宋凱　孫志坤　劉濤　趙子赫（中國礦業(yè)大學(xué)（北京），北京　100083）

蜂窩式填料礦用除塵風(fēng)機的CFD模擬

宋凱孫志坤劉濤趙子赫
（中國礦業(yè)大學(xué)（北京），北京100083）

針對日益嚴(yán)重的井下煤塵污染，自主設(shè)計了濕式蜂窩擾流濾芯除塵器。介紹了此新型除塵器的除塵機理及結(jié)構(gòu)組成，搭建了除塵器的實驗平臺，以便與后續(xù)的仿真模擬做對比。建立濕式蜂窩擾流濾芯除塵器的數(shù)學(xué)模型，并對其進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，針對各種邊界條件進(jìn)行了分析，模擬了單相氣相、氣液兩相、氣固兩相流中的圖湍能和速度分布，為風(fēng)機的設(shè)計提供了參考。

濕式除塵蜂窩擾流濾芯CFD模擬

隨著我國能源工業(yè)的不斷發(fā)展，煤礦開采的機械化程度也越來越高，功率大、效率高的綜采、綜掘設(shè)備得到了廣泛的使用。由此產(chǎn)生的負(fù)面影響也是顯著的，井下工作面、巷道內(nèi)的粉塵產(chǎn)生量急劇增加。井下粉塵污染不僅會使勞動者患上塵肺病，而且造成設(shè)備磨損，儀器失靈，并在一定條件下引起煤塵爆炸，嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)。

粉塵的危害早已為人們所知，并且采取了很多措施進(jìn)行預(yù)防。比如在開采前的煤層注水，增加煤的含水量；在掘進(jìn)機、采煤機上安裝內(nèi)外噴霧裝置，進(jìn)行噴霧除塵；利用井下風(fēng)流進(jìn)行通風(fēng)除塵，稀釋空氣中的煤塵含量等等。但是取得的效果有限，空氣中煤塵含量依然遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出國家標(biāo)準(zhǔn)。這就說明需要一種更為高效的，專門為煤礦井下除塵用的設(shè)備［1］。

近年來，我國引進(jìn)了一些除塵設(shè)備，但是因為體積大，功耗高，無法適應(yīng)我國的井下環(huán)境。而國內(nèi)研制的一些除塵設(shè)備，因為井下水質(zhì)、粉塵性質(zhì)等各種原因而無法在井下正常工作。因此，開發(fā)一種適于我國國情的井下除塵設(shè)備成為改善工人作業(yè)環(huán)境，保障煤礦安全生產(chǎn)的當(dāng)務(wù)之急［2］。

1　蜂窩式填料除塵器簡介

為了有效去除空氣中的煤塵顆粒，本文提出并設(shè)計了濕式蜂窩擾流濾芯除塵器。在該除塵器中，最關(guān)鍵的組件是蜂窩擾流濾芯。蜂窩是指濾芯內(nèi)部蜂窩狀的六邊形結(jié)構(gòu)，擾流則是指流體在圓柱后形成的卡門渦街對于平板邊界層產(chǎn)生的擾動作用，因此又將圓柱稱為擾流柱。如圖1所示［3］。

圖1　蜂窩式填料

1.電機　2.噴頭　3.蜂窩擾流濾芯　4.脫水網(wǎng)　5.導(dǎo)流板　6.集污槽圖2　濕式蜂窩擾流濾芯除塵器實驗平臺示意圖

圖3　濕式蜂窩擾流濾芯除塵器計算區(qū)域

圖4　濕式蜂窩擾流濾芯除塵器計算區(qū)域

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

濕式蜂窩擾流濾芯除塵器（蜂窩擾流濾芯除塵器）是一種濕式除塵器，如圖2所示，主要作用介質(zhì)是水。除塵用水通過噴嘴向蜂窩擾流濾芯器壁表面噴水，在其壁面和濾芯內(nèi)的擾流柱表面形成一層連續(xù)的水膜，當(dāng)含塵空氣通過蜂窩狀濾芯時，其中較大粒徑的粉塵顆粒會因為慣性而撞擊到蜂窩濾芯內(nèi)呈交叉分布的擾流柱，被其壁面的液膜被捕獲，而較小的顆粒則由于較好的跟隨性，隨著氣體分子繞過擾流柱。而在擾流柱后面，卡門渦街與蜂窩壁表面液膜邊界層形成復(fù)渦黏，強化了渦團(tuán)間的作用，小顆粒的擴散作用增強，均勻分布在空氣中。在含塵空氣與濾芯體壁上的液面接觸時，小顆粒被液膜捕集達(dá)到除塵的效果。此外，濕式蜂窩擾流濾芯除塵器還具有氣體的冷卻和吸收作用，而且蜂窩擾流濾芯方便更換，所以日常的維護(hù)更加容易，使用壽命更長。

