徑向直葉片風(fēng)機(jī)三相除塵數(shù)值模擬

趙海鳴, 謝 信, 廖小樂, 夏毅敏

(1.中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,湖南 長沙 410083; 2.中南大學(xué) 高性能復(fù)雜制造國家重點實驗室,湖南 長沙 410083)

徑向直葉片風(fēng)機(jī)三相除塵數(shù)值模擬

趙海鳴1,2, 謝 信1, 廖小樂1, 夏毅敏1,2

(1.中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,湖南 長沙 410083; 2.中南大學(xué) 高性能復(fù)雜制造國家重點實驗室,湖南 長沙 410083)

文章利用Fluent流體仿真軟件在歐拉坐標(biāo)系中采用Realizable κ-ε湍流模型描述徑向直葉片風(fēng)機(jī)的氣相湍流流動,在拉格朗日坐標(biāo)系中采用離散相模型(discrete phase model,DPM)描述徑向直葉片風(fēng)機(jī)的粉塵與液滴的運(yùn)動,同時考慮氣、液、固三相之間的耦合關(guān)系,基于Euler/DPM/DPM模型對風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬。計算結(jié)果表明,風(fēng)機(jī)的氣相流場較為復(fù)雜,具有強(qiáng)旋流特點;液滴相在風(fēng)機(jī)葉輪的強(qiáng)烈擾動作用力下充滿整個風(fēng)機(jī);大中粒徑的固體顆粒基本被風(fēng)機(jī)葉片上水膜捕捉,而小粒徑的顆粒一部分被風(fēng)機(jī)葉片捕捉或被甩到風(fēng)機(jī)蝸殼壁面而被其上的水膜捕集,另一部分則會從風(fēng)機(jī)出口逃逸。通過將數(shù)值計算結(jié)果與實驗值進(jìn)行對比,驗證了三相流模型用于模擬風(fēng)機(jī)內(nèi)部三相流動的可行性與準(zhǔn)確性,該模型可用于進(jìn)一步研究運(yùn)行參數(shù)對風(fēng)機(jī)除塵效率的影響及風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

Fluent軟件;徑向直葉片風(fēng)機(jī);歐拉坐標(biāo)系;離散相模型(DPM);數(shù)值模擬

0 引 言

濕式除塵器因具有較好的除塵效果而在工業(yè)上應(yīng)用廣泛[1],風(fēng)機(jī)作為濕式除塵器的動力源,是除塵系統(tǒng)中必不可少的關(guān)鍵設(shè)備。傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)僅為除塵系統(tǒng)中的氣流提供動力,不能參與除塵,并且為了減少風(fēng)機(jī)葉輪的磨損,將其安裝在濕式除塵器的出口位置。但由于濕式除塵器排出的煙氣帶水,容易引起風(fēng)機(jī)葉輪粘灰并嚴(yán)重腐蝕風(fēng)機(jī)葉片[2]。近年來,新型的高效濕式除塵器[3]采用了專門設(shè)計的徑向直葉片風(fēng)機(jī),其特殊的葉輪設(shè)計可直接參與除塵,解決了傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)怕水、怕塵的難題。利用徑向直葉片風(fēng)機(jī)除塵是對濕式除塵的一大創(chuàng)新,其具有除塵效率高、可靠性高、免維護(hù)等突出優(yōu)點。徑向直葉片風(fēng)機(jī)因為兼有送風(fēng)和除塵2種功能,所以既可用于隧道掘進(jìn)施工中通風(fēng)除塵,也可與其他裝置組成新型的高效濕式除塵器參與除塵,相比于傳統(tǒng)的通風(fēng)機(jī),其具有更廣泛的適用性。

