基于CFD的雙褶數(shù)濾袋阻力特性的數(shù)值模擬

魯進(jìn)利，何 杰，莊乾雙，錢付平，王 佳

(1. 安徽工業(yè)大學(xué) a. 建筑工程學(xué)院; b. 能源與環(huán)境學(xué)院, 安徽 馬鞍山 243032；2. 蘇州恒清環(huán)?？萍加邢薰? 江蘇 蘇州 215600)

工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的顆粒物、SO2、NOx等大氣污染物嚴(yán)重危害人類健康，對(duì)其進(jìn)行的排放治理成為工業(yè)生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)。袋式除塵器具有收集效率高的優(yōu)勢，尤其對(duì)細(xì)顆粒物分離表現(xiàn)突出(過濾效率>99.99%)[1]，是實(shí)現(xiàn)超低排放的主流設(shè)備，在打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)中發(fā)揮著舉足輕重的作用[2-3]。

褶式濾袋是在傳統(tǒng)圓形布袋的基礎(chǔ)上將一定長度的濾料折疊成褶形成的袋狀過濾元件。由于褶式濾袋在有限空間上具有較大過濾面積的明顯優(yōu)勢，相比于常規(guī)濾袋更受青睞[4]。當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者的研究主要聚焦于褶式濾袋本身結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)壓降的影響。Theron等[5]結(jié)合數(shù)值和實(shí)驗(yàn)方法研究3種不同褶高和褶寬對(duì)褶式纖維過濾器壓降和流場的影響，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)壓降隨著褶寬變大和褶高變小而減小，緊密和高褶皺會(huì)在濾料表面形成較大的速度梯度。Fotovati等[6]比較矩形褶和三角褶對(duì)壓降的影響，證明顆粒在慣性較小時(shí)，三角褶引起的壓降比矩形褶的要??；相反大顆粒高速過濾時(shí)，矩形褶優(yōu)于三角褶。方璨等[7]通過數(shù)值模擬研究不同褶皺率的5種褶數(shù)及3種袋長對(duì)褶式濾袋除塵器的阻力特性和流場均勻性的影響,研究表明褶數(shù)N=12(褶皺率ɑ=1.12)的褶式濾袋的過濾阻力最小，袋長為3 m時(shí)壓力和速度分布更均勻。Velali等[8]比較4種不同的褶皺重建方法，結(jié)果表明，流動(dòng)阻力主要在濾筒的膜內(nèi)部和褶皺中有顯著影響。吳利瑞等[9]、Kim等[10]研究褶形結(jié)構(gòu)在濾芯形成濾餅后變形和堵塞對(duì)過濾面積的影響，實(shí)際有效過濾面積只占50%～60%。過濾面積是影響除塵設(shè)備選型的因素之一，除塵器多孔介質(zhì)顆粒的堵塞和過濾面積的減少會(huì)增加其壓降，從而使除塵器的風(fēng)機(jī)能耗增加[11-13]。還有相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)渦流的形成和氣流的集中會(huì)影響除塵器的除塵效果。Pereira等[14]分析4種不同入口位置對(duì)袋式除塵器能量效率的影響，發(fā)現(xiàn)實(shí)際中應(yīng)避免氣流再循環(huán)，以確保通過袋式過濾器表面的質(zhì)量流量的均勻分配，從而減少能量損失。提高除塵器氣流分布的均勻性，提高濾袋使用壽命，有效降低運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用[15]。Rocha等[16]研究發(fā)現(xiàn)單個(gè)入口會(huì)產(chǎn)生高速區(qū)域?qū)е聻V袋高磨損和高壓降，3個(gè)入口的過濾區(qū)域更均勻，表明更均勻的氣體質(zhì)量流量分配可有效減小壓降。除塵器的過濾壓降是過濾介質(zhì)兩端的壓降與褶皺通道引起的壓降之和，褶皺過濾介質(zhì)表面的流場分布對(duì)預(yù)測過濾壓降至關(guān)重要。

