振弦柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)對凈化流場影響的模擬

林大建， 馬文博， 黎良飛， 陳祖云

（江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州341000）

0 引 言

我國改革開放以來， 隨著環(huán)保工作的持續(xù)推進，大量學(xué)者對工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的粉塵過濾處理進行研究。 20 世紀80 年代末，為更好處理空氣中的粉塵，國內(nèi)學(xué)者研究出濕式纖維柵除塵器[1]；90 年代末，張設(shè)計[2]等探討了濕式振弦柵的除塵機理，分析了影響除塵效率的因素；宮麗虹[3]等研究了水量等因素對濕式振動纖維柵的除塵效率和過濾阻力的影響；隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，劉冰心建立了數(shù)學(xué)模型，用計算機軟件模擬，分析矩形振動纖維柵的運動狀態(tài)，求出矩形纖維的除塵效率[4]。前人對濕式振弦柵[5]除塵機理進行了大量實驗探討，但對干式振弦柵過濾管道內(nèi)部流場的氣流情況的研究較少。 振弦柵對管道內(nèi)流場影響較大，未對其分析控制，會造成氣流不穩(wěn)定、含塵氣流捕集作用下降等問題。

文中應(yīng)用FLUENT 軟件[6-8]模擬振弦柵過濾氣-固兩相流的過程，擬合出流速-壓差曲線[9]，分析振弦柵在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下的過濾管道內(nèi)部流場情況。得出的結(jié)論為改善過濾管道內(nèi)氣流均勻分布和調(diào)節(jié)壓降提供合理建議，也為振弦柵進一步研究提供指導(dǎo)。

1 模型的建立

文中模擬的過程為電焊煙塵含塵氣流在過濾段中的流動過程， 需對相關(guān)條件進行必要的假設(shè)，并給出流場內(nèi)氣固兩相參數(shù)，對模擬過程中所應(yīng)用的方程、模型和方法進行簡要介紹。

本研究的假設(shè)條件：

1）電焊煙塵含塵氣流為定常、恒溫不可壓縮流體；

2）壁面條件為靜止壁面，絕熱無滑移，使用標(biāo)準壁面函數(shù)；

3）流動為穩(wěn)態(tài)湍流；

4）滿足Boussinesq 假設(shè)條件。

經(jīng)實地測量和理論推導(dǎo)計算得到氣固兩相參數(shù)見表1。

表1 氣固兩相參數(shù)

1.1 控制方程

文中流體為恒溫流體，所以不涉及能量守恒方程。 模擬過程中，質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程描述和限制流體物理量的流動狀態(tài)。

1）質(zhì)量守恒方程

式（1）中：ρ 為流體密度（kg/m3）；t 為時間（s）；u 為X 方向上流速的矢量分量（m/s）；v 為Y 方向上流速的矢量分量（m/s）；w 為Z 方向上流速的矢量分量（m/s）；

2）動量守恒方程

式（2）中：Fx為X 方向上的質(zhì)量力（N）；Fy為Y 方向上的質(zhì)量力（N）；Fz為Z 方向上的質(zhì)量力（N）； μ 為動力粘度（Pa·m）。

1.2 求解器與湍流模型

將計算網(wǎng)格導(dǎo)入FLUENT 軟件后進行的第一步設(shè)置即為求解器的選擇。模擬計算時求解器分為兩種，一種是基于密度基的求解器，另一種是基于壓力基的求解器[10]。 壓力基求解器提供了密度基求解器所不具備的多種、可靠的物理模型，因此本文使用基于壓力基的求解器求解控制方程。

由于假設(shè)中電焊煙塵含塵氣流為穩(wěn)態(tài)湍流，故選用雙方程模型中的Standard k-ε 模型，其湍流動能和耗散率輸運方程為：

其中，Gk為平均速度梯度產(chǎn)生的湍動能（J）；Gb為浮力產(chǎn)生的湍動能（J）；Ym為可壓縮湍流脈動膨脹對總耗散率的影響；C1ε、C2ε、C3ε、σk、σε為常數(shù)。

