基于CFD-DEM的金屬纖維濾網(wǎng)反吹過(guò)濾特性研究

彭 濤， 丁昕越， 劉雪東,b， 蔣 威， 顧宇彤， 劉梅華， 朱梓瑞

(常州大學(xué) a. 機(jī)械與軌道交通學(xué)院; b. 江蘇省綠色過(guò)程裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇常州 213164)

金屬纖維濾網(wǎng)是一種應(yīng)用于化工、 冶金、 石油、 環(huán)保等領(lǐng)域的新型濾網(wǎng)，可以攔截流體中的固體污染物[1-3]。相較于傳統(tǒng)的布式濾袋，具有耐高溫、 抗腐蝕、 可加工性強(qiáng)、 使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，可以很好地解決惡劣工況下極易發(fā)生的糊膜、 高溫?zé)?濾袋破損導(dǎo)致的粉塵泄露等問(wèn)題，有效降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高設(shè)備的連續(xù)生產(chǎn)能力[4]。

反吹清灰技術(shù)是提高濾網(wǎng)使用壽命的關(guān)鍵技術(shù)。 通常是將壓縮空氣從濾袋過(guò)濾的反方向吹掃， 使濾袋表層及內(nèi)部的粉塵脫離， 恢復(fù)濾袋的過(guò)濾性能[5]。 很多學(xué)者對(duì)纖維濾袋的反吹過(guò)程進(jìn)行了廣泛研究， 發(fā)現(xiàn)反吹清灰效果主要受濾袋的大小、 噴吹壓力、 噴吹設(shè)備形式、 濾袋排布方式等諸多因素影響。 張景霞等[6]利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)對(duì)脈沖袋式除塵器噴吹管內(nèi)氣流進(jìn)行了數(shù)值模擬， 研究了氣流在濾袋內(nèi)的氣體流量、 速度和靜壓的分布。 Yan等[7]發(fā)現(xiàn)較大的側(cè)壁壓力峰值更有利于清灰，而Humphries等[8]的研究則顯示側(cè)壁壓力峰值與噴吹壓力呈正相關(guān)關(guān)系。胥海倫等[9]自行設(shè)計(jì)了氣體噴吹器，并對(duì)濾筒除塵器的脈沖噴吹清灰流場(chǎng)進(jìn)行了分析，得到了最佳的噴吹器開口直徑。安蓉蓉等[10]提出了一種轉(zhuǎn)角正方形排布的袋式除塵器，并通過(guò)試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)合的方法研究不同進(jìn)氣條件下排布方式除塵器內(nèi)部的速度分布規(guī)律以及流量分配系數(shù)。秦文茜等[11]通過(guò)試驗(yàn)的方法，分析了噴吹壓力、噴吹距離以及噴吹孔徑對(duì)金屬濾袋的壓力分布影響，得到了最佳操作參數(shù)，并指出金屬濾袋的中、 下部清灰需重點(diǎn)關(guān)注。

已有研究多側(cè)重于從宏觀角度分析各種參數(shù)對(duì)反吹清灰效果的影響， 對(duì)于反吹時(shí)操作參數(shù)對(duì)顆粒在濾網(wǎng)中停留分布的影響少見報(bào)道。 本文中對(duì)金屬纖維濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行分析， 并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行三維模型重建， 通過(guò)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的方法驗(yàn)證了模型的可靠性， 采用計(jì)算流體力學(xué)-離散單元法(CFD-DEM)聯(lián)合仿真的方法， 模擬球形顆粒在金屬纖維濾網(wǎng)內(nèi)部的反吹過(guò)程，研究了反吹壓力、反吹時(shí)間對(duì)清灰效果的影響，并對(duì)反吹前、 后顆粒在濾網(wǎng)內(nèi)的分布情況進(jìn)行探討，為金屬纖維濾袋在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中的操作條件的選定提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值模型

1.1 氣流相模型

金屬纖維濾網(wǎng)內(nèi)部氣體為復(fù)雜的三維湍流流場(chǎng)，考慮到固相顆粒及模型對(duì)氣體流動(dòng)的影響，在連續(xù)性方程中加入額外的體積分?jǐn)?shù)項(xiàng)εg(即空隙率)，從而進(jìn)行流固耦合分析。氣流相的控制方程[12]為

(1)

(2)

式中：p為氣體壓力， Pa；ρg為氣體密度， kg/m3；τg為黏性應(yīng)力張量；ug為網(wǎng)格中氣體速度，m/s；g為重力加速度， m/s2；S為氣固之間的動(dòng)量交換。

