蜂窝式填料矿用除尘风机的CFD模拟

宋凯 孙志坤 刘涛 赵子赫

【摘 要】针对日益严重的井下煤尘污染，自主设计了湿式蜂窝扰流滤芯除尘器。介绍了此新型除尘器的除尘机理及结构组成，搭建了除尘器的实验平台，以便与后续的仿真模拟做对比。建立湿式蜂窝扰流滤芯除尘器的数学模型，并对其进行了网格划分，针对各种边界条件进行了分析，模拟了单相气相、气液两相、气固两相流中的图湍能和速度分布，为风机的设计提供了参考。

【关键词】湿式除尘 蜂窝扰流滤芯 CFD模拟

【Abstract】For the growing underground coal dust pollution， self-designed spoiler wet honeycomb filter dust collector. Introduce the mechanism and structure of the new machine ，bulid the experimental platform in order to compare with the result of the simulation.Bulid the mathematical model of cellular spoiler wet filter dust collector，and mesh it.，a variety of boundary conditions are analyzed， simulated turbulent flow chart energy and velocity distribution single-phase gas-phase， two-phase gas-liquid， gas-solid， provide a reference for the designing of the fan.

【Keyword】Wet dust，Honeycomb filler，CFD

随着我国能源工业的不断发展，煤矿开采的机械化程度也越来越高，功率大、效率高的综采、综掘设备得到了广泛的使用。由此产生的负面影响也是显著的，井下工作面、巷道内的粉尘产生量急剧增加。井下粉尘污染不仅会使劳动者患上尘肺病，而且造成设备磨损，仪器失灵，并在一定条件下引起煤尘爆炸，严重威胁矿井的安全生产。

粉尘的危害早已为人们所知，并且采取了很多措施进行预防。比如在开采前的煤层注水，增加煤的含水量；在掘进机、采煤机上安装内外喷雾装置，进行喷雾除尘；利用井下风流进行通风除尘，稀释空气中的煤尘含量等等。但是取得的效果有限，空气中煤尘含量依然远远超出国家标准。这就说明需要一种更为高效的，专门为煤矿井下除尘用的设备[1]。

近年来，我国引进了一些除尘设备，但是因为体积大，功耗高，无法适应我国的井下环境。而国内研制的一些除尘设备，因为井下水质、粉尘性质等各种原因而无法在井下正常工作。因此，开发一种适于我国国情的井下除尘设备成为改善工人作业环境，保障煤矿安全生产的当务之急[2]。

1 蜂窝式填料除尘器简介

为了有效去除空气中的煤尘颗粒，本文提出并设计了湿式蜂窝扰流滤芯除尘器。在该除尘器中，最关键的组件是蜂窝扰流滤芯。蜂窝是指滤芯内部蜂窝状的六边形结构，扰流则是指流体在圆柱后形成的卡门涡街对于平板边界层产生的扰动作用，因此又将圆柱称为扰流柱。如图1所示[3]。

图1 蜂窝式填料

湿式蜂窝扰流滤芯除尘器（蜂窝扰流滤芯除尘器）是一种湿式除尘器，如图2所示，主要作用介质是水。除尘用水通过喷嘴向蜂窝扰流滤芯器壁表面喷水，在其壁面和滤芯内的扰流柱表面形成一层连续的水膜，当含尘空气通过蜂窝状滤芯时，其中较大粒径的粉尘颗粒会因为惯性而撞击到蜂窝滤芯内呈交叉分布的扰流柱，被其壁面的液膜被捕获，而较小的颗粒则由于较好的跟随性，随着气体分子绕过扰流柱。而在扰流柱后面，卡门涡街与蜂窝壁表面液膜边界层形成复涡黏，强化了涡团间的作用，小颗粒的扩散作用增强，均匀分布在空气中。在含尘空气与滤芯体壁上的液面接触时，小颗粒被液膜捕集达到除尘的效果。此外，湿式蜂窝扰流滤芯除尘器还具有气体的冷却和吸收作用，而且蜂窝扰流滤芯方便更换，所以日常的维护更加容易，使用寿命更长。