上述常數(shù)在模擬計算過程中通常取默認值：C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09，湍動能普朗特數(shù)σk=1，耗散率普朗特數(shù)σε=1.3。

1.3 多相流模型

本文采用離散相模型模擬氣-固兩相流的流動。FLUENT 中通過積分拉式坐標(biāo)系下的顆粒作用力微分方程來求解離散相顆粒的軌道[12-14]，顆粒作用力的平衡方程在笛卡爾坐標(biāo)系下的形式 （以X向為例）為：

其中，u 為流體相速度（m/s）；up為顆粒速度（m/s）；μ為流體動力黏度（Pa·m）； ρ 為流體密度（kg/m3）; ρp為顆粒密度（kg/m3）;dp為顆粒直徑（m）；Re 為相對雷諾數(shù)；CD為曳力系數(shù)； gx為X 方向重力加速度（m/s2）; Fx為X 方向的其他作用力（N）。

1.4 多孔介質(zhì)模型和簡化的多孔跳躍邊界模型

多孔介質(zhì)模型就是定義一個多孔介質(zhì)區(qū)域，設(shè)置該區(qū)域的孔隙度和流體的流動阻力和慣性阻力系數(shù)，從理論上講，多孔介質(zhì)模型僅僅是在動量方程的右側(cè)增加一個動力源項[15]。 多空跳躍邊界模型是多孔介質(zhì)模型的一維簡化模型，定義孔隙度的方式為利用滲透率替代流動阻力系數(shù)，它相對多孔介質(zhì)模型有更好的收斂性，合理的利用能為研究節(jié)省大量人力。

多孔介質(zhì)模型增加的動力源項為：

式（13）中：i 為X、Y、Z 各方向上的動力源項；|v|為速度大?。╩/s）；D、C 為規(guī)定矩陣。

粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)的計算方式有很多種，本文采用“速度-壓力降”方法，根據(jù)實驗數(shù)值擬合“速度-壓力降”二元曲線，其方程為：

式（14）中：△p 為過濾壓降（Pa）；v 為過濾風(fēng)速（m/s）;α1、α2為擬合系數(shù)。

1.5 幾何模型的建立

根據(jù)過濾段實物模型實際參數(shù)應(yīng)用ICEMCFD 軟件在笛卡爾坐標(biāo)系中建立三維幾何模型，模型參數(shù)見表2，經(jīng)拓撲后得到圖1。

表2 過濾段幾何模型參數(shù)

圖1 過濾段幾何模型

含塵流體從XOZ 平面流入， 途經(jīng)多孔介質(zhì)沿X 軸正向流出，單位設(shè)置為mm。 模擬振弦柵流場時將流體域從左到右劃分為三部分， 分別命名為FLUID1、POROUS、FLUID2， 便于導(dǎo)入計算， 其中POROUS 為多孔介質(zhì)域。

2 試驗數(shù)據(jù)測定與分析

2.1 試驗單因素的確定

本試驗選取市面常見的直徑為0.1 mm 的304不銹鋼細絲為柵絲，由螺絲（牙條）規(guī)格表國際粗牙60o規(guī)格參數(shù)，非定制條件最細牙條為M1.4 標(biāo)稱牙條，牙距為0.3 mm，柵絲間距最小為0.4 mm，考慮到間距過小實驗數(shù)據(jù)變化不明顯，間距過大對氣流影響較弱， 并受成本等方面影響確定下列柵絲間距、柵板數(shù)量和柵板間距為濾塵試驗單因素，選取變量值如表3。