1.2 顆粒相模型

將顆粒設(shè)為離散相，每個(gè)粒子在流場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)位置和速度都將被追蹤，顆粒所受力有顆粒之間的碰撞力、顆粒與流體和壁面之間的作用力、重力等，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律遵循牛頓第二定律，運(yùn)動(dòng)方式包括轉(zhuǎn)動(dòng)和平動(dòng)2種，顆粒相的控制方程[13]為

(3)

(4)

式中：mi為顆粒i的質(zhì)量， kg；ωi為角速度， rad/s；Ii為慣性矩， N·m；vi為平動(dòng)速度， m/s；mig為質(zhì)點(diǎn)重力， N；Ft,ij為顆粒間的切向接觸力， N；Fn,ij為顆粒間的法向接觸力， N；Fc,i為顆粒與流體的相互作用力， N；Fnc,i為非接觸力， N；Mr,ij為滾動(dòng)摩擦力矩， N·m；Ri為顆粒質(zhì)心與接觸點(diǎn)的距離矢量。

由于顆粒之間存在著多次和長(zhǎng)時(shí)間碰撞，因此采用軟球接觸模型，此時(shí)，顆粒所受外力和外力矩為

Fn,ij=knδn,ij-vnvn,ij,

(5)

Ft,ij=ktδt,ij-vtvt,ij,

(6)

(7)

式中：μr是滾動(dòng)摩擦系數(shù)；vn,ij和vt,ij是相對(duì)法向和切向速度， m/s；γn和γt是法向和切向黏性阻尼系數(shù)，N·s/m；kn和kt是法向和切向彈性系數(shù)，N/m；δn,ij和δt,ij是法向和切向方向變形， m。

1.3 氣固兩相耦合算法

氣固相互作用力是顆粒與周圍氣體相互作用形成的，主要包括附加質(zhì)量力、 阻力、 壓力梯度力、 浮力、 Basset力、 Magnus力、 Saffman力等。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，本文中主要考慮曳力對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)的影響，則氣固兩相之間的動(dòng)量交換方程[14]為

(8)

式中： ΔV是控制體的體積， m3；n為粒子數(shù)；Fd,i為曳力，其計(jì)算方式為

(9)

式中：Vi是粒子體積， m3；vp是當(dāng)前網(wǎng)格中粒子的速度， m/s；β是相間動(dòng)量交換系數(shù)，計(jì)算方式為

(10)

式中：μg為流體的動(dòng)力黏度，Pa·s；dp是顆粒直徑， m；cd是有效曳力系數(shù)，計(jì)算方式為

(11)

式中Rep為顆粒雷諾數(shù)。

2 模型建立及驗(yàn)證

2.1 金屬纖維濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)特性及其三維模型

組成濾網(wǎng)的金屬纖維(由西部寶德科技股份有限公司提供)材料為06Cr17Ni12Mo2，出廠性能參數(shù)如表1所示。

表1 金屬纖維濾袋性能參數(shù)

金屬纖維濾網(wǎng)電鏡掃描圖像及其三維模型如圖1所示。由圖1 a)的金屬纖維濾網(wǎng)截面掃描圖可以看出，整個(gè)金屬纖維濾網(wǎng)類似“三明治”結(jié)構(gòu)，上、 下區(qū)域由直徑為20 μm的金屬纖維組成，每側(cè)約有5層，中間區(qū)域由直徑為8 μm的金屬纖維組成，金屬纖維的排布沒(méi)有明顯的方向性。根據(jù)電鏡掃描結(jié)果采用Pro/Engineer 5.0進(jìn)行三維模型重建的金屬纖維過(guò)濾網(wǎng)如圖1 b)所示，金屬纖維濾網(wǎng)三維模型由3個(gè)區(qū)域組成， 上、 下2個(gè)區(qū)域采用直徑為20 μm的圓柱狀金屬絲隨機(jī)排布，每個(gè)區(qū)域均由5層堆疊而成；中間區(qū)域由直徑為8 μm的圓柱狀金屬絲構(gòu)成，共有37層，因此模型的總厚度為0.496 mm，與實(shí)際金屬纖維濾網(wǎng)的厚度吻合；每一層上的圓柱體隨機(jī)排布，每層約為9～10個(gè)圓柱體。為了驗(yàn)證金屬纖維濾網(wǎng)模型與實(shí)際金屬纖維濾網(wǎng)的符合度，使用Pro/Engineer 5.0對(duì)三維模型進(jìn)行體積分析，得到濾網(wǎng)模型的孔隙率為74.8%，且粗細(xì)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.47、 0.53，這與金屬纖維過(guò)濾網(wǎng)出廠報(bào)告中的孔隙率為75%相吻合。

a)金屬纖維材料截面掃描圖b)金屬纖維濾網(wǎng)三維模型圖1 金屬纖維濾網(wǎng)電鏡掃描圖及其三維模型Fig.1 Electron microscope scanning image of metal fiber filter and its three-dimensional model

