劉 景,謝小鵬,,盧小輝,唐 超

(1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,廣東 廣州 510641) (2.東莞匯樂技術(shù)股份有限公司,廣東 東莞 523925)

隨著國家對含塵廢氣排放要求的提高,除塵器的需求量也日益增大[1]。濾筒除塵器由于其具有效率高、體積小、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),被廣泛用于較高含塵量工作環(huán)境的通風(fēng)除塵[2]。除塵效率是除塵器的重要技術(shù)參數(shù),除塵器內(nèi)部氣流組織對除塵效率有很大的影響[3],因此針對氣流組織的優(yōu)化成為除塵器優(yōu)化研究的主要方向之一。除塵器內(nèi)部流場復(fù)雜,需要借助計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)仿真手段來獲得流場特征,進(jìn)而提出優(yōu)化方案。目前大部分研究都集中在立式濾筒除塵器,對臥式濾筒除塵器的研究較少。

在除塵器內(nèi)部增設(shè)擾流板是一種有效、易行的流場優(yōu)化方法[4],然而擾流板結(jié)構(gòu)參數(shù)對優(yōu)化效果有著重要的影響,因此需要計(jì)算出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。張智雄等[5]在側(cè)進(jìn)氣臥式濾筒除塵器進(jìn)風(fēng)口處添加導(dǎo)流板,以及在濾筒上方添加3種不同類型擋板來優(yōu)化流場,結(jié)果表明采用分離式擋板優(yōu)化效果最佳;袁娜等[6]在除塵器進(jìn)風(fēng)口處增設(shè)擋板,并模擬了不同擋板角度對氣流均勻性的影響,發(fā)現(xiàn)擋板角度在165°～170°時流場均勻性最佳;張相亮等[7]通過數(shù)值模擬研究了進(jìn)氣擾流板不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對袋式除塵器氣流分布的影響程度,得出影響進(jìn)氣均布程度的排序?yàn)?板長L>擋板前后偏角θ>板數(shù)n>擋板上端距灰斗頂部截面高度H。以上文獻(xiàn)中的擾流板形狀大多為多排直面或曲面型擾流板,需考慮的結(jié)構(gòu)參數(shù)較多,在實(shí)際應(yīng)用時大大增加了擾流板設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。

為優(yōu)化除塵器流場,同時降低擾流板設(shè)計(jì)的復(fù)雜度,縮短生產(chǎn)周期,本文以在除塵器入口處增設(shè)多孔擾流板作為流場優(yōu)化的方法,通過CFD仿真正交試驗(yàn)研究多孔擾流板三個結(jié)構(gòu)參數(shù)對流場均勻性的影響,并選取最優(yōu)參數(shù)組合對流場進(jìn)行優(yōu)化。

1 計(jì)算模型與數(shù)值方法

1.1 幾何模型

以企業(yè)現(xiàn)有臥式濾筒除塵器(圖1a)為研究對象,建立其簡化三維模型(圖1b)。反吹倉尺寸為1 500 mm×480 mm×1 640 mm,濾室總體尺寸為1 500 mm×660 mm×2 000 mm,室內(nèi)共有6個按倒三角形排布、尺寸為φ350 mm×660 mm的濾筒(圖1c),進(jìn)風(fēng)口尺寸為φ270 mm,出風(fēng)口尺寸為φ346 mm。

圖1 臥式濾筒除塵器幾何模型

1.2 數(shù)值模型與邊界條件

借助FLUENT軟件模擬除塵器內(nèi)部流場。將氣體視為恒溫不可壓縮流體,入口采用速度入口,速度為20 m/s,方向與入口截面垂直;出口采用壓力出口,出口靜壓設(shè)為-3 000 Pa。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型,壓力速度耦合采用SIMPLE算法,壓力離散采用PRESTO,對流相采用二階迎風(fēng)離散格式。

濾筒采用多孔跳躍介質(zhì)模型,該模型為普通多孔介質(zhì)模型的一維簡化模型,具有良好的收斂性、魯棒性。該模型用達(dá)西定律和一個額外附加的慣性損失結(jié)合來定義薄膜內(nèi)外的壓力變化[8]:

(1)

式中:ΔP為薄膜內(nèi)外的壓力變化量,μ為流體黏度,α為滲透率,v為垂直于薄膜表面的速度分量,C2為壓力階躍系數(shù),ρ為流體密度,Δm為薄膜厚度。此次模擬滲透率設(shè)置為1.02×10-12m2,濾紙厚度為2 mm。由于過濾風(fēng)速低,因此忽略第二項(xiàng)阻力[9]。