1.电机 2.喷头 3.蜂窝扰流滤芯 4.脱水网 5.导流板 6.集污槽

图2湿式蜂窝扰流滤芯除尘器实验平台示意图

2 湿式蜂窝扰流滤芯除尘器的CFD建模

从上面的分析可以知道，湿式蜂窝扰流滤芯除尘器内流场属于稀相多相流，本文将采用欧拉—拉格朗日方法对湿式蜂窝扰流滤芯除尘器内的多相流动进行数值模拟。其中先采用标准的k-ε模型对连续相气流进行模拟，再使用RSM对其进行模拟，然后将模拟的结果进行对比分析；使用DPM模型对实验中的颗粒相进行模拟，气固相间采用速度与压力的动量耦合，并验证该模型在湿式蜂窝扰流滤芯除尘器内多相流数值模拟的可行性[4]。

2.1模型假设与简化

（1）含尘气体视为不可压缩的牛顿流体；

（2）除尘用喷雾液滴为球形；

（3）含尘空气与液滴间不存在传质、传热和化学反应；

（4）忽略喷嘴及其他附件对流场的影响；

（5）由于实验系统为圆形截面，所以简化为二维模型进行模拟。

2.2物理模型与网格的划分

为了验证湿式蜂窝扰流滤芯除尘器除尘机理的正确性，根据理论模型搭建了实验用的实验平台，将该实验平台的物理模型简化后，得到如以下模型，如下图3所示。

图3 湿式蜂窝扰流滤芯除尘器计算区域

对湿式蜂窝扰流滤芯除尘器实验平台进行简化后的模型划分网格，划分结果如图4。考虑到流管的对称性，三维的模型可以通过有条件的简化，生成二维的数学模型。

a）整体网格的划分 b）扰流滤芯附近网格划分

图4 湿式蜂窝扰流滤芯除尘器计算区域

（1）进口条件。湿式蜂窝扰流滤芯除尘器进风口设定为速度型进口，室温状态，进口速度u分别取3.0m/s、3.5 m/s、4.8 m/s、5.5 m/s、6.4m/s，方便与物理实验数据进行验证。同时假定进风口为均匀流速，且在除尘器内部流场充分发展.

（2）出口条件。出口为外界大气压，所以出口边界设定为有压边界出口。

（3）壁面条件。除尘器壁面均为固体表面，所以进行无滑移边界条件处理，近壁面使用标准的壁面函数进行模拟。

（4）离散相模拟。离散相进行如下的假设后使用随机轨道模型：

1）颗粒粒径：实验用颗粒为煤尘，所以假定颗粒粒径符合Rosin-Rammler分布；

2）颗粒数目：实验用风近似匀速，所以颗粒按照一定的速率释放；

3）边界条件：由于采用湿式除尘法，且采用水膜除尘，所以当颗粒碰到实验平台内壁面，扰流柱壁面以及蜂窝扰流滤芯壁面时，都可以认为是被捕尘体捕获，只有出口壁面设置为逃逸。

3蜂窝扰流滤芯模型数值模拟的结果分析与讨论

按照上述方法对湿式蜂窝扰流滤芯除尘器进行数值模拟，得到了以下结果。

3.1单相气相模拟

气相的湍能分布如下：

a）k-ε b）RSM

图5 湍动能（uin=5.54m/s）

Fig.5 Turbulent Kinetic Energy（uin=5.54m/s）

由图5可以看出，k-ε模型与RSM模型在入口速度为5.54m/s时，二者的模拟结果都能够反映出湿式蜂窝扰流滤芯除尘器内的湍流情况。并且蜂窝扰流滤芯内部都出现了强度在1.60m2/s2左右的较强湍流。湍动能的提升加剧了粉尘的湍流扩散，促进了除尘器内部各相的混合接触，对于提高除尘器的除尘效果起了积极的作用。