2　濕式蜂窩擾流濾芯除塵器的CFD建模

從上面的分析可以知道，濕式蜂窩擾流濾芯除塵器內(nèi)流場屬于稀相多相流，本文將采用歐拉—拉格朗日方法對濕式蜂窩擾流濾芯除塵器內(nèi)的多相流動進(jìn)行數(shù)值模擬。其中先采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型對連續(xù)相氣流進(jìn)行模擬，再使用RSM對其進(jìn)行模擬，然后將模擬的結(jié)果進(jìn)行對比分析；使用DPM模型對實驗中的顆粒相進(jìn)行模擬，氣固相間采用速度與壓力的動量耦合，并驗證該模型在濕式蜂窩擾流濾芯除塵器內(nèi)多相流數(shù)值模擬的可行性［4］。

2.1模型假設(shè)與簡化

（1）含塵氣體視為不可壓縮的牛頓流體；

（2）除塵用噴霧液滴為球形；

（3）含塵空氣與液滴間不存在傳質(zhì)、傳熱和化學(xué)反應(yīng)；

（4）忽略噴嘴及其他附件對流場的影響；

（5）由于實驗系統(tǒng)為圓形截面，所以簡化為二維模型進(jìn)行模擬。

2.2物理模型與網(wǎng)格的劃分

為了驗證濕式蜂窩擾流濾芯除塵器除塵機理的正確性，根據(jù)理論模型搭建了實驗用的實驗平臺，將該實驗平臺的物理模型簡化后，得到如以下模型，如下圖3所示。

對濕式蜂窩擾流濾芯除塵器實驗平臺進(jìn)行簡化后的模型劃分網(wǎng)格，劃分結(jié)果如圖4?？紤]到流管的對稱性，三維的模型可以通過有條件的簡化，生成二維的數(shù)學(xué)模型。

（1）進(jìn)口條件。濕式蜂窩擾流濾芯除塵器進(jìn)風(fēng)口設(shè)定為速度型進(jìn)口，室溫狀態(tài)，進(jìn)口速度u分別取3.0m/s、3.5m/s、4.8m/s、5.5m/ s、6.4m/s，方便與物理實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證。同時假定進(jìn)風(fēng)口為均勻流速，且在除塵器內(nèi)部流場充分發(fā)展。

圖6　湍動能（uin=5.54m/s）

（2）出口條件。出口為外界大氣壓，所以出口邊界設(shè)定為有壓邊界出口。

（3）壁面條件。除塵器壁面均為固體表面，所以進(jìn)行無滑移邊界條件處理，近壁面使用標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)進(jìn)行模擬。（4）離散相模擬。離散相進(jìn)行如下的假設(shè)后使用隨機軌道模型：

1）顆粒粒徑：實驗用顆粒為煤塵，所以假定顆粒粒徑符合Rosin-Rammler分布；

2）顆粒數(shù)目：實驗用風(fēng)近似勻速，所以顆粒按照一定的速率釋放；

3）邊界條件：由于采用濕式除塵法，且采用水膜除塵，所以當(dāng)顆粒碰到實驗平臺內(nèi)壁面，擾流柱壁面以及蜂窩擾流濾芯壁面時，都可以認(rèn)為是被捕塵體捕獲，只有出口壁面設(shè)置為逃逸。

3　蜂窩擾流濾芯模型數(shù)值模擬的結(jié)果分析與討論

按照上述方法對濕式蜂窩擾流濾芯除塵器進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了以下結(jié)果。

3.1單相氣相模擬

氣相的湍能分布如下：

由圖5可以看出，k-ε模型與RSM模型在入口速度為5.54m/ s時，二者的模擬結(jié)果都能夠反映出濕式蜂窩擾流濾芯除塵器內(nèi)的湍流情況。并且蜂窩擾流濾芯內(nèi)部都出現(xiàn)了強度在1.60m2/s2左右的較強湍流。湍動能的提升加劇了粉塵的湍流擴散，促進(jìn)了除塵器內(nèi)部各相的混合接觸，對于提高除塵器的除塵效果起了積極的作用。

3.2氣固兩相流的模擬

單獨的氣相流場模擬比較簡單。相較于單獨的氣相流場，含有固體顆粒的氣、固混合兩相流具有一些特殊的性質(zhì)，下面就氣固兩相流進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的數(shù)值模擬。

