離心除塵風(fēng)機(jī)收塵過程數(shù)值模擬分析與預(yù)測(cè)

李元祥，陳俊冬，張明星，石 巖，陳海焱

(西南科技大學(xué)a.環(huán)境與資源學(xué)院;b.工程技術(shù)中心，四川 綿陽 621010)

引言

離心通風(fēng)機(jī)是一種應(yīng)用廣泛的通用機(jī)械［1］，25%以上的離心風(fēng)機(jī)不可避免地要輸送含塵氣體［2］，因此可以考慮利用風(fēng)機(jī)葉輪產(chǎn)生的離心力進(jìn)行氣固兩相分離而達(dá)到除塵的目的。離心除塵風(fēng)機(jī)是對(duì)離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造而成，集除塵、通風(fēng)于一體，具有通用性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊和低功率消耗等優(yōu)點(diǎn)［3］，用在礦井，工業(yè)鍋爐和化工流程等領(lǐng)域通風(fēng)時(shí)的預(yù)除塵階段，能有效減小后續(xù)除塵設(shè)備的體積，部分解決現(xiàn)有除塵設(shè)備體積較大，受礦井空間、工業(yè)廠房占地限制的問題。

離心除塵風(fēng)機(jī)的研發(fā)尚處于初步階段，在蝸殼上所開的出灰孔是將固相顆粒與氣體分離的必經(jīng)通道，O.A.Troshkin等人研究的離心除塵風(fēng)機(jī)對(duì)特定粉塵除塵效率可達(dá)70%［3］，但其在蝸殼上同時(shí)開多個(gè)出灰孔，孔與孔會(huì)相互影響，不能測(cè)試出蝸殼上哪些位置適合開孔。鄧廣發(fā)［4］、郭宏偉［5］等人的實(shí)驗(yàn)同樣不能評(píng)估出適合開孔的位置。潘海波等人僅對(duì)未經(jīng)改造的原始風(fēng)機(jī)進(jìn)行了二維數(shù)值模擬［6］，其模擬結(jié)果不能反映出粒子在三維空間內(nèi)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡，并且沒有對(duì)離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行開出灰孔數(shù)值模擬，而至今尚未有人模擬原始風(fēng)機(jī)被改造成有出灰孔的除塵風(fēng)機(jī)后，顆粒在風(fēng)機(jī)內(nèi)部三維空間的運(yùn)動(dòng)情況。

為與鄭娟［7］等人開發(fā)的流量Q=4000 m3/h的復(fù)合式小型高效濾筒除塵器聯(lián)用，選擇常溫設(shè)計(jì)參數(shù)為流量Q=5000 m3/h，全壓P=2900 Pa的5-51NO4.5A離心風(fēng)機(jī)作研究對(duì)象，應(yīng)用Fluent軟件對(duì)此風(fēng)機(jī)進(jìn)行三維氣固兩相流數(shù)值模擬，通過模擬不同粒徑粉塵顆粒在原始風(fēng)機(jī)蝸殼內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡，初步推測(cè)在蝸殼上開出灰孔時(shí)的除塵規(guī)律，然后模擬包裹上除塵箱體，在蝸殼上開單個(gè)平口出灰孔且孔位置變化時(shí)的顆粒軌跡，對(duì)比開孔前后顆粒軌跡的異同，再結(jié)合對(duì)各單孔除塵效率模擬值的分析及已有研究，對(duì)推測(cè)進(jìn)行論證并得出結(jié)論，從而給更合理的設(shè)計(jì)離心除塵風(fēng)機(jī)提供依據(jù)與指導(dǎo)。

1 顆粒在原風(fēng)機(jī)蝸殼內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡模擬

1.1 模型建立

使用Gambit建立5-51型離心風(fēng)機(jī)幾何模型，將要模擬的整機(jī)劃分為入口體、葉輪體和蝸殼體3個(gè)大的部分，根據(jù)風(fēng)機(jī)模型畫網(wǎng)格的需要，分成不同的子區(qū)域，再依據(jù)各個(gè)子區(qū)域具體情況采用不同形狀、大小的網(wǎng)格，包括被延長的進(jìn)出口管道，全風(fēng)機(jī)一共劃分為280多萬個(gè)網(wǎng)格。

采用Fluent軟件中的MRF(moving reference frame)多重參考坐標(biāo)系，選用k-ε標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型，使用固相顆粒分散相模型(Discrete Phase Model)，考慮了重力，壁面采用無損失碰撞條件。