濕式風(fēng)機(jī)除塵的過程為復(fù)雜的氣、液、固三相湍流流動,實驗測量內(nèi)部流場非常困難,而隨著計算流體力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)技術(shù)的發(fā)展,則可以較好地模擬復(fù)雜流場。文獻(xiàn)[3]運(yùn)用數(shù)值模擬的方法研究了徑向直葉片風(fēng)機(jī)的氣相及氣固兩相流動;文獻(xiàn)[4]對采用徑向直葉片風(fēng)機(jī)的濕式除塵器進(jìn)行了氣、固兩相流分離特性的研究。前期專家學(xué)者對徑向直葉片風(fēng)機(jī)的研究主要為氣相流場以及氣固兩相流場,而該風(fēng)機(jī)內(nèi)部氣、液、固三相流場對其性能有重要影響,運(yùn)用CFD技術(shù)建立徑向直葉片風(fēng)機(jī)三相流數(shù)值模型并對其內(nèi)部三相流場展開研究顯得十分必要。近年來,國內(nèi)外學(xué)者提出的三相流動模型有擬均相模型[5]、三流體模型[6]、歐拉-離散相模型(discrete phase model,DPM)[7-9]等,其中前2種模型能合理地考慮氣、液、固三相之間的相互作用,但將固體顆粒視為擬流體,與其分散性的本質(zhì)特點相違背;歐拉-離散相模型針對氣、液、固各相流動的特點,采用Euler-Lagrange方法,在Euler坐標(biāo)系中描述連續(xù)相的運(yùn)動,在Lagrange坐標(biāo)系中描述離散相的運(yùn)動,同時考慮離散相與連續(xù)相之間的耦合作用,該模型能夠較好地模擬多相流動,模擬結(jié)果與實驗結(jié)果基本吻合。本文在 Fluent中將徑向直葉片風(fēng)機(jī)內(nèi)氣體相視為連續(xù)相，在Euler坐標(biāo)系下計算其流場,而將粉塵顆粒和液滴視為離散相，在Lagrange坐標(biāo)下描述其運(yùn)動軌跡,同時考慮顆粒相與連續(xù)相間的耦合作用,運(yùn)用Euler/DPM/DPM模型研究風(fēng)機(jī)的三相流場；并將數(shù)值計算結(jié)果與實驗測定值進(jìn)行對比,驗證模型對濕式風(fēng)機(jī)三相流場計算的可行性與準(zhǔn)確性,為進(jìn)一步優(yōu)化徑向直葉片風(fēng)機(jī)提供依據(jù)。

1 物理模型及參數(shù)

徑向直葉片風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.風(fēng)機(jī)入口 2.霧化噴嘴 3.蝸殼 4.葉片 5.葉輪 6.風(fēng)機(jī)出口

徑向直葉片風(fēng)機(jī)采用開式的葉輪設(shè)計,無前后輪盤,而將葉片直接焊接在輪盤上。無前后輪盤的葉輪結(jié)構(gòu)既可以防止泥漿的黏結(jié),又利于在葉片上噴涂耐磨涂層,提高葉片的耐磨性。徑向直葉片風(fēng)機(jī)入口處安裝有霧化噴嘴,其噴射的霧化液滴同含塵氣體一同進(jìn)入風(fēng)機(jī)內(nèi)部,在高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)機(jī)葉輪作用下,液滴與粉塵劇烈碰撞、凝聚,使粉塵被水捕捉,干凈氣體和污水從風(fēng)機(jī)出口排出。

本文所研究的徑向直葉片風(fēng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1所列。

表1 徑向直葉片風(fēng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 數(shù)值計算模型

2.1 氣相湍流輸運(yùn)方程

數(shù)值計算常用的湍流模型有Standardκ-ε模型、RNGκ-ε模型、Realizableκ-ε模型和RSM模型。其中RNGκ-ε模型與Realizableκ-ε模型是Standardκ-ε模型的改進(jìn),可以更好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動;RSM模型考慮了各向異性效應(yīng),包含更多的物理機(jī)理,應(yīng)用范圍更廣,但由于方程間強(qiáng)耦合性,收斂稍差,且計算量大,對計算機(jī)要求高[10]。

徑向直葉片風(fēng)機(jī)內(nèi)部為復(fù)雜的高速旋轉(zhuǎn)的湍流流場,旋轉(zhuǎn)效應(yīng)顯著。已有研究[11]表明,Realizable κ-ε模型能夠較好地模擬風(fēng)機(jī)的氣動特性,因此本文采用Realizable κ-ε湍流模型對風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流場進(jìn)行模擬。

Realizable κ-ε湍流模型的輸運(yùn)方程[12]如下:

(1)

(2)

其中,ρ為流體密度;xi、xj為各坐標(biāo)分量;σκ、σε為湍動能κ和耗散率ε的湍流普朗特數(shù);Gk為由平均速度梯度所產(chǎn)生的湍動能;Gb為由浮力影響所產(chǎn)生的湍動能;YM為可壓縮湍動脈動膨脹對總的耗散率的影響;μ為分子黏性系數(shù);μt為湍流黏性系數(shù);Sκ和Sε為用戶針對該模型所自定義的源項。

2.2 離散相顆粒運(yùn)動控制方程

在徑向直葉片風(fēng)機(jī)中,粉塵顆粒與液滴的體積相對于氣體相所占的比例遠(yuǎn)小于10%,因此對粉塵顆粒與液滴采用離散相模型描述,該模型便于模擬顆粒相的復(fù)雜運(yùn)動軌跡,并且可以免去計算中的偽擴(kuò)散[13]。