由上述可知，目前關(guān)于沿軸向褶式濾袋表面的壓降分布規(guī)律研究還鮮有報(bào)道?；诖耍疚闹型ㄟ^數(shù)值模擬研究除塵器不同入口速度和不同褶數(shù)對(duì)褶式濾袋軸向過濾壓降分布的影響規(guī)律。鑒于單一褶數(shù)濾袋存在過濾壓降分布不均勻的特性，提出一種新型組合式雙褶數(shù)濾袋，如圖1所示。濾袋的上半部褶的數(shù)量N為10和下半部褶的數(shù)量N為8不同，考慮到上下部褶數(shù)不同連接錯(cuò)位，因此結(jié)合處通過相同直徑的圓環(huán)結(jié)構(gòu)相連，褶皺處縫隙用濾料縫合。研究新型組合式雙褶數(shù)(N=10&8)濾袋內(nèi)外靜壓分布的強(qiáng)度和均勻性，并與常規(guī)褶式濾袋進(jìn)行比較分析。新型組合式雙褶數(shù)濾袋的研究可為除塵器結(jié)構(gòu)優(yōu)化、提高濾袋使用壽命和降低運(yùn)行能耗提供理論參考。

圖1 新型組合式雙褶數(shù)濾袋結(jié)構(gòu)

1 數(shù)理模型

1.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

圖2所示為褶式濾袋除塵器的結(jié)構(gòu)模型和網(wǎng)格模型。由圖2(a)可知褶式濾袋除塵器的結(jié)構(gòu)和氣流流向，模型的簡化只考慮褶式濾袋除塵器入口至出口之間的氣流流動(dòng)，忽略連接件以及起固定作用的其他零部件的影響。整個(gè)模型主要由過濾室、灰斗和凈氣室3個(gè)箱體部分組成，圓形進(jìn)風(fēng)管連接灰斗，凈氣室上方連接圓形出風(fēng)管；過濾室為長方體結(jié)構(gòu)，褶式濾袋垂直懸掛于過濾室中。含塵氣體通過灰斗側(cè)部的進(jìn)風(fēng)管以下進(jìn)風(fēng)的方式進(jìn)入到過濾室中，經(jīng)濾袋過濾后進(jìn)入到凈氣室，再由出風(fēng)口排出。圖2(b)為常規(guī)褶式濾袋和雙褶數(shù)濾袋的簡化模型，考慮到雙褶數(shù)濾袋結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，網(wǎng)格劃分方式采用非結(jié)構(gòu)，定義網(wǎng)格的邊界，對(duì)濾袋部位的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密來提高計(jì)算精度，雙褶數(shù)連接處局部加密。褶式濾袋的袋長l=1 050 mm，褶皺外直徑D=324 mm，褶皺內(nèi)直徑d=180 mm。圖3所示分別為單一褶數(shù)N=8(模型-1)，上褶數(shù)為10、下褶數(shù)為8(N=10&8，模型-2)，單一褶數(shù)N=10(模型-3)的3種濾袋模型。

(a)褶式濾袋除塵器的結(jié)構(gòu)(b)網(wǎng)格模型圖2 褶式濾袋除塵器的結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格模型Fig.2 Structureandgridmodelofpleatedfilterbagdustcollector

圖3 褶式濾袋和雙褶數(shù)濾袋的模型結(jié)構(gòu)

1.2 計(jì)算模型和邊界條件

假定流體是不可壓縮、穩(wěn)態(tài)、等溫的湍流運(yùn)動(dòng)。進(jìn)入除塵器的氣流近似單相流，內(nèi)部各物性參數(shù)各向同性，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型[17]。主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和用于數(shù)值模擬的主要邊界條件如圖4所示。對(duì)于流場的模擬，采用基于壓力-速度耦合的SIMPLE算法，除塵器入口設(shè)置為速度入口，除塵器出口設(shè)置為壓力出口，出口壓力為1×105Pa。將灰斗、花板、袋底和所有箱體均設(shè)置為固體壁面，采用“無滑移”邊界條件，近壁區(qū)運(yùn)用壁面函數(shù)法計(jì)算[18]。褶式濾袋屬于薄膜狀多孔介質(zhì)，因此可將濾袋介質(zhì)看作一維簡化模型，其邊界條件設(shè)置為多孔跳躍模型(porous jump)；與多孔介質(zhì)建模相關(guān)的系數(shù)可根據(jù)描述褶式濾袋內(nèi)部徑向流動(dòng)的動(dòng)量方程Darcy公式[19]來確定,

(1)

式中：v為流體徑向速度，m/s；K為介質(zhì)的滲透系數(shù)，m2；μ為流體的黏度，Pa·s；p為壓降，Pa；r為介質(zhì)厚度，mm。設(shè)置邊界條件時(shí)，將介質(zhì)厚度r設(shè)置為2 mm，滲透系數(shù)設(shè)置為6.5×10-11[20]。3種模型的各個(gè)工況下的模擬參數(shù)如表1所示。