模擬風(fēng)機(jī)的工況參數(shù)為:轉(zhuǎn)速R=2900 r/min，流量Q=5000 m3/h，全壓P=2900 Pa。入口直徑為400 mm，故設(shè)入口流速為11.06 m/s，殘差精度設(shè)置為10-6。單相空氣流場計(jì)算收斂后，從入口面加入等量單一粒徑的球形理想顆粒計(jì)算其運(yùn)動(dòng)軌跡，粉塵顆粒真密度ρ=2.23 g/cm3，粒徑每間隔10μm取一組，區(qū)間為10～180 μm。

1.2 計(jì)算結(jié)果及分析

截取具有代表性的直徑分別為20μm、50μm和120μm的粉塵顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡如圖1、圖2所示。

圖1 原風(fēng)機(jī)電機(jī)側(cè)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡

圖2 原風(fēng)機(jī)側(cè)面直徑120μm顆粒軌跡云圖

由圖1、圖2可知不同粒徑顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡共性是:顆粒從入口面被釋放后，受氣流作用力而加速，通過被延長的進(jìn)口管道與集流器進(jìn)入葉輪，速度方向開始由軸向到徑向轉(zhuǎn)變，固相顆粒被葉輪內(nèi)的旋轉(zhuǎn)氣流夾帶著隨機(jī)進(jìn)入任意角度的葉輪流道，再從葉輪任意角度的邊緣被甩出繼而流向蝸殼的蝸板，從蝸殼螺旋線前方位置流出的粉塵受氣流作用沿著螺旋線延伸方向前進(jìn)，與后方位置流出的粉塵匯合，流向風(fēng)機(jī)出口。

軌跡差異:由圖1a知，粒徑較小的顆粒質(zhì)量輕，較多的表現(xiàn)出“流體”的特性，運(yùn)動(dòng)跡線接近于氣體流線，甚至有一部分顆粒不與葉輪軸盤、葉輪前后蓋以及葉片發(fā)生碰撞，粒徑較小的顆粒從葉輪流道流出后以加速度2 rw向蝸殼壁運(yùn)動(dòng)，碰撞蝸殼壁后反彈幅度較小，而受離心運(yùn)動(dòng)的氣流外排作用影響較大，導(dǎo)致粒徑小的粉塵比粒徑大的粉塵更容易向蝸殼壁集中;由圖1c與圖2知，粒徑較大的顆粒更多的表現(xiàn)出“粒子”特性，隨氣流流動(dòng)的趨勢(shì)減弱，可以顯著的觀察到顆粒偏離氣流運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，粒徑較大的顆粒易與葉輪部件發(fā)生碰撞，到達(dá)蝸殼壁后反彈幅度較大，在離心力，氣流與重力的共同作用下與蝸殼壁發(fā)生多次碰撞和反彈，從而不易向蝸殼壁集中;由圖1b知，中間粒徑的顆粒，其運(yùn)動(dòng)軌跡兼具粒徑較小顆粒的“流體”特性與粒徑較大顆粒的“粒子”特性。

基于顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的共性和差異，推測(cè)在蝸殼上開平口出灰孔時(shí)所選風(fēng)機(jī)應(yīng)具有的除塵規(guī)律如下:

(1)形貌相同的同種粉塵顆粒，粒徑大小不同則運(yùn)動(dòng)軌跡不同，粒徑大小可能對(duì)顆粒能否被有效除去影響較大。

(2)蝸殼上部靠近蝸舌的地方，只有少量從蝸殼內(nèi)回流的粉塵和從該處葉輪流道流出的粉塵經(jīng)過，在蝸舌附近位置開出灰孔不合理。

(3)來自蝸殼上部的粉塵顆粒沿著螺旋線延伸方向前進(jìn)，匯聚于蝸殼下部，可能在蝸殼下部開出灰孔較為合理。

(4)較多的粉塵顆粒離開風(fēng)機(jī)時(shí)經(jīng)過蝸殼螺旋線與風(fēng)機(jī)出口外側(cè)直線交匯處附近，具體位置如圖3標(biāo)號(hào)為7的開孔所示，在此處開出灰孔可能會(huì)取得較好的除塵效果。

(5)如果推測(cè)(2)、(3)、(4)正確，那么在蝸殼上只開一個(gè)出灰孔，并且當(dāng)這個(gè)開孔的位置從蝸舌開始沿著蝸殼螺旋線延伸方向變化時(shí)，則此單孔的除塵效率應(yīng)近似呈現(xiàn)依次增大的趨勢(shì)。

