吳敬宇　虞斌　江超　吳瓊

摘 要 對(duì)SCC型濕式除塵器除塵區(qū)域流場(chǎng)流動(dòng)進(jìn)行分析，基于FLUENT軟件采用氣-固兩相流和氣-液-固三相流進(jìn)行數(shù)值模擬研究，對(duì)不同時(shí)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(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)加入液滴顆粒后，除塵效率明顯上升。通過(guò)正交試驗(yàn)研究了導(dǎo)流板長(zhǎng)度、導(dǎo)流板傾角、導(dǎo)流板間距對(duì)被壁面及導(dǎo)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(duì)被壁面及導(dǎo)流板捕集金屬顆粒所占總數(shù)比例的影響主次順序?yàn)閷?dǎo)流板長(zhǎng)度、導(dǎo)流板傾角、導(dǎo)流板間距，其最佳參數(shù)組合是A2B2C2，即導(dǎo)流板長(zhǎng)度L=650 mm、導(dǎo)流板傾角θ=22.5°、導(dǎo)流板間距H=450 mm。顯著性分析結(jié)果表明：導(dǎo)流板長(zhǎng)度L對(duì)綜合除塵效率有一定影響，導(dǎo)流板傾角θ和導(dǎo)流板間距H對(duì)綜合除塵效率無(wú)明顯影響。

關(guān)鍵詞 SCC型濕式除塵器 氣-液-固三相流 導(dǎo)流板 正交試驗(yàn) 除塵效率 FLUENT

中圖分類號(hào) TQ086.1? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? ?文章編號(hào) 0254?6094（2023）02?0244?06

除塵器作為機(jī)械零件制造、拋光過(guò)程中處理金屬粉塵的關(guān)鍵設(shè)備，能夠有效預(yù)防車(chē)間因粉塵濃度過(guò)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(shí)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(guò)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(dòng)軌跡與“SCC”字母形狀相同而得名，但現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)這種濕式斜板除塵器的流場(chǎng)及其影響分離的因素研究并不完善［4～8］。

目前，我國(guó)對(duì)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(shí)驗(yàn)較為復(fù)雜，并且實(shí)驗(yàn)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(lái)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(yùn)動(dòng)等問(wèn)題難以解決［9］。近年來(lái)隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，采用數(shù)值模擬方法研究濕式除塵器問(wèn)題被越來(lái)越多的人使用，故筆者利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD流場(chǎng)分析軟件FLUENT研究SCC型濕式除塵器流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律［10～13］，并通過(guò)改變導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)參數(shù)探究其對(duì)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(shè)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(zhǎng)1 000 mm，除塵器壁厚1 mm，內(nèi)部導(dǎo)流板的長(zhǎng)度為600 mm，導(dǎo)流板與壁面傾角為15°，導(dǎo)流板6個(gè)，上下導(dǎo)流板間距400 mm。使用Workbench軟件中的Design Model模塊進(jìn)行建模。

1.2 基本控制方程

由物理守恒定律可知，流體流動(dòng)需遵循三大基本守恒定律，即質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律。因此，流體流動(dòng)與對(duì)流換熱問(wèn)題均需遵循相應(yīng)的控制方程，即質(zhì)量守恒方程、動(dòng)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(dòng)量守恒方程。

在工業(yè)流動(dòng)計(jì)算中應(yīng)用最為廣泛的湍流模型主要有3種，分別是標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)粘度中考慮了平均流動(dòng)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)或旋流流動(dòng)，提高了對(duì)高速畸變流動(dòng)的計(jì)算精度，可以較為準(zhǔn)確地處理高變形率和流線彎曲程度較大的流體流動(dòng)，因此，筆者采用RNG k?ε模型對(duì)除塵區(qū)域內(nèi)的流體流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

1.3 網(wǎng)格劃分及數(shù)值模擬方法

首先在Design Model中對(duì)計(jì)算模型邊界進(jìn)行命名，之后使用Workbench中的Meshing模塊對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終選擇網(wǎng)格數(shù)在100萬(wàn)左右。為了滿足計(jì)算離散誤差的要求，將液相入口簡(jiǎn)化，將霧化器簡(jiǎn)化成液滴顆粒從圓管入口進(jìn)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(shè)置

除塵區(qū)域上部為氣流進(jìn)口，來(lái)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(jìn)口，液滴顆粒粒徑為5 μm，來(lái)流速度為25 m/s，入射角度為180°（氣-固兩相流模擬無(wú)此設(shè)置），液滴顆粒設(shè)定與FLUENT軟件提供的水霧霧化器設(shè)置不盡相同，其目的是為簡(jiǎn)化一定的計(jì)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(jìn)入，在重力作用下會(huì)下落至導(dǎo)流板表面并在導(dǎo)流板及部分壁面形成穩(wěn)定的水膜，對(duì)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(duì)壁面和導(dǎo)流板均設(shè)置成捕集（trap）。

