SCC型濕式除塵器除塵區(qū)域流場分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

吳敬宇　虞斌　江超　吳瓊

摘 要 對SCC型濕式除塵器除塵區(qū)域流場流動進行分析，基于FLUENT軟件采用氣-固兩相流和氣-液-固三相流進行數(shù)值模擬研究，對不同時刻金屬顆粒和液滴顆粒分布圖、金屬顆粒物軌跡、速度矢量進行對比，發(fā)現(xiàn)加入液滴顆粒后，除塵效率明顯上升。通過正交試驗研究了導流板長度、導流板傾角、導流板間距對被壁面及導流板捕集金屬顆粒所占總數(shù)比例的影響，結(jié)果顯示：各因素對被壁面及導流板捕集金屬顆粒所占總數(shù)比例的影響主次順序為導流板長度、導流板傾角、導流板間距，其最佳參數(shù)組合是A2B2C2，即導流板長度L=650 mm、導流板傾角θ=22.5°、導流板間距H=450 mm。顯著性分析結(jié)果表明：導流板長度L對綜合除塵效率有一定影響，導流板傾角θ和導流板間距H對綜合除塵效率無明顯影響。

關鍵詞 SCC型濕式除塵器 氣-液-固三相流 導流板 正交試驗 除塵效率 FLUENT

中圖分類號 TQ086.1? ?文獻標識碼 A? ?文章編號 0254?6094（2023）02?0244?06

除塵器作為機械零件制造、拋光過程中處理金屬粉塵的關鍵設備，能夠有效預防車間因粉塵濃度過高而產(chǎn)生粉塵爆炸，降低發(fā)生安全事故的可能性［1］。濕式除塵器使含塵氣體與液體（一般為水）密切接觸，利用水滴和顆粒的慣性碰撞，捕集顆粒并使之留存于固定容器內(nèi)從而實現(xiàn)氣體和固體粉塵顆粒的分離［2］。濕式除塵器的種類多樣，包括文丘里除塵器、過濾濕式除塵器及自激式除塵器等［3］。筆者研究的SCC型濕式除塵器因?qū)Я靼彘g的氣流流動軌跡與“SCC”字母形狀相同而得名，但現(xiàn)有文獻對這種濕式斜板除塵器的流場及其影響分離的因素研究并不完善［4～8］。

目前，我國對于濕式除塵器的研究尚處于起步階段，由于氣-液-固三相流實驗較為復雜，并且實驗操作中很多參數(shù)難以記錄，例如金屬顆粒與液滴顆粒發(fā)生作用、水霧噴嘴的來流速度、液滴顆粒直徑、蒸發(fā)情況以及氣流在除塵區(qū)域內(nèi)的運動等問題難以解決［9］。近年來隨著計算流體力學的發(fā)展，采用數(shù)值模擬方法研究濕式除塵器問題被越來越多的人使用，故筆者利用計算流體動力學CFD流場分析軟件FLUENT研究SCC型濕式除塵器流場運動規(guī)律［10～13］，并通過改變導流板結(jié)構(gòu)參數(shù)探究其對綜合除塵效率的影響［14］。

1 除塵器結(jié)構(gòu)模型與參數(shù)設置

1.1 建模與結(jié)構(gòu)參數(shù)

如圖1所示，除塵區(qū)域整體高2 000 mm，寬1 200 mm，長1 000 mm，除塵器壁厚1 mm，內(nèi)部導流板的長度為600 mm，導流板與壁面傾角為15°，導流板6個，上下導流板間距400 mm。使用Workbench軟件中的Design Model模塊進行建模。

1.2 基本控制方程

由物理守恒定律可知，流體流動需遵循三大基本守恒定律，即質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。因此，流體流動與對流換熱問題均需遵循相應的控制方程，即質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程。筆者主要采用質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程。

在工業(yè)流動計算中應用最為廣泛的湍流模型主要有3種，分別是標準k?ε模型、RNG k?ε模型和Realizable k?ε模型。由于RNG k?ε模型在湍動粘度中考慮了平均流動產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)或旋流流動，提高了對高速畸變流動的計算精度，可以較為準確地處理高變形率和流線彎曲程度較大的流體流動，因此，筆者采用RNG k?ε模型對除塵區(qū)域內(nèi)的流體流動進行數(shù)值模擬計算。

1.3 網(wǎng)格劃分及數(shù)值模擬方法

首先在Design Model中對計算模型邊界進行命名，之后使用Workbench中的Meshing模塊對模型進行網(wǎng)格劃分，最終選擇網(wǎng)格數(shù)在100萬左右。為了滿足計算離散誤差的要求，將液相入口簡化，將霧化器簡化成液滴顆粒從圓管入口進入。SCC型濕式除塵器除塵區(qū)域有限元模擬網(wǎng)格劃分如圖2所示，局部放大圖如圖3所示。

