒內(nèi)，所以隨著濾筒高度的上升，氣流速度不斷變大，中部的速度大于兩邊。進(jìn)入上箱體，同樣氣流打入上箱壁，順著壁面從出口處去，因此可以看出在出口上部的速度明顯大于下部。與圖5對(duì)比可以看到，因?yàn)閳D6靠近濾筒出口,使得在這個(gè)面的出口速度大于圖5的截面。

從圖7可以看出，在間隙處氣流進(jìn)入濾筒的情況。在空間面積小的地方氣流流速大，所以濾筒靠近兩側(cè)的位置比4個(gè)濾筒中心的速度大。速度流場(chǎng)中因?yàn)檫吔鐚拥拇嬖谝约岸嗫滋S現(xiàn)象，速度在該區(qū)變化較大。

對(duì)4個(gè)濾筒的表面速度分布進(jìn)行初步分析如圖8所示。

(a) 正視圖

(b) 側(cè)視圖

圖8(a)中，由于1號(hào)和4號(hào)濾筒靠近進(jìn)風(fēng)口，進(jìn)風(fēng)的速度較大，所以在濾袋下部一部分區(qū)域速度較大。對(duì)于整體濾袋速度從濾袋下部到上部不斷增大，這與之前的分析一致。在濾袋上部存在漩渦，也是上部濾袋速度增加較快的原因之一，從這里也可以看出,在縫隙較小的區(qū)域速度會(huì)更快。從圖8(b)中可以看出,1號(hào)和4號(hào)濾筒整體的進(jìn)口速度大小中速度分布大的區(qū)域大于2號(hào)和3號(hào)，據(jù)此可以判斷1號(hào)和4號(hào)濾筒的處理風(fēng)量大于2號(hào)和3號(hào)，隨之其磨損也較大，壽命較短。

濾筒中心上軸線的速度分布可以間接反映處理風(fēng)量[6]。因此提取4個(gè)濾筒的軸線，分析其在不同高度上的速度變化，從而進(jìn)一步分析在不同面上的處理風(fēng)量。

4個(gè)濾筒中心軸線的速度分布圖，根據(jù)上節(jié)的定義,當(dāng)z=660 mm時(shí)為濾筒底端，z=0 mm時(shí)才為濾筒的出口，氣流是從濾筒下部向上部運(yùn)動(dòng)，因此應(yīng)該是從z=660 mm運(yùn)動(dòng)到z=0 mm處。濾筒中心軸線速度如圖9所示。

(a) 1號(hào)濾筒

(b) 2號(hào)濾筒

(c) 3號(hào)濾筒

(d) 4號(hào)濾筒

4幅圖大體的趨勢(shì)一致，大致都是在z=660 mm時(shí),因?yàn)樘幵跒V筒底端壁面速度為0，在z=660 mm到z=600 mm左右速度變化平緩，基本維持不變。在z=600 mm到z=100 mm時(shí),速度大致成直線上升，快到z=0 mm時(shí)，速度有少量下降。

對(duì)于4個(gè)濾筒主要的不同是在最大風(fēng)量上，4個(gè)濾筒中心軸線上的最大速度從1號(hào)到4號(hào)風(fēng)速分別是0.762、0.678、0.677、0.761 m/s。從這里可以看出,1號(hào)和4號(hào)處理風(fēng)量要大于2號(hào)和3號(hào)，但是一般用濾筒中心軸線上速度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，1號(hào)到4號(hào)濾筒的平均速度為0.568、0.510、0.509、0.567 m/s。從這里發(fā)現(xiàn)1號(hào)和4號(hào)濾筒速度大致相等，同樣2號(hào)和3號(hào)濾筒的速度也大致相等,但是1號(hào)和4號(hào)的速度大于2號(hào)和3號(hào)濾筒。根據(jù)上述評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，可以認(rèn)為1號(hào)和4號(hào)濾筒流量大致相等，以及2號(hào)和3號(hào)濾筒的流量也大致相等。但是1號(hào)和4號(hào)的流量大于2號(hào)和3號(hào)濾筒，這就導(dǎo)致了不均勻性。

4 結(jié) 語

1)進(jìn)風(fēng)口射流現(xiàn)象對(duì)下箱體內(nèi)氣流平穩(wěn)流動(dòng)造成了較大影響，不利于灰塵沉積。

2)進(jìn)風(fēng)口處對(duì)應(yīng)濾筒的處理風(fēng)量相比其余濾筒處理風(fēng)量大，易磨損，壽命短。

3)濾筒中心軸線速度沿著軸向方向呈現(xiàn)出降低趨勢(shì)，到達(dá)濾筒頂端處速度達(dá)到最低。

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Numericalsimulationofflowcharacteristicsfordownside-dustextractor

XI Yuan1, DAI Yan1, WANG Shiyang1, MU Deqing2*

(1.Panjin Industrial Technology Institute of DUT, Panjin 124221， China;2.School of Mechatronic Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China)

The internal flow characteristics of a downside-dust extractor is studied with Computational fluid dynamics method. Results indicate that the inlet jet can keep the flow of lower extractorstable to avoid dust deposition. The internal whirlwind has some effects on inlet-airflow. The disturbance makesthe inlet-airflowdeviatedfrom its original routewhich causes the uneven flow in the downside-dust extractor.

downside-dust extractor; numerical simulation; CFD; central axis velocity.

2017-07-21

遼寧省博士啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(20170520354、20170520148)； 國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21706023)； 大連理工大學(xué)盤錦產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院專項(xiàng)資金項(xiàng)目(YJYZXZJ004)

郗 元(1987-)，男，漢族，遼寧盤錦人，大連理工大學(xué)盤錦產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院工程師，博士，主要從事環(huán)保機(jī)械方向研究,E-mail:xy59135210@163.com. *通訊作者：母德強(qiáng)(1961-)，男，漢族，遼寧昌圖人，長春工業(yè)大學(xué)教授，博士，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與精密加工方向研究,E-mail:mudq@ccut.edu.cn.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2017.5.17

X 964

A

1674-1374(2017)05-0501-05