表1 各工況的模擬條件

圖5給出了褶式濾袋上均勻布置的6個(gè)壓力監(jiān)測點(diǎn)位置，高度方向上從濾袋的底部到袋口依次為測點(diǎn)1—6。相鄰測點(diǎn)間距h=150 mm，3種褶式濾袋模型的各壓力測點(diǎn)布置相同。

圖4 數(shù)值模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)和邊界條件Fig.4 Structuralparametersandboundaryconditionsofnumericalmode圖5 褶式濾袋的壓降測點(diǎn)位置圖Fig.5 Pressuredropmeasuringpointofpleatedfilterbag

1.3 模型驗(yàn)證

為消除網(wǎng)格數(shù)對(duì)模擬結(jié)果的影響，需驗(yàn)證網(wǎng)格無關(guān)性，分別對(duì)網(wǎng)格數(shù)為89.3萬、97萬、107.5萬、115.8萬、125.4萬、148.3萬、194.5萬的7種模型進(jìn)行模擬計(jì)算，選取進(jìn)出口質(zhì)量流量差作為監(jiān)測數(shù)據(jù)。圖6所示為除塵器進(jìn)出口質(zhì)量流量差隨網(wǎng)格數(shù)的變化，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)超過107.5萬時(shí)的差值波動(dòng)很小，即改變網(wǎng)格數(shù)量對(duì)模擬結(jié)果的影響已可忽略不計(jì)。為了保證模擬計(jì)算的精確度和有效降低計(jì)算時(shí)間成本，本研究中模型劃分的網(wǎng)格數(shù)為107.5萬，網(wǎng)格質(zhì)量均達(dá)到0.37以上。

圖6 進(jìn)出口質(zhì)量流量差隨網(wǎng)格數(shù)的變化

為驗(yàn)證多孔跳躍模型和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的可行性，依據(jù)文獻(xiàn)[21]建立單個(gè)濾袋袋式除塵器結(jié)構(gòu)模型，所得壓降模擬值與文獻(xiàn)中濾袋直徑為160 mm和長度為3 000 mm的針刺氈濾袋的壓降實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比。如圖7所示，過濾壓降的具體數(shù)值的變化趨勢與文獻(xiàn)結(jié)果基本吻合，誤差在±8.69%以內(nèi)，表明本文中所用多孔跳躍模型和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的合理性。

(a)實(shí)驗(yàn)值和模擬值的比較(b)實(shí)驗(yàn)值和模擬值的誤差分析圖7 濾袋壓降的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬值的對(duì)比和誤差分析Fig.7 Comparisonofexperimentalresultsandsimulatedvaluesoffilterbagsanderroranalysis

2 結(jié)果與分析

圖8所示為入口風(fēng)速v5=18 m/s時(shí)不同褶數(shù)濾袋xoz截面(y=0)的壓力云圖,其中圖8(b)—(d)分別為3個(gè)模型的壓力云圖，其他入口風(fēng)速vi情況壓力分布基本相似，此處不再列出。由圖8(b)和(c)可知，褶式濾袋內(nèi)部的壓力沿軸向分布不均勻?？拷谔幍膬?nèi)外靜壓差明顯大于靠近袋底處，且沿濾袋軸向從袋底到袋口呈梯次增加變化。主要原因是褶式濾袋在過濾過程中，其袋口為潔凈氣體出口，氣體不斷流出，導(dǎo)致濾袋內(nèi)外壓差變大，從而使得褶式濾袋上的壓降分布存在一定差異。入口風(fēng)速vi相同時(shí)，N=8和N=10情況下壓力輪廓彼此相似。由圖8(d)可知，雙褶數(shù)濾袋內(nèi)部的壓力沿軸向從袋底到袋口相對(duì)呈現(xiàn)平滑變化。此外，當(dāng)入口風(fēng)速相同，雙褶數(shù)濾袋軸向方向上的內(nèi)外靜壓差變化小于常規(guī)褶式濾袋的，表明雙褶數(shù)濾袋上、下部褶數(shù)的不同可使得整個(gè)濾袋軸向靜壓差分布更均勻，以確保通過濾袋表面的流量均勻分布，避免氣流的集中，可以提供更低的壓降。