2.2 金屬纖維濾網(wǎng)建模準(zhǔn)確性驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證金屬纖維濾網(wǎng)建模的準(zhǔn)確性，搭建如圖2所示金屬纖維濾網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。由圖2 a)可知，裝置兩側(cè)為透明筒體，筒體材料為亞克力，筒體內(nèi)徑為100 mm，筒體長(zhǎng)度均為500 mm。實(shí)驗(yàn)裝置中間夾有金屬纖維濾網(wǎng)，通過(guò)螺栓將其與兩側(cè)筒體連接。圖2 b)為金屬纖維濾網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)流程圖，通過(guò)一系列的管路將XGB-370型(浙江亞士霸電機(jī)有限公司)風(fēng)機(jī)、 球閥、 DN20型渦街流量計(jì)(江蘇滬儀自動(dòng)化儀表有限公司)、 TESTO-510型微壓差計(jì)(德圖儀器國(guó)際貿(mào)易有限公司)、 金屬纖維濾網(wǎng)和筒體進(jìn)行連接。氣體從鼓風(fēng)機(jī)吹出，通過(guò)調(diào)節(jié)球閥的開度調(diào)整入射氣流的流量，以此根據(jù)濾網(wǎng)面積計(jì)算入射氣流速度，同時(shí)監(jiān)控壓力表的示數(shù)。

a)實(shí)驗(yàn)裝置b)實(shí)驗(yàn)流程圖1—風(fēng)機(jī); 2—球閥; 3—渦街流量計(jì); 4—微壓差計(jì); 5—金屬纖維濾網(wǎng)。圖2 金屬纖維濾網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.2 Experimental equipment of metal fiber felt

對(duì)金屬纖維濾網(wǎng)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型的最大網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.008 mm，其他部分的最大網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.04 mm，劃分后的模型中網(wǎng)格總數(shù)為2 311 802，網(wǎng)格劃分后金屬纖維濾網(wǎng)氣流場(chǎng)計(jì)算模型如圖3所示。由圖3可見，左側(cè)為氣流入口，中間位置為金屬纖維過(guò)濾網(wǎng)模型，右側(cè)為氣流出口。采用ANSYS Fluent 15.0進(jìn)行氣相設(shè)置，左端面設(shè)置為速度入口邊界條件以模擬氣流入射條件；右端面設(shè)置為壓力出口，中間部分纖維設(shè)置為壁面無(wú)滑移邊界條件，其他部分設(shè)置為對(duì)稱邊界條件。流體密度和黏度參考25 ℃時(shí)的空氣性質(zhì)，分別為1.185 kg/m3和1.835×10-5Pa·s。

圖3 金屬纖維濾網(wǎng)氣流場(chǎng)計(jì)算模型Fig.3 Calculation model of airflow in metal fiber felt

在ANSYS Fluent 15.0中，設(shè)置進(jìn)口氣流速度分別為0.2、 0.4、 0.6、 0.8、 1.0 m/s進(jìn)行計(jì)算，得出金屬纖維濾網(wǎng)兩側(cè)的壓力降隨氣流速度的變化情況，并在實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)置相同的氣體流速，得出相應(yīng)氣體流速所對(duì)應(yīng)的壓力降，最后進(jìn)行數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較。數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)獲得的氣流速度與壓降的關(guān)系曲線如圖4所示。從圖4中可知，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有很好的匹配性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果略大于數(shù)值模擬結(jié)果，且最大誤差小于5%。這是由于金屬纖維濾網(wǎng)在生產(chǎn)過(guò)程中，模壓成型工藝使得纖維濾網(wǎng)受到擠壓，存在微小的變形導(dǎo)致孔道阻塞，因此導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果略大于模擬結(jié)果，據(jù)此，可以確定所建立的三維金屬纖維濾網(wǎng)模型是可靠的。

圖4 數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)獲得的氣流速度與壓降的關(guān)系曲線Fig.4 Relation curve of airflow velocity and pressure drop obtained by numerical simulation and experiment