氣相的湍能分布如下：

由圖6可以看出，k-ε模型與RSM模型在入口速度為5.54m/ s，空氣含塵濃度9g/m3時，二者的模擬結(jié)果都能夠反映出濕式蜂窩擾流濾芯除塵器內(nèi)的湍流情況。并且蜂窩擾流濾芯內(nèi)部都出現(xiàn)了強度在1.60m2/s2左右的較強湍流。湍動能的提升加劇了粉塵的湍流擴散，促進(jìn)了除塵器內(nèi)部各相的混合接觸，對于提高除塵器的除塵效果起了積極的作用。

圖7　加噴水的速度場

3.3氣液兩相流的模擬

在濕式蜂窩擾流濾芯除塵器的除塵過程中，要始終保持噴水對蜂窩擾流濾芯內(nèi)壁表面的噴水過程，以保證擾流濾芯內(nèi)壁不斷被沖刷，達(dá)到“自清潔”的目的。所以，本文對氣液兩相也進(jìn)行了模擬，用以表明液氣比對流場的影響。

氣液兩相流氣相速度場的模擬結(jié)果如下：

如圖9所示，濕式蜂窩擾流濾芯除塵器在噴淋過程中的氣相速度矢量分布圖和蜂窩擾流濾芯附近速度矢量圖說明，相較于無噴淋的速度場，在氣液兩相流場中氣液兩相發(fā)生強烈的耦合作用，造成擾流柱附近的湍流程度降低，在擾流柱的后方，由于液相的加入，原本清晰的卡門渦街現(xiàn)象已經(jīng)不那么明顯，速度梯度邊界層更加明顯，但是湍流程度稍微降低，氣相液相間接觸面積有所降低，氣液兩相摻混明顯，粉塵與液滴的碰撞幾率反而增加。所以，過大的液氣比雖然降低了空氣與液膜接觸層的厚度，但是其除塵效率并沒有降低。但是從降低消耗，節(jié)約能源的角度來說，需要盡量的減小液氣比，降低消耗，所以還是可以從增加空氣與液膜接觸層厚度的角度來考慮提高捕集粉塵顆粒的效率。

4　結(jié)語

本章采用計算流體動力學(xué)建立了模型，分析了濕式蜂窩擾流濾芯除塵器的性能，對除塵器內(nèi)空氣的流動特性進(jìn)行了模擬，得出以下結(jié)論。

（1）對濕式蜂窩擾流濾芯除塵器內(nèi)部氣相流場進(jìn)行了模擬，RSM湍流模型能更精確地反映各項的旋流運動。模擬結(jié)果以圖形的方式來觀察濕式除塵器湍動能分布，可以指導(dǎo)除塵器的設(shè)計。

（2）模擬氣固兩相流過程中假定入口風(fēng)速5.54m/s，空氣含塵濃度9g/m3，采用了RSM和DPM模型，分別對速度、壓力和DPM濃度等進(jìn)行了模擬。模擬結(jié)果證明，氣體中的顆粒進(jìn)入除塵器后，隨空氣繼續(xù)前進(jìn)，大粒徑的顆粒由于慣性與擾流柱或者除塵器內(nèi)壁表面發(fā)生碰撞或攔截而被捕集，小粒徑的顆粒隨氣流繞過擾流柱后，在擾流柱后發(fā)生凝聚或者因為擴散效應(yīng)而被蜂窩擾流濾芯器壁表面水膜被捕獲。同時經(jīng)過蜂窩擾流濾芯壓降增加約60Pa；且隨入口速度增加，壓降增加。

（3）當(dāng)入口速度為5.54m/s，液氣比控制在0～0.3L/m2時，對除塵器內(nèi)部流場的氣液兩相流進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果說明，噴水液滴對于流場有著整流的作用，使得蜂窩擾流濾芯內(nèi)部的湍流相對弱化，擾流柱后的渦街減弱，但擾流柱上下兩側(cè)湍流增大，周圍速度梯度級別增多；蜂窩擾流濾芯前后的壓降降低；出口液氣比增加，并可能帶有部分液滴。

［1］史興國.煤礦粉塵控制.金屬礦山，2009，11:776～779.

［2］徐景德.礦塵防治.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1992:12.

［3］郭建明.KSWS濕式除塵裝置在石圪節(jié)礦井的應(yīng)用.煤，2009，18（6）: 71～72，76.

［4］歐陽潔，李靜海.模擬氣固多相流動非均勻結(jié)構(gòu)的顆粒運動分解軌道模型.中國科學(xué)（B輯），1999，29（1）:29～38.

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