戴 健，王 月，劉浩成，王 磊，宋印東

（1. 招商局重工（深圳）有限公司 技術(shù)中心， 廣東 深圳 518054； 2. 江蘇科技大學(xué) 能源與動力學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212100）

0 引言

旋風(fēng)除塵器是一種應(yīng)用十分廣泛的氣固分離裝置，然而，氣固兩相流動導(dǎo)致壁面磨損已經(jīng)成為制約這種設(shè)備發(fā)展的重要問題[1]。近年來，一些學(xué)者通過對除塵器結(jié)構(gòu)、材質(zhì)分析其產(chǎn)生磨損的原因，結(jié)果表明：不同入口結(jié)構(gòu)除塵器環(huán)形空間壁面都是以“局部磨損”為主，但磨損區(qū)域略有不同。[2-3]趙新學(xué)、楊智勇、李琴等人研究了除塵器排塵口直徑[4]、入口速度[5]、入口高寬比[6]對磨損的影響，結(jié)果表明：壁面磨損的整體變化趨勢不隨排塵口直徑的改變而變化，都呈現(xiàn)局部磨損的形態(tài)；過大的高寬比也會加劇渦核擺動強(qiáng)度，加劇錐體底部的沖蝕磨損。鄒康等分析了安裝防磨結(jié)構(gòu)對除塵器防磨性能的影響，結(jié)果表明：對常規(guī)旋風(fēng)除塵器，其壁面沖蝕磨損速率從筒體頂端向下逐漸減小，在筒體L1/H1=0.8 以下區(qū)域，磨損速率基本保持不變，當(dāng)粒徑大于4 μm 時(shí)，可選擇B1 型防磨除塵器提高防磨性能。[7]隨著計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，簡稱“CFD”）理論的逐漸成熟，CFD 技術(shù)在計(jì)算氣固兩相流動的問題中發(fā)揮著重要的作用。[8-9]高助威等基于DPM 模型對旋風(fēng)除塵器進(jìn)行流動數(shù)值模擬，從顆粒濃度分布和停留時(shí)間對頂灰環(huán)及壁面磨損現(xiàn)象進(jìn)行分析，結(jié)果表明：壁面處的顆粒濃度呈螺旋狀灰?guī)Х植?，灰?guī)У膶挾群吐菥嗖煌辉诃h(huán)形空間頂板下方存在頂灰環(huán)現(xiàn)象，而且頂灰環(huán)分布不均勻。[10]范軍領(lǐng)等對除塵器內(nèi)部流場與磨損特性進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了磨損對除塵器分離性能的影響，結(jié)果表明：與未磨損時(shí)相比，局部磨損厚度50 mm 時(shí)，3 μm 粒徑顆粒的分離效率由74.38%降至54.97%。[11]艾志久等通過計(jì)算流體力學(xué)方法研究了常規(guī)和防磨減阻旋風(fēng)除塵器的防磨減阻機(jī)理，結(jié)果表明：常規(guī)除塵器容易發(fā)生嚴(yán)重的局部磨損，而防磨減阻旋風(fēng)除塵器沖蝕磨損區(qū)域較為均勻；在同一粒徑下，防磨減阻旋風(fēng)除塵器的壁面磨損速率遠(yuǎn)小于常規(guī)旋風(fēng)除塵器。[12]這些通過計(jì)算流體力學(xué)進(jìn)行壁面磨損的相關(guān)研究，對旋風(fēng)除塵器防磨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有重要意義。本文以三種常見除塵器（擴(kuò)散式旋風(fēng)除塵器、標(biāo)準(zhǔn)比例式旋風(fēng)除塵器和XCX 型單管長錐體旋風(fēng)除塵器）為研究對象，分析其磨損部位和分布規(guī)律，比較磨損速率數(shù)值，為加強(qiáng)此類除塵器壁面防磨提供數(shù)值模擬方法和依據(jù)。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 工作原理