表3 振弦柵試驗單因素

2.2 試驗系統(tǒng)漏風(fēng)率測試

本試驗采用漏風(fēng)率作為密閉性的量化指標(biāo)，用單位時間內(nèi)風(fēng)管進、出口風(fēng)量差占進口風(fēng)量百分比表示：

式（15）中：Q0為風(fēng)管入口流量（m3/s）； Q1為風(fēng)管出口流量（m3/s）；ε 為試驗系統(tǒng)漏風(fēng)率。

其中風(fēng)量Q 通過與進出口風(fēng)速V 的關(guān)系進行計算：

式（16）中：Q 為風(fēng)量（m3/s）；A 為風(fēng)管截面積（m2）；V 為截面風(fēng)速（m/s）。

本試驗系統(tǒng)進出口截面面積相同均為0.04 m2，測試過程中不放入過濾材料，調(diào)整入口風(fēng)速進行測定并計算，結(jié)果見表4。

表4 試驗系統(tǒng)漏風(fēng)率

由表4 計算分析可知，本試驗系統(tǒng)漏風(fēng)率小于5%， 滿足GB/T10880-1989 中對密閉性的要求，可進行后續(xù)的試驗研究。

2.3 擬合方程形式的確定

本試驗在室溫31.5 ℃，一個標(biāo)準大氣壓，空氣密度為1.151 kg/m3的條件下進行。 按試驗單因素依次在過濾段中放入過濾材料，蓋上蓋板并進行密閉， 打開風(fēng)機至風(fēng)流穩(wěn)定后改變風(fēng)速進行參數(shù)測定， 一組數(shù)據(jù)記為某一風(fēng)速下的過濾段前后全壓差。 現(xiàn)階段將振弦柵看作簡化的多孔介質(zhì)，可得到壓降與流速間關(guān)系：

式（17）中：Δp 為壓降值（Pa）；α 為黏性阻力系數(shù)，本試驗條件下取1.7894×10-5；Δn 為多孔介質(zhì)厚度（m）；V 為流速（m/s）；C2為慣性阻力系數(shù)；ρ 為流體密度（kg/m3）。

根據(jù)模擬對比的需要， 由試驗數(shù)據(jù)和上式可得出截距二次擬合方程，記為擬合方程一，其形式如下：

式（18）中：A,B 為擬合系數(shù)。

結(jié)合Convair 研究方法，可得擬合方程二，形式如下：

試驗中壓降由單管傾斜壓差計測得，其讀數(shù)與壓降的換算關(guān)系為：

式（20）中：P 為壓降（Pa）；K 為比例系數(shù)，本試驗中壓降值較小，取0.2；g 為重力加速度，取9.79 m/s2。

2.4 振弦柵試驗數(shù)據(jù)分析與擬合方程

本試驗中振弦柵的填充物為直徑為0.1 mm 的304 不銹鋼細絲，其填充率計算公式為：

式（21）中：N1為單層不銹鋼絲平均根數(shù)；D 為振弦柵絲徑（m）；L 為不銹鋼絲長度（m）；A 為振弦柵迎風(fēng)面面積（m2）。

1）振弦柵絲間距對風(fēng)速-壓降關(guān)系的影響

經(jīng)試驗可得不同柵絲間距下的風(fēng)速-壓降關(guān)系，繪制曲線圖2。

圖2 不同柵絲間距的V-ΔP 曲線

振弦柵絲徑為1×10-4m，長為0.2 m，振弦柵迎風(fēng)面面積為0.04 m2，由式（21）可求出單塊振弦柵絲間距分別為1.25 mm、0.8 mm 和0.4 mm 時的填充率，對應(yīng)的V-ΔP 擬合方程見表5。

表5 不同柵絲間距填充率及V-ΔP 擬合方程對應(yīng)

由圖1 和表5 易知，振弦柵絲間距越大時填充率越小， 而填充率對過濾段局部阻力的影響較大，兩者呈正相關(guān)；當(dāng)振弦柵絲間距為0.4 mm 時，局部阻力達到最大。