3.2气固两相流的模拟

单独的气相流场模拟比较简单。相较于单独的气相流场，含有固体颗粒的气、固混合两相流具有一些特殊的性质，下面就气固两相流进行相关参数的数值模拟。

气相的湍能分布如下：

a）k-ε b）RSM

图6 湍动能（uin=5.54m/s）

由图8可以看出，k-ε模型与RSM模型在入口速度为5.54m/s，空气含尘浓度9g/m?时，二者的模拟结果都能够反映出湿式蜂窝扰流滤芯除尘器内的湍流情况。并且蜂窝扰流滤芯内部都出现了强度在1.60m2/s2左右的较强湍流。湍动能的提升加剧了粉尘的湍流扩散，促进了除尘器内部各相的混合接触，对于提高除尘器的除尘效果起了积极的作用。

3.3 气液两相流的模拟

在湿式蜂窝扰流滤芯除尘器的除尘过程中，要始终保持喷水对蜂窝扰流滤芯内壁表面的喷水过程，以保证扰流滤芯内壁不断被冲刷，达到“自清洁”的目的。所以，本文对气液两相也进行了模拟，用以表明液气比对流场的影响。

气液两相流气相速度场的模拟结果如下：

a）速度场图 b）扰流柱附近的速度场

图7 加喷水的速度场

如图9所示，湿式蜂窝扰流滤芯除尘器在喷淋过程中的气相速度矢量分布图和蜂窝扰流滤芯附近速度矢量图说明，相较于无喷淋的速度场，在气液两相流场中气液两相发生强烈的耦合作用，造成扰流柱附近的湍流程度降低，在扰流柱的后方，由于液相的加入，原本清晰的卡门涡街现象已经不那么明显，速度梯度边界层更加明显，但是湍流程度稍微降低，气相液相间接触面积有所降低，气液两相掺混明显，粉尘与液滴的碰撞几率反而增加。所以，过大的液气比虽然降低了空气与液膜接触层的厚度，但是其除尘效率并没有降低。但是从降低消耗，节约能源的角度来说，需要尽量的减小液气比，降低消耗，所以还是可以从增加空气与液膜接触层厚度的角度来考虑提高捕集粉尘颗粒的效率。

4结语

本章采用计算流体动力学建立了模型，分析了湿式蜂窝扰流滤芯除尘器的性能，对除尘器内空气的流动特性进行了模拟，得出以下结论。

（1）对湿式蜂窝扰流滤芯除尘器内部气相流场进行了模拟，RSM湍流模型能更精确地反映各项的旋流运动。模拟结果以图形的方式来观察湿式除尘器湍动能分布，可以指导除尘器的设计。

（2）模拟气固两相流过程中假定入口风速5.54m/s，空气含尘浓度9g/m?，采用了RSM和DPM模型，分别对速度、压力和DPM浓度等进行了模拟。模拟结果证明，气体中的颗粒进入除尘器后，随空气继续前进，大粒径的颗粒由于惯性与扰流柱或者除尘器内壁表面发生碰撞或拦截而被捕集，小粒径的颗粒随气流绕过扰流柱后，在扰流柱后发生凝聚或者因为扩散效应而被蜂窝扰流滤芯器壁表面水膜被捕获。同时经过蜂窝扰流滤芯压降增加约60Pa；且随入口速度增加，压降增加。

（3）当入口速度为5.54m/s，液气比控制在0～0.3L/m?时，对除尘器内部流场的气液两相流进行模拟。模拟结果说明，喷水液滴对于流场有着整流的作用，使得蜂窝扰流滤芯内部的湍流相对弱化，扰流柱后的涡街减弱，但扰流柱上下两侧湍流增大，周围速度梯度级别增多；蜂窝扰流滤芯前后的压降降低；出口液气比增加，并可能带有部分液滴。

参考文献：

[1]史兴国.煤矿粉尘控制.金属矿山，2009，11：776～779.

[2]徐景德.矿尘防治.徐州：中国矿业大学出版社，1992：12.

[3]郭建明.KSWS湿式除尘装置在石圪节矿井的应用.煤，2009，18（6）： 71～72，76.

[4]欧阳洁，李静海.模拟气固多相流动非均匀结构的颗粒运动分解轨道模型. 中国科学（B 辑），1999，29（1）：29～38.