為進(jìn)一步確認(rèn)推測(cè)結(jié)果的正確與否，對(duì)離心除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行單孔收塵數(shù)值模擬。

圖3 電機(jī)側(cè)蝸殼開孔示意圖

2 蝸殼上開單孔時(shí)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡模擬

2.1 七個(gè)模型的建立

如圖3示意，在風(fēng)機(jī)外部包裹上除塵箱體，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)以及上述原始風(fēng)機(jī)模擬的結(jié)果，沿著蝸殼螺旋線90°～360°，采用國內(nèi)文獻(xiàn)中較為簡單的直接開孔法，在不同位置布置7個(gè)等尺寸的出灰孔，命名開孔邊界條件全部為wall類型，然后劃分網(wǎng)格，約用570多萬個(gè)網(wǎng)格。將模型劃分完畢后，導(dǎo)入fluent中設(shè)置計(jì)算參數(shù)，并將1號(hào)孔邊界條件wall類型改為interior類型，讓流體及顆粒通過，其他六個(gè)孔不變，重新保存cas以及dat文件。依次分別對(duì)2～7號(hào)孔重復(fù)1號(hào)孔的作法，得到其余6個(gè)cas以及dat文件，這樣相當(dāng)于等效的作出7個(gè)孔位置不同的單孔模型。因?yàn)檫@7個(gè)模型均由一個(gè)初始模型生成，網(wǎng)格完全相同，有效避免了網(wǎng)格不同造成計(jì)算結(jié)果誤差的可能。

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

空氣流場的計(jì)算結(jié)果表明，開單孔時(shí)風(fēng)機(jī)的全壓比未開孔時(shí)小20～100 Pa，相較原風(fēng)機(jī)2900 Pa的全壓，可以忽略。鄧廣發(fā)、郭宏偉等人的實(shí)驗(yàn)表明離心風(fēng)機(jī)蝸殼上所開的出灰孔基本不影響風(fēng)機(jī)的風(fēng)量與全壓［4］，郁惟昌［8］、劉春霞［9］等人研究表明后向離心風(fēng)機(jī)無蝸殼時(shí)全壓下降相對(duì)值為16%～29%，而本文在風(fēng)機(jī)蝸殼上僅開一個(gè)平口孔，對(duì)風(fēng)機(jī)性能產(chǎn)生的影響理應(yīng)較小，因此可以判斷數(shù)值模擬的結(jié)果與實(shí)際相符。

定義顆粒逸出率:從風(fēng)機(jī)出口流出的粉塵顆粒數(shù)與加入風(fēng)機(jī)的顆粒數(shù)之比，則除塵效率可相應(yīng)的定義:逸出率。設(shè)置合適的計(jì)算步長，分別等量加入直徑為20μm，50μm，120μm單一粒徑的球形粉塵顆粒，統(tǒng)計(jì)得出以上7個(gè)模型對(duì)應(yīng)的共7個(gè)單孔的顆粒逸出率近似值，換算為除塵效率，用origin軟件處理如圖4所示。

圖4 各單孔除塵效率模擬值

截取開6號(hào)孔且與圖1方位對(duì)應(yīng)時(shí)的電機(jī)側(cè)直徑20μm、50μm、120μm粉塵顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5所示，開3號(hào)孔時(shí)風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)側(cè)直徑20μm顆粒軌跡如圖6所示。

由圖5與圖1對(duì)比可知，三種粒徑的顆粒在風(fēng)機(jī)蝸殼內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡較之未開孔前各自無變化，這表明1.2節(jié)的推測(cè)成立。由如圖4知:直徑20μm的粉塵顆粒各出灰孔除塵效率均不高，其中1～5號(hào)孔呈上升趨勢(shì)，6、7號(hào)兩開孔低于5號(hào)開孔，但高于1、2、3號(hào)開孔;直徑50 μm的顆粒各孔除塵效率呈較明顯的依次上升趨勢(shì);直徑120μm的顆粒各孔除塵效率也都不高，除1號(hào)孔外，其余孔略高于直徑20μm的顆粒。這些與1.2節(jié)的推測(cè)不完全一致，具體分析如下:

圖5 6號(hào)孔電機(jī)側(cè)顆粒軌跡

圖6 3號(hào)孔風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)側(cè)直徑20μm顆粒軌跡