旋風(fēng)除塵器主要包括矩形入口、上半圓筒體部分、下半圓錐體部分、底部排塵口以及上部排氣管。其工作原理主要是含塵空氣以一定速度進(jìn)入筒體內(nèi)部，氣流繞著筒體做圓周運(yùn)動的同時(shí)，受重力作用，沿著圓筒和錐體向下做螺旋線運(yùn)動。直徑較大的顆粒會由于離心力的作用被甩到筒壁，與筒壁碰撞后失去慣性沿著壁面下落到排塵口，大部分顆粒在這個(gè)過程分離完成。小部分未捕集到的顆粒會在逐漸縮小的錐體底部匯集，根據(jù)“旋轉(zhuǎn)矩不變”的原理，氣流會攜帶著極小部分未捕集完成的小直徑顆粒由下到上地做螺旋線運(yùn)動，這被稱為內(nèi)旋流。經(jīng)過這么一個(gè)過程，絕大部分大粒徑顆粒被捕集完成，但也有少部分未被捕集到的顆粒出現(xiàn)逃逸現(xiàn)象。[13]

1.2 控制方程

CFD 控制方程如式（1）所示：

式中，列向量F、G、H稱為通向量；列向量J代表源項(xiàng)（體積力和體積熱流可略去為零）；列向量U代表解向量。

1.3 離散相計(jì)算方程

不計(jì)粒子間相互的作用，對單個(gè)顆粒而言，根據(jù)牛頓第二定律，得到它的運(yùn)動方程如式（2）所示：

式中，mp代表粒子質(zhì)量；up代表粒子速度；∑F代表粒子受到的合力。

粒子所受到的力有附加質(zhì)量力、黏性阻力、重力、壓力、Basset 力、布朗力等等,利用Fluent 中的粒子作用力微分方程對離散相粒子的軌跡進(jìn)行了求解。粒子受力平衡方程式為：

式中，u代表流體相速度；up代表顆粒速度；μ 代表流體動力黏度；ρ 代表流體密度；ρp代表顆粒密度；dp代表顆粒直徑；Re代表相對雷諾數(shù)；CD代表曳力系數(shù)；gx代表X方向重力加速度；Fx代表X方向的其他作用力。

除塵器壁面磨損是由顆粒與壁面發(fā)生碰撞造成的，是一個(gè)復(fù)雜的沖蝕磨損過程。在壁面和顆粒材料、顆粒濃度確定的情況下，磨損率取決于顆粒速度、撞擊頻率、撞擊角度、顆粒粒徑等。其數(shù)學(xué)形式為：

式中，Rerosion代表磨損速率；Nparticals代表單位面積碰撞的顆粒數(shù)目；m˙p代表顆粒質(zhì)量流率；C（dp）代表顆粒粒徑相關(guān)函數(shù)；α 代表顆粒與壁面碰撞的角度；f（α）代表與碰撞角度相關(guān)的函數(shù)；b（up）代表與顆粒碰撞速度相關(guān)的函數(shù)；AFace代表壁面計(jì)算單元面積。

2 模型建立與邊界條件設(shè)置

2.1 模型建立

基于擴(kuò)散式旋風(fēng)除塵器、標(biāo)準(zhǔn)比例式旋風(fēng)除塵器以及XCX 型單管長錐體旋風(fēng)除塵器三種不同的模型來進(jìn)行模擬計(jì)算，通過對比不同除塵器壁面磨損速率最大值來分析出最適合該工況下的模型。圖1 為不同除塵器的幾何模型。根據(jù)某大型船舶制造企業(yè)旋風(fēng)除塵器與濾筒除塵器總處理風(fēng)量數(shù)據(jù)得知，單個(gè)旋風(fēng)除塵器的處理風(fēng)量大約為10 000 m3/h。為保證實(shí)驗(yàn)條件的一致性，本文設(shè)定以上三種旋風(fēng)除塵器的處理風(fēng)量為9 000 m3/h。顆粒以大型船舶制造企業(yè)的鋼材預(yù)處理線旋風(fēng)除塵器和濾筒除塵器在一定時(shí)間內(nèi)捕集的粉塵作為實(shí)驗(yàn)樣本[14]，具體參數(shù)如表1 所示。

表1 粉塵樣本物理參數(shù)測試數(shù)據(jù)

圖1 除塵器幾何模型

2.2 網(wǎng)格劃分

使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對三種不同的旋風(fēng)除塵器進(jìn)行網(wǎng)格劃分。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的優(yōu)勢在于網(wǎng)格質(zhì)量更高、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單、計(jì)算收斂速度更快、更接近于實(shí)際工況等。三種不同旋風(fēng)除塵器的網(wǎng)格如圖2 所示。