(a)壓力云圖xoz截面位置(b)N=8(c)N=10(d)N=10&8圖8 褶式濾袋和雙褶數(shù)濾袋的壓力云圖Fig.8 Pressurecontourcomparingpleatedfilterbaganddoublepleatedfilterbag

圖9所示為5種入口風(fēng)速對(duì)應(yīng)的褶式濾袋軸向壓降變化情況，圖中縱坐標(biāo)表示各測點(diǎn)壓降值，橫坐標(biāo)表示測點(diǎn)沿濾袋軸向上的高度h。由圖可知，褶式濾袋上半部分各測點(diǎn)的壓降明顯大于下半部分的，且越靠近袋口位置的壓降越大，從袋口到袋底呈非線性降低趨勢。測點(diǎn)1—3(垂直位置的下半部分)的壓降值變化較小，測點(diǎn)3—6(垂直位置的上半部分)的壓降值變化較顯著。表明褶式濾袋的壓降主要發(fā)生在濾袋的出口處，底部的壓降很小。由圖9(a)可知，對(duì)于褶數(shù)N=8、入口風(fēng)速v1=10 m/s的壓降曲線，靠近袋底高度h1(測點(diǎn)1)處的壓降為217 Pa，靠近袋口(測點(diǎn)6)處的壓降為357 Pa，測點(diǎn)間的壓降差為140 Pa。當(dāng)入口風(fēng)速增大到18 m/s，測點(diǎn)1處的壓降為282 Pa，測點(diǎn)6處的壓降為772 Pa，2個(gè)測點(diǎn)壓降差為490 Pa。從壓降差值的變化和壓降曲線的彎曲程度分析得出，隨著入口風(fēng)速變大，褶式濾袋的壓降分布越不均勻。由此可知，入口風(fēng)速是影響壓降的重要參數(shù)之一。由圖9(b)可知，褶數(shù)N=10褶式濾袋的壓降曲線，不同褶數(shù)N的褶式濾袋均呈現(xiàn)出類似的壓降分布不均勻性現(xiàn)象。區(qū)別在于，圖9(b)中濾袋褶數(shù)的增加使得過濾面積增大，當(dāng)入口風(fēng)速相同時(shí)，N=10的各測點(diǎn)的壓降值比N=8要相對(duì)較小。針對(duì)上述現(xiàn)象，從而模擬出新型組合式雙褶數(shù)濾袋。

(a)N=8(b)N=10圖9 不同入口風(fēng)速下褶式濾袋的壓降曲線Fig.9 Pressuredropcurvesofpleatedfilterbagsunderdifferentwindspeeds

圖10所示為N=10&8的雙褶數(shù)濾袋在5種入口風(fēng)速下各測點(diǎn)的壓降變化情況。入口風(fēng)速v1=10 m/s，測點(diǎn)1處的壓降為196 Pa，測點(diǎn)6處的壓降為317 Pa，二者相差121 Pa。相比褶數(shù)N=8的濾袋，測點(diǎn)1、6之間的壓降差降低了13.6%，表明雙褶數(shù)濾袋可使袋底到袋口的壓降值波動(dòng)變小，靠近袋口的測點(diǎn)6的壓降值比褶數(shù)N=8的濾袋降低了11.2%。當(dāng)入口風(fēng)速v5=18 m/s，測點(diǎn)1、6的壓降分別是263、653 Pa，二者差值為390 Pa。相比褶數(shù)N=8的濾袋，測點(diǎn)1、6的之間壓降差降低了20.4%，靠近袋口的測點(diǎn)6的壓降降低了15.4%。上述數(shù)據(jù)對(duì)比分析表明，新型雙褶數(shù)濾袋的特殊結(jié)構(gòu)對(duì)濾袋的壓降分布產(chǎn)生較大的影響，縮小袋底壓降和袋口壓降之間的差值，壓降分布更均勻。

圖10 N=10&8的雙褶數(shù)濾袋的壓降曲線

為進(jìn)一步論證壓降分布的不均勻性，引入不均勻度η和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差S0這2個(gè)無量綱參數(shù)來反映褶式濾袋軸向上各位置壓降的不均勻程度。不均勻度η用于描述各個(gè)測點(diǎn)上壓降的不均勻，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差S0表示為濾袋各測點(diǎn)位置的壓降與各測點(diǎn)平均壓降的離散程度，其值越小，表示壓降分布的越均勻。具體公式如下：