如圖5a與圖6所示，直徑20μm的顆粒基本沿著蝸殼螺旋線運(yùn)動(dòng)，很容易通過出灰孔流入除塵箱體內(nèi)，由于受重力影響較小，氣流跟隨性強(qiáng)，一部分顆粒在氣流漩渦帶動(dòng)下又很容易反向通過出灰孔逸出除塵箱體，不能被捕集，從而導(dǎo)致各孔對(duì)直徑20μm的顆粒除塵效率都較低。觀察圖1a與圖5a可知，直徑20μm的顆粒，其運(yùn)動(dòng)軌跡在1～5號(hào)孔位置時(shí)緊貼著蝸殼壁，除塵效率呈上升趨勢(shì)符合1.2節(jié)相關(guān)推測(cè)，但是部分顆粒軌跡在靠近6、7兩孔時(shí)，只平行于蝸殼壁而不發(fā)生觸碰，導(dǎo)致流入6、7兩孔的粉塵增量較小，再者顆粒從6、7兩開孔逸出的方向與氣流方向基本相同，從而更容易被氣流“誘導(dǎo)”發(fā)生反向逸出，因此6、7號(hào)孔除塵效率低于5號(hào)孔。流經(jīng)6、7兩開孔的粉塵量大于1、2、3號(hào)開孔，故除塵效率也高于這幾個(gè)孔。郭宏偉［5］等人開的出灰孔與本文原理相似，其用密度較輕的面粉得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也較好的符合了直徑20μm的理想顆粒表現(xiàn)出的除塵規(guī)律。因此，顆粒反向逸出出灰孔制約了氣流跟隨性強(qiáng)的粉塵除塵效率的提高，擾亂了各孔除塵效率所應(yīng)呈現(xiàn)的規(guī)律。

如圖5b，直徑50μm的顆粒雖然有較輕微的“觸壁”反彈現(xiàn)象，但是運(yùn)動(dòng)軌跡依然基本沿著蝸殼螺旋線，進(jìn)入除塵箱體也比較容易，相對(duì)直徑20μm的顆粒而言，受自身重力影響較大，氣流跟隨性較弱，不容易被氣流攜帶反向通過出灰孔逸出除塵箱體，故與1.2節(jié)的推測(cè)符合的較好。

如圖5c，直徑120μm的顆粒進(jìn)入除塵箱體后，受自身重力影響相對(duì)更大，更不易逸出除塵箱體，但是其在風(fēng)機(jī)蝸殼內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，“觸壁”反彈現(xiàn)象非常嚴(yán)重，運(yùn)動(dòng)軌跡被蝸殼螺旋線與葉輪約束而呈折線型，顆粒進(jìn)入除塵箱體的概率相對(duì)較低，故最終表現(xiàn)為除塵效率低于直徑50μm的顆粒。

需要指出的是:因?yàn)閷?shí)際上的碰撞不可能是理想的剛體碰撞，所以除去彈性非常好的顆粒，一般粉塵顆粒無論粒徑大小，其反彈幅度均不會(huì)像粒徑120μm的理想顆粒那么大，從而觸壁反彈對(duì)除塵效率的影響可以忽略;當(dāng)開平口出灰孔時(shí)，形貌相同的同種粉塵顆粒，粒徑較大的受離心力較大，能更快地到達(dá)蝸殼壁然后通過出灰孔進(jìn)入除塵箱體，由于自重較大，相對(duì)不易反向逸出，從而除塵效率相對(duì)較高［4-6］，除塵規(guī)律也應(yīng)類似于直徑50μm的顆粒。

為更進(jìn)一步確保1.2節(jié)推測(cè)的正確性，加入“觸壁”反彈程度小于120μm的直徑為70μm、90μm的顆粒，統(tǒng)計(jì)其除塵效率也很好的支持了1.2節(jié)的推測(cè)。

3 結(jié)論

根據(jù)模擬結(jié)果及已有研究完善并提煉1.2節(jié)推測(cè)，當(dāng)開平口出灰孔時(shí)，對(duì)于一般粉塵:

(1)氣流跟隨性強(qiáng)的粉塵顆粒被氣流攜帶反向逸出出灰孔制約了除塵效率的提高。

(2)形貌相同的同種粉塵顆粒，粒徑較大的除塵效率較高。

(3)當(dāng)能有效抑制“反向逸出”時(shí)，沿著蝸殼螺旋線位置變化著的單孔，其除塵效率近似呈依次增大的趨勢(shì)。

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