2）振弦柵間距對風(fēng)速-壓降關(guān)系的影響

取2 塊振弦柵絲間距為0.4 mm 的振弦柵進行試驗， 得出振弦柵間距分別為4、8、12、16 cm 時的V-ΔP 曲線圖3。

圖3 不同柵間距的V-ΔP 曲線

將試驗數(shù)據(jù)處理后得出擬合方程表6。

表6 不同柵間距的V-ΔP 擬合方程

由圖3 和表6 可得：4 種不同振弦柵間距的擬合曲線幾乎重合，即不同柵間距對過濾段局部阻力的影響不大； 當(dāng)風(fēng)速為0.9 m/s 至2.0 m/s 時，局部阻力基本相同；當(dāng)風(fēng)速大于2.0 m/s 后，差距較為明顯。

3）振弦柵數(shù)量對風(fēng)速-壓降關(guān)系的影響

取3 塊柵絲間距為4 mm 的振弦柵，將柵間距設(shè)置為12 cm 進行試驗并與1 塊、2 塊振弦柵的測試數(shù)據(jù)對比，可得到圖4。

圖4 不同振弦柵數(shù)量的V-ΔP 曲線

振弦柵數(shù)量為3 塊時， 擬合方程一為ΔP=4.025V2+0.073V，擬合方程二為ΔP=2.460V2，由圖4知， 過濾段局部阻力隨柵板數(shù)量的增加而增大，當(dāng)風(fēng)速V 相同時，壓降值也近似呈倍數(shù)關(guān)系，說明過濾段局部阻力隨柵板數(shù)量的增加而成倍增大。

綜合分析3 種單因素的試驗結(jié)果易得， 對VΔP 曲線的變化率影響程度排序為柵板數(shù)量、 柵絲間距、柵間距。

3 過濾段內(nèi)流場的氣-固兩相流模擬

按前文進行模擬設(shè)置，計算收斂后用FLUENT軟件自帶后處理工具得到含塵氣流速度分布云圖，為更直觀的對流場狀態(tài)進行觀測， 分別選取X=0.25、X=0.5、X=0.75、Y=1、Z=1 等5 個截面作為觀測面。 由下方各云圖中的五個截面表示。

3.1 不同柵絲間距對過濾流場的影響

單塊振弦柵，不同柵絲間距時含塵氣流速度分布后處理結(jié)果見圖5。

圖5 不同柵絲間距的速度分布云圖

由圖5 可得，當(dāng)柵絲間距不同時，柵絲間距越小過濾段的內(nèi)流場氣-固兩相流受到阻礙效果越大，當(dāng)柵絲間距為0.4 時，兩相流出現(xiàn)明顯的速度衰減；出口速度隨著柵絲間距增大而增大，柵絲間距越小對氣固兩相流控制效果越明顯，為提高除塵效率，可適當(dāng)減小柵絲間距。由于干式振弦柵對氣-固兩相流的過濾作用， 顆粒隨沿X 軸正方向移動時速度是一個逐漸增大后減小再增大的過程，到達出口處速度增大到最大值。 過濾風(fēng)速為3.0 m/s 的情況下，顆粒運動受重力影響較小，靠近壁面的含塵氣流受壁面影響， 速度明顯小于遠離管壁氣流，卷吸附近氣流產(chǎn)生的混擾現(xiàn)象。氣流流經(jīng)振弦柵時都不可避免的出現(xiàn)了回流現(xiàn)象，XOY 平面的回流現(xiàn)象較XOZ 平面明顯， 柵絲間距越小， 填充率越高，回流現(xiàn)象越明顯。進一步分析易知，實際應(yīng)用過程中振弦柵絲采用經(jīng)向排布方式，較緯向排布和經(jīng)緯交織排布具有明顯的優(yōu)勢，不僅有更高的除塵效率、易于清灰，而且能緩解氣流回流現(xiàn)象。