(2)

(3)

圖11所示為3種濾袋各測點(diǎn)的不均勻度和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差。由圖11(a)—(c)可知，3種濾袋的不均勻度都隨著入口風(fēng)速的增大而逐漸增大，表明除塵器的處理風(fēng)量越大，濾袋上的壓降分布越不均勻?？拷谖恢玫臏y點(diǎn)6(h=0.9 m)的不均勻度最大(距不均勻度0的距離)。當(dāng)入口風(fēng)速v5=18 m/s時(shí)，褶數(shù)N=10相較于褶數(shù)N=8濾袋測點(diǎn)6不均勻度增加16%。N=10&8的雙褶數(shù)濾袋測點(diǎn)6不均勻度相較于N=8、10分別減小了5%和18%。圖11(d)所示為不同入口風(fēng)速時(shí)3種濾袋的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差S0。從相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差的角度分析，隨著入口風(fēng)速的變大，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差S0數(shù)值增大，壓降分布的均勻性變差。在相同的入口風(fēng)速下，雙褶數(shù)濾袋的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差比常規(guī)褶式濾袋的要小，且在入口風(fēng)速vi=18 m/s時(shí)，雙褶數(shù)濾袋壓降相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差比另外2種常規(guī)褶式濾袋分別減小了7%和18%，壓降分布的均勻性顯著提升，表明新型雙褶數(shù)濾袋有效改善濾袋過濾過程中的壓降分布的不均勻性，隨著處理風(fēng)量的增加，幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)壓降的影響更明顯。

(a)N=8(b)N=10(c)N=10&8(d)3種濾袋模型的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差圖11 不同入口風(fēng)速下的3種濾袋模型的不均勻度和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差Fig.11 Unevennessandrelativestandarddeviationsofthreefilterbagmodelsunderdifferentinletspeeds

圖12所示為不同入口風(fēng)速下3種濾袋模型對(duì)除塵器進(jìn)出口的過濾壓降的影響。從圖中可以看出，除塵器進(jìn)出口過濾壓降均隨入口風(fēng)速的增大而變大。相比褶數(shù)N=8和褶數(shù)N=10的濾袋，雙褶數(shù)濾袋的過濾壓降在不同入口風(fēng)速下都有所減小，最大降幅為13.5%。因雙褶數(shù)的特殊結(jié)構(gòu)可以有效降低褶式濾袋壓降分布的不均勻性，即新型濾袋上半部褶數(shù)的增加，過濾面積增大使得氣體流量分配更均勻。壓降分布越均勻?qū)е赂偷倪^濾阻力，從而減少能量損失。

圖12 除塵器進(jìn)出口過濾壓降隨著入口風(fēng)速的變化曲線

3 結(jié)論

1)褶式濾袋在過濾過程中，靠近袋口上半部的壓降明顯大于靠近袋底下半部的，且越靠近袋口位置壓降越大，與濾袋頂部相比，底部的壓降較小，從下到上呈現(xiàn)非線性增大趨勢；入口風(fēng)速是影響壓降分布的重要參數(shù)之一，濾袋頂部的壓降隨著入口風(fēng)速的增加而增加，表明風(fēng)量越大，壓降分布越不均勻。

2)不同褶數(shù)的褶式濾袋上下串聯(lián)在一起的組合結(jié)構(gòu)對(duì)濾袋的壓降分布產(chǎn)生較大的影響，縮小了袋底壓降和袋口壓降之間的差值，壓降分布更均勻，在入口風(fēng)速為10 m/s的條件下，與褶數(shù)為8的濾袋相比，雙褶數(shù)濾袋的頂部和底部壓降差降低了13.6%，當(dāng)入口風(fēng)速增至18 m/s時(shí)，兩者壓降差降低了20.4%，表明雙褶數(shù)的結(jié)構(gòu)能確保濾袋具有更均勻的壓降分布。

3)隨著入口風(fēng)速的增加，常規(guī)褶式濾袋和雙褶數(shù)濾袋的不均勻度和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差都逐漸變大。相比常規(guī)褶式濾袋，雙褶數(shù)結(jié)構(gòu)有效降低了壓降分布的不均勻性，其進(jìn)出口過濾壓降在各風(fēng)量下都有所降低，最高降低了13.5%，從而可有效降低除塵器能耗。