離散相(包括粉塵顆粒、液滴顆粒)的作用力平衡方程[14]在直角坐標(biāo)系下(x方向)為:

(3)

其中,Fd為顆粒的單位質(zhì)量曳力,表達(dá)式為:

(4)

其中,m為單顆粒質(zhì)量;u為氣相速度;up為顆粒速度;ρ為空氣密度;ρp為顆粒密度;μ為空氣動力黏度;dp為顆粒直徑;CD為阻力系數(shù);Rep為相對雷諾數(shù)(顆粒雷諾數(shù));Fx為其他作用力。

2.3 離散相與連續(xù)相耦合方程

徑向直葉片風(fēng)機(jī)內(nèi)部的粉塵顆粒與液滴會影響氣體相湍流的分布,模擬中要考慮離散相與連續(xù)相之間有相互作用,在DPM中粉塵顆粒、液滴與氣體相的作用[15]可表示為:

(5)

2.4 網(wǎng)格劃分及模型簡化

采用Solidworks和GAMBIT對徑向直葉片風(fēng)機(jī)進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分。為了模擬風(fēng)機(jī)實際運(yùn)行中帶有負(fù)載以及便于與實驗值對比,將風(fēng)機(jī)進(jìn)出口分別加上進(jìn)口管與出口管,并將風(fēng)機(jī)網(wǎng)格模型分為進(jìn)口管、葉輪區(qū)、蝸殼區(qū)、出口管4個區(qū)域。由于濕式風(fēng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及流動狀況復(fù)雜,對其采用四面體網(wǎng)格的Tgrid非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方法,并對葉輪區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格加密。為了數(shù)值計算的準(zhǔn)確性,對網(wǎng)格進(jìn)行了無關(guān)性驗證,最終得到模型網(wǎng)格總數(shù)約為1.54×106,質(zhì)量小于0.66的數(shù)量超過99%，網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 徑向直葉片風(fēng)機(jī)網(wǎng)格模型

由于徑向直葉片風(fēng)機(jī)內(nèi)部三相除塵過程較為復(fù)雜,其內(nèi)部流動包括氣相湍動與輸運(yùn)、多相流動與液滴蒸發(fā)、液體包裹粉塵捕集、粉塵碰壁捕集、液滴的霧化、破碎與凝并等。若對上述過程進(jìn)行全部模擬,則使數(shù)值計算過程極為復(fù)雜,也不能達(dá)到預(yù)期的效果,因此本文特做如下假設(shè)與簡化:

(1) 氣體相視為不可壓縮的流體。

(2) 假設(shè)粉塵、液滴為惰性球體。

(3) 不考慮顆粒間的破碎及聚并。

(4) 不考慮粉塵與液滴之間的傳質(zhì)與傳熱。

2.5 邊界條件

為便于將仿真結(jié)果與實驗測量值進(jìn)行對比,風(fēng)機(jī)的邊界條件與實驗裝置一致,數(shù)值計算所加入的粉塵與液滴顆粒粒徑及其分布(顆粒粒徑服從Rosin-Rammler分布[3,16])均與實驗條件一致,邊界條件計算參數(shù)見表2所列。

表2 邊界條件計算參數(shù)

2.6 流場計算

運(yùn)用商用CFD軟件Fluent14.5版本對徑向直葉片風(fēng)機(jī)三維流場進(jìn)行定常數(shù)值計算。首先對氣相湍流流場進(jìn)行求解,湍流模型采用Realizableκ-ε雙方程模型及Standrad Wall Function壁面函數(shù);壓力速度耦合采用SIMPLE算法,動量方程的離散格式采用一階迎風(fēng)格式,能量方程和湍流耗散方程的離散格式采用二階迎風(fēng)格式;葉輪區(qū)域設(shè)為旋轉(zhuǎn)區(qū),采用多參考系模型,旋轉(zhuǎn)區(qū)與靜止區(qū)通過Interface面連接;收斂殘差為10-4。氣相流場計算收斂后加入粉塵與液滴顆粒相,交替求解連續(xù)相與離散相的控制方程,直至兩者均收斂。流場計算收斂后采用CFD-POST專業(yè)流體后處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析。