3.2 不同柵間距對過濾流場的影響

將兩塊振弦柵與箱體壁面圍成的區(qū)域看成一整個多孔介質(zhì)域，進行模擬計算后得到柵絲間距為0.4 mm、不同柵間距下的含塵氣流速度分布云圖6。

從圖6 中可看出，柵間距越大氣流回流程度越弱，實際應(yīng)用時可適當(dāng)增大柵間距，在保證過濾效率的同時，也有利于除塵器內(nèi)流場的均勻分布。 隨著柵間距增大， 過濾段的氣-固兩相流速度減小范圍在增大，在4～16 cm 的柵間距范圍內(nèi)，柵間距增大到16 cm 時， 過濾段的氣-固兩相流速度減小范圍達到最大，同時出口速度最小，為達到較好的過濾效果在條件允許的情況下，可考慮分級過濾。

3.3 不同振弦柵數(shù)量對過濾流場的影響

當(dāng)振弦柵數(shù)量為三塊時，將第一塊、第三塊振弦柵截取的過濾箱體看作一整個多孔介質(zhì)域，進行模擬計算，得到柵板數(shù)量分別為1、2、3 塊的速度分布云圖（圖7）。

圖6 不同柵間距的速度分布云圖

圖7 不同柵板數(shù)量的速度分布云圖

由圖7 易得：柵板數(shù)量越多，含塵氣流的平均速度越小，振弦柵對含塵氣流多段進行過濾,氣流速度在過濾段衰減明顯； 隨著柵板數(shù)量的增加，出口速度出現(xiàn)先增大后減小的趨勢，柵板數(shù)量為2 塊時出口速度達到最大；柵板數(shù)量的增加對氣流的影響加大，增大了氣流流動的不穩(wěn)定性，對含塵氣流的捕集作用減弱，因此實際應(yīng)用時應(yīng)盡量減少柵板數(shù)量，若采用多柵板過濾，則應(yīng)對過濾箱體采用漸擴式設(shè)計。

4 結(jié) 論

1）填充率對過濾段局部阻力的影響較大，兩者呈正相關(guān)。振弦柵間距4 種不同取值的擬合曲線幾乎重合，即不同柵間距對過濾段局部阻力的影響不大。 振弦柵間距與過濾阻力無明顯線性關(guān)系。 過濾段局部阻力隨振弦柵數(shù)量的增加而增大，當(dāng)風(fēng)速相同時，壓降值也近似呈倍數(shù)關(guān)系，說明過濾段局部阻力隨振弦柵數(shù)量的增加而成倍增大。 振弦柵的3 種試驗單因素對過濾段局部阻力影響程度可排序為：振弦柵數(shù)量＞柵絲間距＞柵間距。

2）氣流流經(jīng)振弦柵時不可避免的出現(xiàn)了回流現(xiàn)象，XOY 平面的回流現(xiàn)象較XOZ 平面明顯， 柵絲間距越小，填充率越高，回流現(xiàn)象越明顯；柵間距較大時，客觀上為含塵氣流流動提供了較充足的橫向空間，起到了穩(wěn)定氣流的作用，氣流回流程度與柵間距呈反比關(guān)系；柵板數(shù)量的增加增大了氣流流動的不穩(wěn)定性。

3）依據(jù)振弦柵的內(nèi)流場模擬結(jié)果，對其實際應(yīng)用提出以下建議： 振弦柵絲采用經(jīng)向排布方式，較緯向排布和經(jīng)緯交織排布具有明顯的優(yōu)勢，不僅有更高的除塵效率、易于清灰，而且能緩解氣流回流現(xiàn)象；適當(dāng)增大柵間距，在保證了過濾效率的同時，也有利于除塵器內(nèi)流場的均勻分布，在條件允許的情況下，可考慮分級過濾；應(yīng)盡量減少柵板數(shù)量，若采用多柵板過濾，則應(yīng)對過濾箱體采用漸擴式設(shè)計。