1.3 流場均勻性評價標(biāo)準(zhǔn)

(2)

ΔK=Ki max-Ki min

(3)

(4)

1.4 模型可靠性驗(yàn)證

對模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)性與非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分,并調(diào)節(jié)網(wǎng)格尺寸得到不同網(wǎng)格數(shù)量的劃分方案。通過對比進(jìn)風(fēng)口軸線上15個監(jiān)測點(diǎn)的速度來驗(yàn)證網(wǎng)格無關(guān)性,結(jié)果如圖2所示。由圖可知,4種網(wǎng)格劃分方案計(jì)算結(jié)果偏差均在3%以內(nèi),且當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到300萬以上時,隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加,計(jì)算結(jié)果幾乎不變,表明網(wǎng)格無關(guān)性良好。最終選擇300萬網(wǎng)格劃分方案對除塵器進(jìn)行模擬研究,該方案網(wǎng)格最小正交質(zhì)量為0.139,網(wǎng)格質(zhì)量較好。

圖2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

通過實(shí)驗(yàn)測量風(fēng)機(jī)在不同頻率下工作時除塵器的入口全壓和處理風(fēng)量,并與模擬值進(jìn)行對比,驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性,結(jié)果如圖3所示。

圖3 模擬值與實(shí)際測量值對比圖

由圖可知,模擬值與測量值最大誤差僅為6.82%,說明該數(shù)值模型能夠較好地模擬實(shí)際氣流組織情況。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 優(yōu)化前除塵器流場數(shù)值模擬

圖4(a)為氣體過進(jìn)風(fēng)口截面速度云圖,從圖中可以看出,氣體在進(jìn)入濾室時存在明顯的射流現(xiàn)象。圖4(b)中,入口氣流遇到壁面后,大部分沿著壁面向上進(jìn)入濾筒區(qū)域,濾室左側(cè)的氣流速度要明顯高于右側(cè)。入口處的射流使濾室內(nèi)形成大范圍回流,不僅影響塵粒的自然沉降,降低除塵效率,而且增大了氣體與壁面、氣體與氣體間的摩擦,從而增加了運(yùn)行阻力。

圖4 優(yōu)化前氣流數(shù)值模擬圖

圖4(c)中,6號濾筒靠近進(jìn)風(fēng)口,導(dǎo)致該濾筒底部出現(xiàn)局部高風(fēng)速的現(xiàn)象,顯著縮短濾筒的使用壽命。受濾室回流的影響,各濾筒之間風(fēng)速差異較大,降低了流場均勻性。1～3號濾筒上表面風(fēng)速普遍高于下表面,這種局部風(fēng)速不均的現(xiàn)象也進(jìn)一步降低了整體的過濾效率。

2.2 擾流板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖5(a)所示,擾流板由A、B、C三面構(gòu)成,每個面上均開設(shè)通孔以均散入口氣流。擾流板寬度與濾室寬度相等,圖中所注尺寸(單位:mm)均為固定尺寸,其中B面與濾室壁面之間的距離為ΔL,通過調(diào)節(jié)ΔL即可計(jì)算出A、B、C面的長度。

通過設(shè)置不同的孔面積占比率f和孔型T,再調(diào)整ΔL的大小,即可得到不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的多孔擾流板,其中不同的f通過調(diào)節(jié)孔徑大小來實(shí)現(xiàn),并保證每次調(diào)節(jié)時孔與孔之間的相對位置不變。

2.3 參數(shù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

表1 因素水平表

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

表3 多因素方差分析表

圖6 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對的影響

2.4 優(yōu)化后除塵器流場數(shù)值模擬

優(yōu)化后氣流數(shù)值模擬圖如圖7所示。圖7(a)與圖4(a)對比可以看出,擾流板對入口射流起到了明顯的抑制作用。圖7(b)中,濾室回流強(qiáng)度相比于優(yōu)化前也明顯減弱。

圖7 優(yōu)化后氣流數(shù)值模擬圖

圖8 優(yōu)化前后各濾筒流量分配系數(shù)

3 結(jié)論

1)在除塵器進(jìn)風(fēng)口處增設(shè)多孔擾流板是一種簡易、有效的流場優(yōu)化方法,對提升流場均勻性、降低濾筒風(fēng)速有明顯的效果。

2)當(dāng)多孔擾流板孔型為圓孔時,只需考慮孔面積占比率即可,相比于傳統(tǒng)的多排擾流板設(shè)計(jì)更加簡單。