2.3 金屬纖維濾網(wǎng)反吹模型的構(gòu)建

金屬纖維濾網(wǎng)較為合適氣體流速設(shè)為0.2～0.4 m/s[15]。為生成清灰初始模型，使顆粒沉積在金屬纖維濾網(wǎng)上，在含塵氣流速度為0.4 m/s的情況下，共生成3 200個(gè)直徑為12 μm的圓球形顆粒，顆粒物理性質(zhì)參考煤粉設(shè)定，最終生成的金屬纖維濾網(wǎng)反吹模型如圖5所示。

圖5 金屬纖維濾網(wǎng)反吹模型Fig.5 Back-blowing model of metal fiber filter screen

由圖5可見，大部分顆粒附著在濾網(wǎng)表面，少部分顆粒沉積在濾網(wǎng)內(nèi)部，且濾網(wǎng)內(nèi)部顆粒沉積位置集中在濾網(wǎng)反吹方向后半部分。通過(guò)計(jì)算得出，此時(shí)金屬纖維濾網(wǎng)的容塵量為3.85 mg/cm2，接近表1中金屬纖維濾網(wǎng)的設(shè)計(jì)容塵量4 mg/cm2，故可將其作為反吹清灰的初始狀態(tài)模型。反吹清灰模型的相關(guān)計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表2 反吹清灰模型相關(guān)計(jì)算參數(shù)

3 結(jié)果與討論

3.1 反吹壓力對(duì)清灰效率的影響

脈沖噴吹氣流在濾袋內(nèi)的清灰作用是一次性的，清灰氣流對(duì)濾袋的第一次沖擊起決定性作用[16]，反吹時(shí)金屬濾網(wǎng)側(cè)壁壓力峰值通常為1 000～2 000 Pa[11]，因而設(shè)置濾網(wǎng)反吹壓力分別為1 000、 1 300、 1 600、 1 900、 2 200 Pa，研究濾網(wǎng)反吹壓力對(duì)清灰效率的影響。清灰效率計(jì)算公式為

(12)

式中：η為清灰效率；N0為顆粒初始沉積個(gè)數(shù)；N1為殘余顆粒個(gè)數(shù)。

不同反吹壓力條件下顆粒在濾網(wǎng)上的殘留情況如圖6所示。從圖6中可以看出，隨著反吹壓力的增大，濾網(wǎng)上殘留的顆粒數(shù)量逐漸減少。

a)1 000 Pab)1 300 Pac)1 600 Pad)1 900 Pae)2 200 Pa圖6 不同反吹壓力條件下顆粒在濾網(wǎng)上的殘留情況Fig.6 Residual condition of particles on filter screen under different back blowing pressure

反吹壓力對(duì)清灰效率的影響如圖7所示。由圖7可知，清灰效率隨著反吹壓力的增大而增大；其增速隨著反吹壓力的增大而存在著明顯的邊際遞減效應(yīng)，當(dāng)濾網(wǎng)反吹壓力達(dá)到1 900 Pa之后，雖然反吹壓力進(jìn)一步增大，但清灰效率并無(wú)明顯提升。究其原因，當(dāng)反吹壓力達(dá)到1 900 Pa時(shí)，已經(jīng)清除濾網(wǎng)所含88.1%的顆粒，附著不牢固的顆粒已基本被清吹，剩余的顆粒由于彼此的吸附作用或者被卡在纖維與纖維之間的較小縫隙中，依然停留在濾網(wǎng)內(nèi)部，此時(shí)再增大反吹壓力也只能吹走少許顆粒，不能顯著提高清灰效率；工程實(shí)踐表明，反吹壓力并不是越大越好，當(dāng)反吹壓力過(guò)大時(shí)濾網(wǎng)的壽命反而變短，導(dǎo)致濾網(wǎng)頻繁更換使得成本提高，因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，反吹壓力只需滿足清灰條件即可，過(guò)大的反吹壓力反而會(huì)降低設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。

圖7 反吹壓力對(duì)清灰效率的影響Fig.7 Influence of back blowing pressure on dust removal efficiency

3.2 顆粒殘留的分布

為了研究反吹前、 后顆粒在金屬濾網(wǎng)中殘留的分布情況，沿金屬纖維濾網(wǎng)模型的深度方向?qū)⒄麄€(gè)濾網(wǎng)平均分為20個(gè)區(qū)域，區(qū)域間隔深度為0.025 mm，并統(tǒng)計(jì)每個(gè)間隔深度區(qū)域的顆粒數(shù)目。在反吹時(shí)間為100 ms、 反吹壓力為1 900 Pa的條件下，對(duì)除表面外的殘留顆粒在濾網(wǎng)不同間隔深度區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。不同過(guò)濾網(wǎng)間隔深度反吹前后殘留顆粒數(shù)量如圖8所示。