1.4 邊界條件設置

除塵區(qū)域上部為氣流進口，來流速度為10 m/s；固體金屬顆粒粒徑為5 μm，質(zhì)量流量為0.01 kg/s，速度為10 m/s；右側(cè)為液相進口，液滴顆粒粒徑為5 μm，來流速度為25 m/s，入射角度為180°（氣-固兩相流模擬無此設置），液滴顆粒設定與FLUENT軟件提供的水霧霧化器設置不盡相同，其目的是為簡化一定的計算量。金屬顆粒和液滴顆粒均是拉格朗日算法的DPM模型。由于水霧顆粒從入口進入，在重力作用下會下落至導流板表面并在導流板及部分壁面形成穩(wěn)定的水膜，對水霧顆粒和金屬顆粒具有很好的捕集作用，所以在FLUENT軟件中對壁面和導流板均設置成捕集（trap）。

2 除塵區(qū)域顆粒物流動分析

采用CFD?POST后處理軟件對除塵區(qū)域的數(shù)值模擬進行后處理，通過該軟件可直接讀取FLUENT軟件計算結(jié)果處理數(shù)據(jù)文件，實現(xiàn)計算結(jié)果可視化。圖4為不同時刻除塵區(qū)域內(nèi)金屬顆粒和水霧顆粒分布圖，圖5為氣-固兩相流與氣-液-固三相流除塵區(qū)域x=0.5 m處速度矢量圖，圖6為氣-固兩相流和氣-液-固三相流金屬顆粒物數(shù)目n=10時的運動軌跡。

由圖4可知，除塵區(qū)域上部是金屬顆粒與液滴顆粒高濃度區(qū)域，并且金屬顆粒和液滴顆粒間發(fā)生凝并吸附作用，形成“液包”降落至導流板表面。液滴下落至導流板形成液膜，對顆粒物進行捕集，僅較少金屬顆粒逃逸至出口?？梢?，加入液滴顆粒后除塵效果明顯。

由圖5a可知，金屬顆粒進入除塵區(qū)域內(nèi)，金屬顆粒跟隨氣流在除塵區(qū)域上部以及各導流板間形成多個旋流，這不僅增加了顆粒在導流板間的停留時間，同時也增加了被碰撞捕集的概率，從而提高了除塵效率。由圖5b可知，加入液滴顆粒后除塵區(qū)域上部速度明顯上升，導流板間產(chǎn)生旋流個數(shù)明顯減少，其原因是絕大多數(shù)金屬顆粒在除塵區(qū)域上部被液滴吸附并捕集，僅較少顆粒隨氣流運動。由此可見，加入液滴后，除塵效率得到明顯提升。

由圖6a可知，金屬顆粒進入除塵區(qū)域內(nèi)，跟隨氣流被壁面不斷反射，其運動軌跡較為復雜，金屬顆粒全部完成逃逸耗時較長，綜合除塵性能偏低。由圖6b可知，金屬顆粒進入除塵區(qū)域內(nèi)，首先金屬顆粒被液滴吸附沉降至導流板，僅極少金屬顆粒會繼續(xù)隨氣流運動至出口，以圖6b為例，僅1個金屬顆粒逃逸，除塵效率高達90%，可見，加入液滴后除塵效率提升明顯。

3 基于正交試驗的除塵區(qū)域?qū)Я靼褰Y(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 幾何模型建立

基于導流板長度L（因素A）、導流板傾角θ（因素B）、導流板間距H（因素C）這3個因素，每個因素考慮3個水平，設計正交試驗表（表1）。

若每個因素的每個水平相互搭配進行模擬研究，則需要做33=27次試驗，這將耗費大量的時間和精力。為了提高計算效率，在不影響結(jié)構(gòu)優(yōu)選的前提下減少模擬，筆者選擇其中9組方案進行正交試驗，具體見表2。