3 實驗裝置及方法

為了驗證數(shù)值模擬的可靠性,本文建立了徑向直葉片風(fēng)機(jī)的實驗裝置,如圖3所示,其可以測試風(fēng)機(jī)的氣動特性及除塵效率。實驗裝置按文獻(xiàn)[17-18]的規(guī)定進(jìn)行設(shè)計。為了測量的準(zhǔn)確性及模擬風(fēng)機(jī)在實際使用中進(jìn)出口均帶有負(fù)載管道的情況,風(fēng)機(jī)的實驗裝置采用標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的D型測試管道。出口管道安裝有ISO文丘里噴管用于測定流量,U型壓力計測量不同管道截面處的壓力值,末端安裝的節(jié)流閥可以調(diào)節(jié)管道的阻力大小,粉塵濃度儀用于測量風(fēng)機(jī)進(jìn)出口的粉塵濃度,并將實驗中測試點所測數(shù)據(jù)按標(biāo)準(zhǔn)中給出的方法計算出風(fēng)機(jī)的全壓值及除塵效率。

圖3 徑向直葉片風(fēng)機(jī)實驗裝置

4 結(jié)果分析及模型驗證

4.1 氣相湍流計算結(jié)果驗證

當(dāng)風(fēng)機(jī)氣相流場在標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速1 500 r/min時數(shù)值計算收斂后得到風(fēng)機(jī)的流量及全壓值,進(jìn)一步調(diào)整出口邊界的阻力系數(shù),模擬風(fēng)機(jī)負(fù)載的變化,得到風(fēng)機(jī)的氣動特性曲線。將其與相同條件下實驗所測得的數(shù)值進(jìn)行對比,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，本文所選的Realizableκ-ε流動計算模型能有效地預(yù)測風(fēng)機(jī)內(nèi)氣相的流動過程。單相湍流模型對徑向直葉片風(fēng)機(jī)內(nèi)氣相流動過程的準(zhǔn)確預(yù)測是三相流場及除塵效率數(shù)值計算準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)。

圖4 風(fēng)機(jī)氣動特性模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的對比

4.2 三相流場計算結(jié)果分析及驗證

徑向直葉片風(fēng)機(jī)在轉(zhuǎn)速1 500 r/min時的三相流場計算穩(wěn)定后,得出風(fēng)機(jī)z=0截面的氣體相速度矢量圖與壓力云圖,如圖5所示。由圖5可知,風(fēng)機(jī)葉輪的高速旋轉(zhuǎn)作用下,在葉片的根部附近產(chǎn)生較大負(fù)壓,將氣體由軸向吸入;氣體進(jìn)入風(fēng)機(jī)蝸殼后,在葉輪的作用力下發(fā)生繞流,由軸向運(yùn)動轉(zhuǎn)為徑向運(yùn)動進(jìn)入葉道內(nèi);風(fēng)機(jī)葉片對氣體做功,使其產(chǎn)生較大周向加速度,氣體動壓能增加,靜壓能也增加;氣體在葉輪的頂端速度達(dá)到最大值,并在離心力的作用下離開葉輪,并沿蝸殼內(nèi)壁面作強(qiáng)旋流流動,氣體的部分動能會在蝸殼內(nèi)轉(zhuǎn)為靜壓能,最終從風(fēng)機(jī)出口流出;同時,風(fēng)機(jī)內(nèi)氣流流動存在局部的漩渦并在蝸舌處存在回流。綜上所述,風(fēng)機(jī)的流場較為復(fù)雜,其內(nèi)部的強(qiáng)旋流場特點對風(fēng)機(jī)的除塵較為有利。

圖5 風(fēng)機(jī)z=0截面速度矢量和壓力云圖

徑向直葉片風(fēng)機(jī)內(nèi)液滴顆粒的運(yùn)動軌跡如圖6如示。

由圖6可知,霧化液滴在進(jìn)入風(fēng)機(jī)蝸殼后,受氣流場所的影響產(chǎn)生周向的加速,與葉輪發(fā)生碰撞,并在風(fēng)機(jī)葉輪強(qiáng)剪切力及離心力的作用下進(jìn)一步破碎成細(xì)微液滴,進(jìn)而被甩向蝸殼壁面,最終凝聚成水流從風(fēng)機(jī)出口處流出。

在風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中,液滴顆粒會在葉輪的強(qiáng)力擾動作用下充滿整個風(fēng)機(jī),這對風(fēng)機(jī)的除塵極為有利。

圖6 液滴在風(fēng)機(jī)內(nèi)的運(yùn)動軌跡

不同粒徑粉塵顆粒在徑向直葉片風(fēng)機(jī)內(nèi)的運(yùn)動軌跡如圖7如示。

圖7 不同粒徑粉塵顆粒的運(yùn)動軌跡

由圖7可知,進(jìn)入風(fēng)機(jī)內(nèi)的大、中粒徑粉塵顆粒大部分會直接撞到風(fēng)機(jī)葉輪上而被其上的水膜捕捉,其余部分會在離心力的作用下被甩至風(fēng)機(jī)蝸殼表面而被捕捉;小粒徑顆粒跟隨氣體流動性很強(qiáng),不容易與風(fēng)機(jī)葉輪及蝸殼壁面發(fā)生碰撞,其中一部分顆粒將沿蝸殼方向從風(fēng)機(jī)出口逃逸;隨著顆粒粒徑的減小,其在風(fēng)機(jī)內(nèi)的運(yùn)動軌跡變長,從風(fēng)機(jī)出口逃逸的數(shù)量增多,除塵效率降低。