圖8 不同過(guò)濾網(wǎng)間隔深度反吹前后殘留顆粒數(shù)量Fig.8 Number of residual particles before and after back-blowing with different depth of filter screen interval

從圖8可知，反吹之前顆粒主要集中在近濾網(wǎng)表面處；在距離濾網(wǎng)表面0.10 mm之內(nèi)，顆粒數(shù)量占濾網(wǎng)內(nèi)顆?？倲?shù)量的49.5%；反吹后，近濾網(wǎng)表面顆粒反吹清灰效果最明顯，在距離濾網(wǎng)表面0.10 mm之內(nèi)，超過(guò)94%顆粒被吹除；濾網(wǎng)中后段反吹效果欠佳，在距離濾網(wǎng)表面0.10～0.25 mm的區(qū)域內(nèi)，僅吹除35%的殘留顆粒；距離濾網(wǎng)表面超過(guò)0.25 mm的區(qū)域，反吹前后此區(qū)域的顆粒數(shù)量基本沒(méi)有變化。這是由于顆粒沉積深度越深，顆粒在脫離金屬纖維濾網(wǎng)的過(guò)程中會(huì)遇到更多顆粒以及纖維的阻礙；沉積較淺的顆粒遇到的阻礙較小，更容易脫離濾網(wǎng)，因此，濾網(wǎng)表面顆粒反吹效果與濾網(wǎng)中后段反吹效果差別較大。

3.3 反吹時(shí)間對(duì)清灰效率的影響

在不同反吹壓力條件下，分別設(shè)置反吹時(shí)間為60、 80、 100、 120、 140 ms，對(duì)殘余在金屬纖維濾網(wǎng)上的顆粒數(shù)進(jìn)行分析，計(jì)算反吹清灰效率。不同反吹壓力條件下反吹時(shí)間對(duì)清灰效率的影響如圖9所示。

圖9 不同反吹壓力條件下反吹時(shí)間對(duì)清灰效率的影響Fig.9 Influence of back-blowing time on dust removal efficiency under different back blowing pressure

由圖9可知，在一定反吹壓力條件下，清灰效率先是隨著反吹時(shí)間的增大而逐漸增大，但反吹時(shí)間達(dá)到某一數(shù)值之后清灰效率基本不再增大，說(shuō)明反吹時(shí)間只有在一定范圍內(nèi)影響纖維濾網(wǎng)的清灰效果，繼續(xù)增加反吹時(shí)間只會(huì)增加能量的損耗，并不能提高清灰效率。從圖9還可以發(fā)現(xiàn)，為了達(dá)到平衡清灰效果，反吹壓力為1 000 Pa時(shí)所需反吹時(shí)間為120 ms，是反吹壓力約為2 200 Pa時(shí)所需反吹時(shí)間的1.5倍；當(dāng)反吹壓力為1 900 Pa、 反吹時(shí)間為80 ms時(shí)清灰效果最好。反吹壓力越大，達(dá)到平衡清灰效率所需要的反吹時(shí)間越短，其原因在于，反吹壓力越大，高壓氣體對(duì)于濾網(wǎng)內(nèi)的顆粒沖擊作用越大，濾網(wǎng)能夠很快達(dá)到清灰平衡狀態(tài)。

4 結(jié)論

依據(jù)金屬纖維濾網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特性以及出廠參數(shù)，建立反吹清灰初始三維模型，研究了濾網(wǎng)表面反吹壓力、 反吹時(shí)間對(duì)清灰效果的影響，得出以下結(jié)論：

1)清灰效率隨著反吹壓力的增大而增大，其增速隨著反吹壓力的增大而存在著明顯的邊際遞減效應(yīng)；當(dāng)反吹壓力過(guò)大時(shí)，濾網(wǎng)的使用壽命也會(huì)相應(yīng)變短，增加了使用成本。

2)顆粒主要集中在近濾網(wǎng)表面處，反吹后在距離濾網(wǎng)表面0.10 mm之內(nèi)超過(guò)94%顆粒被吹除。

3)隨著反吹時(shí)間的增加，清灰效率先逐漸增大，之后保持穩(wěn)定，反吹時(shí)間只在一定范圍內(nèi)影響纖維濾網(wǎng)的清灰效率；反吹壓力越大，達(dá)到平衡清灰效率所需要的反吹時(shí)間越短。

4)對(duì)于孔隙率為74.8%、 容塵量為3.85 mg/cm2的金屬纖維濾網(wǎng)， 當(dāng)反吹壓力為1 900 Pa、 反吹時(shí)間為80 ms時(shí)， 清灰效率最高。