3.2 網(wǎng)格劃分與邊界條件

網(wǎng)格劃分與1.3節(jié)基本相同，通過網(wǎng)格獨立性驗證之后，其網(wǎng)格數(shù)在100萬左右。

邊界條件與1.4節(jié)基本相同。

3.3 正交試驗結(jié)果分析

K1、K2、K3分別代表不同水平所對應的被壁面及導流板捕集顆粒物所占總數(shù)比例（圖7）的總值；k1、k2、k3分別代表不同水平下綜合除塵效率總值的平均值，其最大值與最小值的差值為極差R，極差可以體現(xiàn)出各因素水平對試驗目標的影響程度，R值越大，說明R對應的因素對試驗結(jié)果的影響越大。根據(jù)R值的大小評價各因素的影響主次順序，最優(yōu)水平是各因素k的最大值對應的水平，最優(yōu)組合就是基于主次順序的因素最優(yōu)水平的組合。此外，在對正交試驗進行方差分析時，需估計隨機誤差，因此在表2中還添加了一列空白列作為誤差列以便進行后續(xù)的誤差分析。

由表2、圖7可知，導流板長度對被壁面及導流板捕集顆粒物占總數(shù)比例的影響最大，各因素對綜合除塵效率的影響主次順序為導流板長度L、導流板傾角θ、導流板間距H，表明導流板長度對除塵效率的影響最大，與1.4節(jié)提到的水霧顆粒落至導流板面形成液膜，對金屬顆粒有明顯捕集作用的結(jié)論吻合。通過對比因素A、B、C的平均值（即k1、k2、k3）可知，因素A（導流板長度）的最優(yōu)水平為A2，因素B（導流板傾角）的最優(yōu)水平為B2，因素C（導流板間距）的最優(yōu)水平為C2，即最佳結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案為A2B2C2：導流板長度L=650 mm、導流板傾角θ=22.5°、導流板間距H=450 mm。

利用Statistica軟件對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的綜合除塵效率進行方差分析，結(jié)果見表3。

由表3可以看出，因素A的統(tǒng)計量F大于因素B和C，說明導流板長度對綜合除塵效率的影響最大，導流板間距對綜合除塵效率的影響最小。因素A、B、C的p值均大于0.05，其中因素A的p值介于0.10～0.15之間，因素B、C的p值均大于0.25，從綜合除塵效率的顯著性角度分析，這說明導流板長度L對綜合除塵效率有一定影響，導流板傾角θ和導流板間距H對綜合除塵效率無明顯影響。

4 結(jié)束語

通過FLUENT軟件采用氣-固兩相流和氣-液-固三相流方法對SCC型濕式除塵器除塵區(qū)域進行模擬，通過對比加入液滴顆粒前后的顆粒相分布、金屬顆粒運動軌跡、速度矢量圖可以發(fā)現(xiàn)，加入液滴顆粒后除塵效率得到顯著提升。正交試驗結(jié)果表明，各因素對被捕集固體顆粒物占總數(shù)比例的影響排序為A>B>C，其最佳方案組合是A2B2C2，即導流板長度L=650 mm、導流板傾角θ=22.5°、導流板間距H=450 mm為最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。從顯著性角度分析，導流板長度L對綜合除塵效率有一定影響，導流板傾角θ和導流板間距H對綜合除塵效率無明顯影響，為工程實踐提供了堅實的理論基礎。

參 考 文 獻

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（收稿日期：2022-04-11，修回日期：2023-03-15）

Flow Field Analysis and Structure Optimization of

the SCC Wet Dust Collector

WU Jing?yu， YU Bin， JIANG Chao， WU Qiong

（College of Mechanical and Power Engineering ， Nanjing Tech University）

Abstract? ?The flow field within dedusting area of the SCC wet dust collector was analyzed， including having FLUENT software based and the gas?solid flow and gas?liquid?solid flow simulated. Comparing metal particle and droplet size distribution diagrams at different time， and the metal particle trajectory and the velocity vector shows that the dedusting efficiency becomes increased dramatically after adding the droplet particles. The orthogonal experiment on influence of the guide plates length， angle and spacing on the proportion of total metal particles captured by the wall and guide plate shows that， the factors mainly and secondarily influencing the proportion of metal particles caught by the wall and the guide plate are guide plates length， angle and the spacing， and its optimal parameter combination is A2B2C2， that is， the guide plates length L=650 mm， the inclination angle θ=22.5° and the spacing H=450 mm. The significance analysis shows that， from the significance analysis of the comprehensive dedusting efficiency， the guide plates length L has a certain influence on the comprehensive dedusting efficiency while the inclination angle θ and the spacing H has no obvious influence on the comprehensive dedusting efficiency.

Key words? ? SCC wet dust collector， gas?liquid?solid flow， guide plate， orthogonal test， dedusting efficiency，? FLUENT

作者簡介：吳敬宇（1996-），碩士研究生，從事高效環(huán)保裝備技術的研究，dayuziyoo@163.com。

引用本文：吳敬宇，虞斌，江超，等.SCC型濕式除塵器除塵區(qū)域流場分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.化工機械，2023，50（2）：244-248；255.