圖2 三種旋風(fēng)除塵器的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分

2.3 邊界條件及數(shù)值計(jì)算模型

本文運(yùn)用流體力學(xué)仿真軟件Fluent 對旋風(fēng)除塵器模型邊界條件以及數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行設(shè)置，使用常溫空氣作為流場內(nèi)氣體流動介質(zhì)，空氣密度ρ=1.205 kg/m3。進(jìn)風(fēng)口類型設(shè)置為速度進(jìn)口，方向垂直于進(jìn)口面向除塵器內(nèi)部；頂部排氣管設(shè)置為壓力出口，根據(jù)實(shí)際以標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為其出口參數(shù)；底部排塵口以及所有壁面均設(shè)置為無滑移壁面。旋風(fēng)除塵器內(nèi)部的流動為氣固兩相耦合流動，顆粒相占比低于10%，屬于稀疏相，所以采用DPM 模型。進(jìn)風(fēng)口及頂部排風(fēng)口DPM 模型都設(shè)置escape，粒子流動速度設(shè)置為其相應(yīng)模型的進(jìn)風(fēng)口空氣流速。圓筒體壁面DPM 模型設(shè)置為reflect，認(rèn)為粒子到達(dá)圓錐體壁面和排灰口即完成捕集，所以排灰口和圓錐體壁面DPM 模型設(shè)置為trap。在Fluent 模型設(shè)置上，湍流模型采用適用于高旋流的Realizable k-ε模型；近壁面處理采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)；數(shù)值計(jì)算方法為非交錯(cuò)網(wǎng)格下的SIMPLEC 算法；離散格式中壓力插補(bǔ)格式采用Second order 格式；對流項(xiàng)均采用Second order Upwind 格式。

3 計(jì)算結(jié)果分析

圖3 為三種不同的旋風(fēng)除塵器z=0 截面速度云圖，從圖中可以看出，氣流速度沿著軸線呈現(xiàn)出明顯的軸對稱性。在圓柱筒體部分，氣流速度的最小值點(diǎn)與軸線中心重合。在擴(kuò)散式旋風(fēng)除塵器中，由于內(nèi)部擋板的作用，使的擋板下部分的氣流速度很小，且?guī)缀醪蛔儭Ｔ陂L錐體除塵器中，由于筒體直徑大于其他兩種，所以其最大速度明顯小于其他兩種除塵器。圖4 為三種不同的旋風(fēng)除塵器z=0 處的靜壓分布，從圖中可以看出，靜壓沿著徑向方向有著較好的對稱性，同時(shí)由于三種除塵器的結(jié)構(gòu)不同，靜壓的數(shù)值也有一定差異，但分布規(guī)律基本相同。圖5 為三種不同旋風(fēng)除塵器所追蹤到的粒子軌跡。擴(kuò)散式除塵器由于內(nèi)部擋板的作用，使得粒子到達(dá)擋板附近的壁面上即被捕集完成，故擋板下方幾乎沒有顆粒軌跡。由粒子運(yùn)動軌跡可知，進(jìn)入除塵器的大部分粒子都被捕集，但也存在少部分粒子從排風(fēng)管逃逸。圖6 為三種旋風(fēng)除塵器的沖蝕磨損云圖，由圖可看出，磨損區(qū)域一部分集中在頂面以下20 mm 范圍內(nèi)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是由于旋風(fēng)除塵器頂端的頂灰環(huán)（由于顆粒所受離心力、重力和曳力平衡時(shí)顆粒停留在某一位置做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動）現(xiàn)象，另一部分的分布規(guī)律大致呈螺旋狀分布。表2 為三種除塵器壁面磨損速率最大值比較。

表2 三種除塵器壁面磨損速率最大值比較

圖3 三種不同的旋風(fēng)除塵器z=0 處的速度分布

圖4 三種不同的旋風(fēng)除塵器z=0 處的靜壓分布

圖5 三種不同的旋風(fēng)除塵器粒子運(yùn)動軌跡

圖6 三種不同的旋風(fēng)除塵器沖蝕磨損云圖

4 結(jié)束語

本文通過建立三種不同的旋風(fēng)除塵器模型進(jìn)行模擬計(jì)算，分析計(jì)算結(jié)果得到其壁面磨損區(qū)域一部分集中在頂面以下20 mm 范圍內(nèi)，另一部分磨損在筒體大致呈螺旋狀分布。計(jì)算內(nèi)容能為大型船舶制造企業(yè)鋼材預(yù)處理線除塵器選型提供了理論依據(jù)，為除塵器壁面的防磨數(shù)值模擬提供了計(jì)算方法。