2 除塵區(qū)域顆粒物流動(dòng)分析

采用CFD?POST后處理軟件對(duì)除塵區(qū)域的數(shù)值模擬進(jìn)行后處理，通過(guò)該軟件可直接讀取FLUENT軟件計(jì)算結(jié)果處理數(shù)據(jù)文件，實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果可視化。圖4為不同時(shí)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(shí)的運(yùn)動(dòng)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(dǎo)流板表面。液滴下落至導(dǎo)流板形成液膜，對(duì)顆粒物進(jìn)行捕集，僅較少金屬顆粒逃逸至出口?？梢?jiàn)，加入液滴顆粒后除塵效果明顯。

由圖5a可知，金屬顆粒進(jìn)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(dǎo)流板間形成多個(gè)旋流，這不僅增加了顆粒在導(dǎo)流板間的停留時(shí)間，同時(shí)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(dǎo)流板間產(chǎn)生旋流個(gè)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(yùn)動(dòng)。由此可見(jiàn)，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(jìn)入除塵區(qū)域內(nèi)，跟隨氣流被壁面不斷反射，其運(yùn)動(dòng)軌跡較為復(fù)雜，金屬顆粒全部完成逃逸耗時(shí)較長(zhǎng)，綜合除塵性能偏低。由圖6b可知，金屬顆粒進(jìn)入除塵區(qū)域內(nèi)，首先金屬顆粒被液滴吸附沉降至導(dǎo)流板，僅極少金屬顆粒會(huì)繼續(xù)隨氣流運(yùn)動(dòng)至出口，以圖6b為例，僅1個(gè)金屬顆粒逃逸，除塵效率高達(dá)90%，可見(jiàn)，加入液滴后除塵效率提升明顯。

3 基于正交試驗(yàn)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(dǎo)流板長(zhǎng)度L（因素A）、導(dǎo)流板傾角θ（因素B）、導(dǎo)流板間距H（因素C）這3個(gè)因素，每個(gè)因素考慮3個(gè)水平，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)表（表1）。

若每個(gè)因素的每個(gè)水平相互搭配進(jìn)行模擬研究，則需要做33=27次試驗(yàn)，這將耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力。為了提高計(jì)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(jìn)行正交試驗(yàn)，具體見(jiàn)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(guò)網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證之后，其網(wǎng)格數(shù)在100萬(wàn)左右。

邊界條件與1.4節(jié)基本相同。

3.3 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

K1、K2、K3分別代表不同水平所對(duì)應(yīng)的被壁面及導(dǎo)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(duì)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的影響程度，R值越大，說(shuō)明R對(duì)應(yīng)的因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響越大。根據(jù)R值的大小評(píng)價(jià)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(duì)應(yīng)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(duì)正交試驗(yàn)進(jìn)行方差分析時(shí)，需估計(jì)隨機(jī)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(jìn)行后續(xù)的誤差分析。

由表2、圖7可知，導(dǎo)流板長(zhǎng)度對(duì)被壁面及導(dǎo)流板捕集顆粒物占總數(shù)比例的影響最大，各因素對(duì)綜合除塵效率的影響主次順序?yàn)閷?dǎo)流板長(zhǎng)度L、導(dǎo)流板傾角θ、導(dǎo)流板間距H，表明導(dǎo)流板長(zhǎng)度對(duì)除塵效率的影響最大，與1.4節(jié)提到的水霧顆粒落至導(dǎo)流板面形成液膜，對(duì)金屬顆粒有明顯捕集作用的結(jié)論吻合。通過(guò)對(duì)比因素A、B、C的平均值（即k1、k2、k3）可知，因素A（導(dǎo)流板長(zhǎng)度）的最優(yōu)水平為A2，因素B（導(dǎo)流板傾角）的最優(yōu)水平為B2，因素C（導(dǎo)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(dǎo)流板長(zhǎng)度L=650 mm、導(dǎo)流板傾角θ=22.5°、導(dǎo)流板間距H=450 mm。

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

由表3可以看出，因素A的統(tǒng)計(jì)量F大于因素B和C，說(shuō)明導(dǎo)流板長(zhǎng)度對(duì)綜合除塵效率的影響最大，導(dǎo)流板間距對(duì)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(shuō)明導(dǎo)流板長(zhǎng)度L對(duì)綜合除塵效率有一定影響，導(dǎo)流板傾角θ和導(dǎo)流板間距H對(duì)綜合除塵效率無(wú)明顯影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)FLUENT軟件采用氣-固兩相流和氣-液-固三相流方法對(duì)SCC型濕式除塵器除塵區(qū)域進(jìn)行模擬，通過(guò)對(duì)比加入液滴顆粒前后的顆粒相分布、金屬顆粒運(yùn)動(dòng)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(yàn)結(jié)果表明，各因素對(duì)被捕集固體顆粒物占總數(shù)比例的影響排序?yàn)锳>B>C，其最佳方案組合是A2B2C2，即導(dǎo)流板長(zhǎng)度L=650 mm、導(dǎo)流板傾角θ=22.5°、導(dǎo)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(dǎo)流板長(zhǎng)度L對(duì)綜合除塵效率有一定影響，導(dǎo)流板傾角θ和導(dǎo)流板間距H對(duì)綜合除塵效率無(wú)明顯影響，為工程實(shí)踐提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

參 考 文 獻(xiàn)

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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(jiǎn)介：吳敬宇（1996-），碩士研究生，從事高效環(huán)保裝備技術(shù)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(chǎng)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.化工機(jī)械，2023，50（2）：244-248；255.