下进风式除尘器流动特性的数值模拟研究

郗 元， 代 岩, 王诗阳, 母德强

(1.大连理工大学盘锦产业技术研究院, 辽宁 盘锦 124221;2.长春工业大学 机电工程学院， 吉林 长春 130012)

下进风式除尘器流动特性的数值模拟研究

郗 元1， 代 岩1, 王诗阳1, 母德强2*

(1.大连理工大学盘锦产业技术研究院, 辽宁 盘锦 124221;2.长春工业大学 机电工程学院， 吉林 长春 130012)

以下进风式除尘箱为研究对象，结合计算流体力学方法对其内部流动特性展开模拟分析计算。研究发现,进风口射流现象对下箱体内气流平稳流动造成了较大影响，不利于灰尘沉积；除尘器内部旋流的存在对主体气流流动有一定的影响，其扰动作用使气流偏离原来运动路径，造成滤筒流量不均匀。

下进风式除尘器； 数值模拟； CFD； 中心轴线速度

0 引 言

近年来，环境污染问题日益突显。随着国家加大对空气污染整治的力度，对于烟尘等排放浓度提出了更高要求。除尘器由于除尘效率高[1-2]，可有效控制PM2.5颗粒，因此成为高效处置粉尘保护环境的有力设备，得到越来越广泛的关注和应用[3-4]。然而除尘器内气体流动的特性直接取决于除尘器性能的好坏，对未来除尘器及滤筒的设计至关重要。

1 物理模型及网格模型构建

以某型号下进风式除尘箱为研究对象，对其进行物理模型构建。由于主要研究除尘器内气体流动特性，因此将除尘器上箱体内反吹喷吹清灰等装置忽略，以实现模型简化处理[5]。

下进风式除尘器主要包括进风口、出风口、上箱体、下箱体、滤筒和灰斗，其结构如图1所示。

图1 下进风式除尘器结构示意图

下进风式除尘器主要结构尺寸见表1。

表1 下进风式除尘器主要结构尺寸 mm

下进风式除尘器工作时内部流场较为复杂，为了合理模拟出该过程，需要对模拟进行以下简化和假设：

1)默认下进风式除尘器入口速度均匀分布。因为边界层的影响，实际入口速度在不同位置有差别，但这影响很小，故认为其均匀。

2)忽略热量对下进风式除尘器的影响，即不考虑热交换。

由于该模型结构较为复杂，为了能够较好地对其物理模型进行网格拓扑，采用结构适应性较强的四面体网格对其进行划分。经网格无关性分析后，最终确定该网格模型，如图2所示。

(a) 整体图

(b) 切面图

2 数值计算方法选取及边界条件确定

由于下进风式除尘器稳定工作时，其内部的流动为稳态流动，将气体假定为不可压缩气体，不随温度、气体粘度等物理因素发生改变[6]；进风口处气体均匀分布在整个入口截面，入口处的湍流已充分发展[7-8]。

下进风式除尘器入口的气体视为常温常压下的气体。入口边界条件设定为速度入口；出口为压力出口，压力值为标准大气压，其余壁面设置为无滑移壁面，滤筒设置为多孔跳跃，4个滤筒的渗透率为1.95×10-9m2，过滤介质厚为5 mm，壁面函数选择为标准壁面函数。数值计算方法选用k-ε模型，压力速度耦合SIMPLE算法，差分格式选择二阶迎风。迭代计算后，残差收敛曲线如图3所示。

3 数值模拟结果及分析

除尘箱速度矢量图如图4所示。

从图4中可以看出，气流在与下箱体后壁面碰撞后产生上升气流，这时上升速度变大，还有一部分气流往下沿着灰斗运动。侧面的气流与此相类似，导致在箱体的下部形成漩涡，漩涡在灰斗处靠近速度进口的下部，由于这个漩涡的涡旋上升作用，使得入口的射流有向上偏的趋势。同理，在上下箱体的挡板处也相应地形成漩涡，在局部造成影响。

图3 残差收敛曲线

(a) 速度矢量图

(b) 迹线主视图

为直观观察不同截面处速度分布情况，选取x=400 mm、x=600 mm、x=780 mm处的速度分布情况，分别如图5～图7所示。

图5 x=400 mm截面速度云图

图6 x=600 mm截面速度云图

图7 x=780 mm截面速度云图

从图5中可以看出，此时的速度最大并产生明显的射流现象，射流现象维持不久就因为在下箱体里的扩散导致气流速度减小，部分气流因为扩散作用从滤筒群中和滤筒与入口侧壁向上，经过滤袋的过滤进入滤袋，将灰尘留在外部，向上的气流速度不断减小，这是因为有部分气流进入滤袋内部导致的。气流到上下箱体之间的滤板受到阻挡回流,从而在此处形成漩涡。入口气流另一部分向后运动，碰到后壁面减速分为两股。一部分沿着箱体向上，其情况与之前的类似，不同的是这里向上气流因为滤筒与间壁的缝隙，使气流流通面积突然减小，速度上升，入口处因为初始气流大而没有此现象。还有一部分向下进入灰斗，顺着灰斗外轮廓运行在进口射流的下面形成漩涡，使射流方向有一点向上偏离，并使下部灰斗中的颗粒物向上扬起，这不利于灰尘沉积。

