旋风除尘器内部流场的数值模拟研究

岳世松

(1.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山063012; 2.河北省煤炭洗选工程技术研究中心，河北 唐山063012)

旋风除尘器是含尘气体进入除尘器后在离心力的作用下实现气、固分离的一种设备，可有效分离、捕集粒径为5 μm以上的粉尘[1]。旋风除尘器由于结构简单，制造及运行成本低，在工业中的应用极其广泛[2]。多年来，众多研究者对各类旋风除尘器的内部气流状态与固体颗粒的运动规律做了大量的研究工作，取得了许多进展[3]，但由于旋风除尘器的分离、捕集过程是一种极其复杂的三维、二相湍流运动[4-5]，其理论与试验研究困难重重，至今还未能完全掌握其内在规律，也没有完善的、成熟的数学模型，导致研究和设计多采用经验、半经验的方法。

随着计算机技术的不断进步和计算流体动力学(CFD)理论的不断发展，CFD技术已经成为继理论流体力学和试验流体力学之后研究流体问题的又一重要手段[6]。目前，CFD方面的软件很多， FLUENT软件是其中的典型代表，该软件已在机械、建筑、汽车等行业得到广泛使用[7-8]。人们已经开始利用计算机技术对旋风除尘器进行各种形式的数值模拟研究[9-10]。1982年，BOYSAN F首次将CFD技术用于模拟旋风分离器的流场分析中[11]。林玮等[12]采用Rodi[13]提出的k-ε模型，计算了切向入口旋风分离器内部流场，得到的轴向和切向速度与试验结果相近。本次研究采用CFD技术，利用ANSYS软件中的FLUENT模块，对干法选煤系统中的FXX18旋风除尘器内部流场进行模拟研究。

1 模型参数设置

1.1 模型的建立

在利用CFD技术进行数值分析时，一般分为三个阶段：

(1)前期处理阶段。将研究问题抽象、简化为计算机可以识别的数据模型，以便计算机软件进行计算。

(2)求解阶段。CFD问题的求解是由软件读取前期处理阶段产生的数据，并进行运算求解，最后得到一系列相关物理数据。

(3)数据分析阶段。对计算机求解出的数据结果进行分析，得出结论。

FXX18型旋风除尘器是煤炭科学研究总院唐山研究院研制的干法选煤工艺系统中的关键设备之一，可对系统循环风进行有效除尘，是保证整个系统可靠运行的重要设备。FXX18型旋风除尘器结构示意图如图1所示，结构参数见表1。

图1 FXX18旋风除尘器结构图

名称含义尺寸/mmD0筒体直径1 800H旋风除尘器高度6 660h圆筒段高度3 060hc排气管长度1 460D2排灰口直径710a进口管高度1 430b进口管宽度575De排气管出口直径1 360Dc排气管入口直径1 160

1.2 数值模拟

对旋风除尘器内部流场进行数值模拟，首先利用三维建模软件按照表1中的数据对除尘器进行建模，然后导入到FLUENT软件中。因计算域形状不规则，故采用四面体网格进行网格划分。考虑到边界层流场的物理场梯度变化大，网格划分时靠近表面层的网格设置密一些，其余部分网格相对较疏，这样既能提高分析精度，又能很好地控制网格数量，从而控制计算时间。在进行边界条件设置时，根据工程实际情况，将流体介质设置为空气，计算时考虑重力影响，重力加速度取9.81 m/s2，进气口处气体速度为17 m/s，对应马赫数<0.3，流体所受的压力不足以压缩流体，流场可视为不可压缩流场。出气管处设置为outflow边界，出口压力设为标准大气压。RNGκ-ε模型计算精度较好，模拟强旋流场具有优越性，所以计算模型选择κ-epsilon(2equ)模型,子模型选择为RNG，同时选择Swirl Dominated Flow选项，湍流强度设置为10%，水力直径为0.82 m。

2 结果分析

FLUENT软件计算完毕后，可利用软件所提供的数据处理工具，对数据进行处理，得到旋风除尘器内部流场的特点。

2.1 切向速度

图2为通过数值模拟后得到的除尘器切向流速度分布图。切向速度在内部流场分布中占主导地位，为了更清楚地认识剖面上的速度分布情况，在距离出风口位置y=2、2.5、3 m位置设置3条参考线，并绘制出该参考线上的切向速度，分布曲线如图3所示。由图3可知：曲线具有一定的对称性，靠近筒壁处，因受到摩擦力的影响，速度近似为零；切向速度沿筒壁向轴心方向逐渐增大，当达到最大值后又迅速降低，这是因为依据角动量守恒定律，空气的流速会随着半径的缩小而逐渐加大，而中心位置切向速度突然降低，是因为受到离心力的作用，中间部分会形成空心柱，致使其中心位置的切向速度几乎为零。

2.2 轴向速度

通过数值模拟后得到的除尘器轴向流速度分布，如图4所示；轴向速度分布曲线，如图5所示。分析可知：在入口空气运动和入口压力的作用下，旋风除尘器的内部流场形成了一个沿轴向上，外层下行、内层上行的气体双层旋转流动结构。这是由于含尘气体从进气管进入除尘器后，开始沿着筒壁做旋转运动，并在入口动压作用下，被迫向除尘器底部流动。当到达除尘器锥段时，由于半径逐渐变小，含尘气体又被迫向除尘器中心流动并最终向上到达排气口排出。

图2 切向流速度分布图

图3 切向流速度分布曲线

图4 轴向流速度分布图

2.3 径向速度

除尘器径向速度分布情况模拟结果(图6)，由图6可知：径向速度与切向速度相比要小很多，并且呈一定的对称性，通过对y=2、2.5、3 m处的模拟结果进行拟合，绘制出切向速度分布曲线(图7)。在整个流场中，径向速度的变化相对较小，且方向基本一致。这些特点都有利于除尘器的除尘，降低灰尘颗粒沿半径方向流动至中心上升流层的概率。

图5 轴向速度分布曲线

图6 径向流速分布图

图7 径向速度分布曲线

2.4 压力分布

对除尘器的压力场进行分析，可以得出除尘器压力损失的产生机理，并可针对性地进行结构优化。旋风除尘器压力分布场模拟结果如图8所示，在指定的3条参考线上的压力曲线如图9所示。由图8、图9可知：压力由外向内是逐渐减小的，压力损失主要原因包括进气管的摩擦损失，气体进入除尘器后体积膨胀引起的能量损失，除尘器内气体旋转而产生的能量耗损。

图8 压力分布图

图9 压力分布曲线

2.5 压力损失

压力损失是评价旋风除尘器性能的一项关键指标，为了研究FXX18型旋风除尘器的压力损耗情况，研究除对进气口处气体速度为17 m/s时做了压力损失的数值分析外，又分别对气体速度取7、27、37、47、57 m/s时的压力损失情况做了分析，并对数据进行拟合，所得曲线如图10所示。由图10可知：随着风速的线性增加，除尘器压力损失按指数级急剧增长。所以，在设计和选用旋风除尘器时，要合理选择进口风速，保证除尘器的工作效率。

3 结论

通过建立旋风除尘器模型，并对数值模拟结果进行分析，可以得出以下结论：

(1)旋风除尘器内部流场中，切向速度、轴向速度、径向速度以及压力分布具有一定的轴对称性。

(2)旋风除尘器的内部流场沿轴向上，外层下行、内层上行，形成了一个双层旋转流动结构。

图10 风速-压力损失关系曲线

(3)入口流速对除尘器的压力损失有着重要影响，随着除尘器入口流速的增加，压力损失则急剧增加。