蜂窩式填料礦用除塵風(fēng)機(jī)的CFD模擬

宋凱 孫志坤 劉濤 趙子赫

【摘 要】針對(duì)日益嚴(yán)重的井下煤塵污染，自主設(shè)計(jì)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(jī)理及結(jié)構(gòu)組成，搭建了除塵器的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以便與后續(xù)的仿真模擬做對(duì)比。建立濕式蜂窩擾流濾芯除塵器的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)其進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，針對(duì)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(jī)的設(shè)計(jì)提供了參考。

【關(guān)鍵詞】濕式除塵 蜂窩擾流濾芯 CFD模擬

【Abstract】For the growing underground coal dust pollution， self-designed spoiler wet honeycomb filter dust collector. Introduce the mechanism and structure of the new machine ，bulid the experimental platform in order to compare with the result of the simulation.Bulid the mathematical model of cellular spoiler wet filter dust collector，and mesh it.，a variety of boundary conditions are analyzed， simulated turbulent flow chart energy and velocity distribution single-phase gas-phase， two-phase gas-liquid， gas-solid， provide a reference for the designing of the fan.

【Keyword】Wet dust，Honeycomb filler，CFD

隨著我國(guó)能源工業(yè)的不斷發(fā)展，煤礦開采的機(jī)械化程度也越來(lái)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(huì)使勞動(dòng)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(jī)、采煤機(jī)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。這就說(shuō)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(lái)，我國(guó)引進(jìn)了一些除塵設(shè)備，但是因?yàn)轶w積大，功耗高，無(wú)法適應(yīng)我國(guó)的井下環(huán)境。而國(guó)內(nèi)研制的一些除塵設(shè)備，因?yàn)榫滤|(zhì)、粉塵性質(zhì)等各種原因而無(wú)法在井下正常工作。因此，開發(fā)一種適于我國(guó)國(guó)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(jiǎn)介

為了有效去除空氣中的煤塵顆粒，本文提出并設(shè)計(jì)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(duì)于平板邊界層產(chǎn)生的擾動(dòng)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

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(guò)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(guò)蜂窩狀濾芯時(shí)，其中較大粒徑的粉塵顆粒會(huì)因?yàn)閼T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(guò)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(qiáng)化了渦團(tuán)間的作用，小顆粒的擴(kuò)散作用增強(qiáng)，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(shí)，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(zhǎng)。

1.電機(jī) 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(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖

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(chǎng)屬于稀相多相流，本文將采用歐拉—拉格朗日方法對(duì)濕式蜂窩擾流濾芯除塵器內(nèi)的多相流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬。其中先采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型對(duì)連續(xù)相氣流進(jìn)行模擬，再使用RSM對(duì)其進(jìn)行模擬，然后將模擬的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析；使用DPM模型對(duì)實(shí)驗(yàn)中的顆粒相進(jìn)行模擬，氣固相間采用速度與壓力的動(dòng)量耦合，并驗(yàn)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(jiǎn)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(duì)流場(chǎng)的影響；

（5）由于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為圓形截面，所以簡(jiǎn)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(yàn)證濕式蜂窩擾流濾芯除塵器除塵機(jī)理的正確性，根據(jù)理論模型搭建了實(shí)驗(yàn)用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的物理模型簡(jiǎn)化后，得到如以下模型，如下圖3所示。

圖3 濕式蜂窩擾流濾芯除塵器計(jì)算區(qū)域

對(duì)濕式蜂窩擾流濾芯除塵器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行簡(jiǎn)化后的模型劃分網(wǎng)格，劃分結(jié)果如圖4?？紤]到流管的對(duì)稱性，三維的模型可以通過(guò)有條件的簡(jiǎn)化，生成二維的數(shù)學(xué)模型。

a）整體網(wǎng)格的劃分 b）擾流濾芯附近網(wǎng)格劃分

圖4 濕式蜂窩擾流濾芯除塵器計(jì)算區(qū)域

（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、3.5 m/s、4.8 m/s、5.5 m/s、6.4m/s，方便與物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。同時(shí)假定進(jìn)風(fēng)口為均勻流速，且在除塵器內(nèi)部流場(chǎng)充分發(fā)展.

（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(wú)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(jī)軌道模型：

1）顆粒粒徑：實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)壁面，擾流柱壁面以及蜂窩擾流濾芯壁面時(shí)，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(duì)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：

a）k-ε b）RSM

圖5 湍動(dòng)能（uin=5.54m/s）

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

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(shí)，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(qiáng)度在1.60m2/s2左右的較強(qiáng)湍流。湍動(dòng)能的提升加劇了粉塵的湍流擴(kuò)散，促進(jìn)了除塵器內(nèi)部各相的混合接觸，對(duì)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(dú)的氣相流場(chǎng)模擬比較簡(jiǎn)單。相較于單獨(dú)的氣相流場(chǎng)，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：

a）k-ε b）RSM

圖6 湍動(dòng)能（uin=5.54m/s）

由圖8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/m?時(shí)，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(qiáng)度在1.60m2/s2左右的較強(qiáng)湍流。湍動(dòng)能的提升加劇了粉塵的湍流擴(kuò)散，促進(jìn)了除塵器內(nèi)部各相的混合接觸，對(duì)于提高除塵器的除塵效果起了積極的作用。

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(guò)程中，要始終保持噴水對(duì)蜂窩擾流濾芯內(nèi)壁表面的噴水過(guò)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(duì)氣液兩相也進(jìn)行了模擬，用以表明液氣比對(duì)流場(chǎng)的影響。

氣液兩相流氣相速度場(chǎng)的模擬結(jié)果如下：

a）速度場(chǎng)圖 b）擾流柱附近的速度場(chǎng)

圖7 加噴水的速度場(chǎng)

如圖9所示，濕式蜂窩擾流濾芯除塵器在噴淋過(guò)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(shuō)明，相較于無(wú)噴淋的速度場(chǎng)，在氣液兩相流場(chǎng)中氣液兩相發(fā)生強(qiáng)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(guò)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(méi)有降低。但是從降低消耗，節(jié)約能源的角度來(lái)說(shuō)，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(lái)考慮提高捕集粉塵顆粒的效率。

4結(jié)語(yǔ)

本章采用計(jì)算流體動(dòng)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(duì)除塵器內(nèi)空氣的流動(dòng)特性進(jìn)行了模擬，得出以下結(jié)論。

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

（2）模擬氣固兩相流過(guò)程中假定入口風(fēng)速5.54m/s，空氣含塵濃度9g/m?，采用了RSM和DPM模型，分別對(duì)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(guò)擾流柱后，在擾流柱后發(fā)生凝聚或者因?yàn)閿U(kuò)散效應(yīng)而被蜂窩擾流濾芯器壁表面水膜被捕獲。同時(shí)經(jīng)過(guò)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/m?時(shí)，對(duì)除塵器內(nèi)部流場(chǎng)的氣液兩相流進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果說(shuō)明，噴水液滴對(duì)于流場(chǎng)有著整流的作用，使得蜂窩擾流濾芯內(nèi)部的湍流相對(duì)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(jí)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。

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