从图6可以看出，1号和4号滤筒下壁因为靠近入口，下部为高速气流，气流大使得这两滤筒风量大于另外两个。气流从滤袋不断进入筒内，所以随着滤筒高度的上升，气流速度不断变大，中部的速度大于两边。进入上箱体，同样气流打入上箱壁，顺着壁面从出口处去，因此可以看出在出口上部的速度明显大于下部。与图5对比可以看到，因为图6靠近滤筒出口,使得在这个面的出口速度大于图5的截面。

从图7可以看出，在间隙处气流进入滤筒的情况。在空间面积小的地方气流流速大，所以滤筒靠近两侧的位置比4个滤筒中心的速度大。速度流场中因为边界层的存在以及多孔跳跃现象，速度在该区变化较大。

对4个滤筒的表面速度分布进行初步分析如图8所示。

(a) 正视图

(b) 侧视图

图8(a)中，由于1号和4号滤筒靠近进风口，进风的速度较大，所以在滤袋下部一部分区域速度较大。对于整体滤袋速度从滤袋下部到上部不断增大，这与之前的分析一致。在滤袋上部存在漩涡，也是上部滤袋速度增加较快的原因之一，从这里也可以看出,在缝隙较小的区域速度会更快。从图8(b)中可以看出,1号和4号滤筒整体的进口速度大小中速度分布大的区域大于2号和3号，据此可以判断1号和4号滤筒的处理风量大于2号和3号，随之其磨损也较大，寿命较短。

滤筒中心上轴线的速度分布可以间接反映处理风量[6]。因此提取4个滤筒的轴线，分析其在不同高度上的速度变化，从而进一步分析在不同面上的处理风量。

4个滤筒中心轴线的速度分布图，根据上节的定义,当z=660 mm时为滤筒底端，z=0 mm时才为滤筒的出口，气流是从滤筒下部向上部运动，因此应该是从z=660 mm运动到z=0 mm处。滤筒中心轴线速度如图9所示。

(a) 1号滤筒

(b) 2号滤筒

(c) 3号滤筒

(d) 4号滤筒

4幅图大体的趋势一致，大致都是在z=660 mm时,因为处在滤筒底端壁面速度为0，在z=660 mm到z=600 mm左右速度变化平缓，基本维持不变。在z=600 mm到z=100 mm时,速度大致成直线上升，快到z=0 mm时，速度有少量下降。

对于4个滤筒主要的不同是在最大风量上，4个滤筒中心轴线上的最大速度从1号到4号风速分别是0.762、0.678、0.677、0.761 m/s。从这里可以看出,1号和4号处理风量要大于2号和3号，但是一般用滤筒中心轴线上速度作为评价指标，1号到4号滤筒的平均速度为0.568、0.510、0.509、0.567 m/s。从这里发现1号和4号滤筒速度大致相等，同样2号和3号滤筒的速度也大致相等,但是1号和4号的速度大于2号和3号滤筒。根据上述评判标准，可以认为1号和4号滤筒流量大致相等，以及2号和3号滤筒的流量也大致相等。但是1号和4号的流量大于2号和3号滤筒，这就导致了不均匀性。

4 结 语

1)进风口射流现象对下箱体内气流平稳流动造成了较大影响，不利于灰尘沉积。

2)进风口处对应滤筒的处理风量相比其余滤筒处理风量大，易磨损，寿命短。

3)滤筒中心轴线速度沿着轴向方向呈现出降低趋势，到达滤筒顶端处速度达到最低。

[1] 刘美玲．袋式除尘器脉冲清灰气流的数值模拟[D]．西安：西安建筑科技大学，2009.

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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

辽宁省博士启动基金资助项目(20170520354、20170520148)； 国家自然科学基金资助项目(21706023)； 大连理工大学盘锦产业技术研究院专项资金项目(YJYZXZJ004)

郗 元(1987-)，男，汉族，辽宁盘锦人，大连理工大学盘锦产业技术研究院工程师，博士，主要从事环保机械方向研究,E-mail:xy59135210@163.com. *通讯作者：母德强(1961-)，男，汉族，辽宁昌图人，长春工业大学教授，博士，主要从事机械设计与精密加工方向研究,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