徑向直葉片風(fēng)機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速下計算其除塵效率,并將其與相同運(yùn)行條件下風(fēng)機(jī)實驗測得的除塵效率進(jìn)行對比,結(jié)果如圖8所示。

圖8 除塵效率的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的對比

圖8的對比結(jié)果表明，仿真計算值偏低,主要原因可能是由于三相流模型忽略了相間的傳質(zhì)及顆粒之間的破碎聚并等情況；但是模擬結(jié)果的變化趨勢與實驗結(jié)果一致,且計算誤差較小,說明了基于Euler/DPM/DPM的數(shù)值模型用于模擬徑向直葉片風(fēng)機(jī)三相流場的可行性與準(zhǔn)確性,其可用于進(jìn)一步研究運(yùn)行參數(shù)對風(fēng)機(jī)除塵效率的影響及風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。

5 結(jié) 論

(1) 本文針對徑向直葉片風(fēng)機(jī)內(nèi)部氣、液、固三相流場的特點,運(yùn)用Euler/DPM/DPM三相流數(shù)值模型模擬風(fēng)機(jī)內(nèi)部三相流場,將仿真結(jié)果與實驗值進(jìn)行對比,驗證了該數(shù)值模型用于模擬風(fēng)機(jī)三相流場的可行性與準(zhǔn)確性。

(2) 徑向直葉片風(fēng)機(jī)內(nèi)的噴嘴噴出的液滴會與風(fēng)機(jī)葉輪發(fā)生碰撞,之后會在葉輪剪切力及離心力作用下脫離而被甩向蝸殼壁面,最終黏附在蝸殼壁面上凝聚,這使得徑向直葉片風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中內(nèi)部始終充滿細(xì)微液滴,對除塵極為有利。

(3) 徑向直葉片風(fēng)機(jī)具有較高的除塵效率。大、中粒徑的顆粒會被風(fēng)機(jī)的葉輪及蝸殼壁面上的水膜捕集,細(xì)小粒徑顆粒對氣體的跟隨性強(qiáng),不易與葉輪及蝸殼壁面發(fā)生碰撞,一部分會從風(fēng)機(jī)出口逃逸。隨著顆粒粒徑的減少,徑向直葉片風(fēng)機(jī)的除塵效率變低。

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(責(zé)任編輯 胡亞敏)

Numerical simulation of three-phase dust removal in radial-straight-blade fan

ZHAO Haiming1,2, XIE Xin1, LIAO Xiaole1, XIA Yimin1,2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China; 2.State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing, Central South University, Changsha 410083, China)

The Realizable κ-ε model in Eulerian coordinate system of CFD software Fluent was used to describe the gas-phase turbulent flow in radial-straight-blade fan and the discrete phase model(DPM) in Lagrangian coordinate system was used to describe the motion of dust particle and droplet. Considering the coupling of gas-liquid-solid three-phase, the Euler/DPM/DPM three-phase model was used to simulate the three-phase flow of fan. The results showed that the gas flow in the fan was swirling flow and complicated. The droplet was completely atomized in the whole fan with the help of fan blade. The large and medium sized particle was largely captured by water film of the fan blade. Some of the small sized particle was captured by fan blade or thrown into the volute wall and captured by its water film, others escaped through the fan outlet. By comparing the computational and experimental results, the feasibility and veracity of internal three-phase flow simulation of fan were verified, which can provide basis for further studying the influence of operation parameters on the dust removal efficiency and optimizing fan structure.

Fluent software; radial-straight-blade fan; Eulerian coordinate system; discrete phase model(DPM); numerical simulation

2016-03-14；

2016-03-25

國家重點研發(fā)計劃資助項目(2016YFC0209302)

趙海鳴(1966-),男,湖南邵陽人,中南大學(xué)副教授,碩士生導(dǎo)師； 謝 信(1990-),男,湖南永州人,中南大學(xué)碩士生,通訊作者,E-mail:xinxinp6@sina.com； 夏毅敏(1967-),男,江西永新人,博士,中南大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.08.003

TH432.2

A

1003-5060(2017)08-1020-06