四入口結(jié)構(gòu)旋風(fēng)除塵器性能的數(shù)值模擬研究

文_陳金鳳 苗治國 馮志永

1 山西省陽泉生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心 2 山西工程技術(shù)學(xué)院

旋風(fēng)除塵器可以有效地降低污染物廢氣中的細(xì)小顆粒物，是煙氣凈化的重要除塵設(shè)備。壓降和除塵效率是評價旋風(fēng)除塵器性能的兩個重要參數(shù)。

入口結(jié)構(gòu)參數(shù)是影響旋風(fēng)除塵器除塵效率的重要影響因素。李振才等和Hideto Yoshida 等對比了帶有雙入口的旋風(fēng)除塵器和帶有單入口的旋風(fēng)除塵器的除塵效率，發(fā)現(xiàn)雙入口結(jié)構(gòu)除塵效率要好很多。Zhao 等數(shù)值模擬了螺旋雙入口旋風(fēng)除塵器的除塵性能，結(jié)果表明，螺旋雙入口氣道提高了氣流的流型對稱性和顆粒的除塵效率。Movafaghian 等研究了兩種不同的單入口和一種雙入口結(jié)構(gòu)對氣液柱狀旋流除塵器的流體力學(xué)性能，結(jié)果表明，只有在接近操作包絡(luò)線的條件下，雙入口結(jié)構(gòu)的流體力學(xué)性能才優(yōu)于單一入口。

目前關(guān)于旋風(fēng)除塵器的研究大部分集中于單入口或雙入口旋風(fēng)除塵器。本文基于常見的單入口旋風(fēng)除塵器模型，分別建立了一種常規(guī)四入口結(jié)構(gòu)和一種新型四入口結(jié)構(gòu)的旋風(fēng)除塵器三維物理模型?；贑FD 數(shù)值模擬，結(jié)合k-e 湍流模型和DPM 模型，考慮入口速度、粒徑大小和顆粒密度因素的影響，對比了三種不同結(jié)構(gòu)旋風(fēng)除塵器的除塵性能。

1 數(shù)理模型

參考Le 等的文獻(xiàn)內(nèi)容，采用Solidworks 三維制圖軟件，分別建立了單入口結(jié)構(gòu)（S1）、常用四入口結(jié)構(gòu)（C4）和新型四入口結(jié)構(gòu)（N4）三種不同的旋風(fēng)除塵器三維模型，如圖1和圖2 所示。其具體的結(jié)構(gòu)尺寸如圖1 和表1 所示，其中表1 中主體的直徑D 為290mm。

圖1 S1 結(jié)構(gòu)及尺寸示意圖

圖2 C4 結(jié)構(gòu)和N4 結(jié)構(gòu)

表1 具體結(jié)構(gòu)尺寸

將三種模型導(dǎo)入至ANSYS ICEM 軟件中，進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。其中，對邊界層進(jìn)行了加密處理。同時，為了保證計算準(zhǔn)確度，對N4 模型在入口速度20m/s、顆粒粒徑3μm、顆粒密度2700kg/m3條件下的網(wǎng)格進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗證，如表2 所示，選用網(wǎng)格總數(shù)1708928 的模型進(jìn)行后續(xù)的模擬。

總網(wǎng)格數(shù) 除塵效率 相對誤差1087691 70.34% -1708928 72.83% 3.53%2375893 72.96% 0.18%

采用穩(wěn)態(tài)計算，開啟豎直向下方向的重力加速度。連續(xù)相為氣體，采用標(biāo)準(zhǔn)k-e 湍流模型；離散相為固體顆粒，選用DPM 模型，不考慮顆粒對流體的作用，曳力方程選用球形顆粒，湍流擴(kuò)散選用隨機(jī)漫步模型。入口選用速度入口，出口選用壓力出口，中心主體的壁面邊界條件設(shè)置為reflect，主體下方圓筒出口的壁面邊界條件設(shè)置為trap，排塵出口的壁面邊界條件設(shè)置為escape。選用的入口速度參數(shù)分別為10m/s、20m/s、30m/s，顆粒粒徑大小分別為2μm、3μm、4μm、6μm、8μm、10μm，顆粒的密度分別為700kg/m3、1700kg/m3、2700kg/m3、3700kg/m3。壓力速度耦合選用SIMPLE 算法，連續(xù)方程、動量方程的殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)為10-5。

2 結(jié)果討論

2.1 模型驗證

對S1 模型在入口速度16.34m/s、顆粒粒徑2 ～7μm、顆粒密度2700kg/m3條件下的結(jié)果進(jìn)行了對比，最大誤差在33%以內(nèi)，在工程應(yīng)用的可接受范圍內(nèi)。

2.2 入口結(jié)構(gòu)

在入口速度20m/s，顆粒密度2700kg/m3條件下除塵效率如圖3 所示，本文所建立的新型N4 結(jié)構(gòu)的除塵效率較S1結(jié)構(gòu)、C4 結(jié)構(gòu)有明顯提高，尤其是對于粒徑低于7μm 的細(xì)小粉塵。該結(jié)果說明，新型N4 結(jié)構(gòu)在捕集細(xì)小粒徑的粉塵顆粒有較好的優(yōu)勢。

圖3 不同入口結(jié)構(gòu)的除塵效率

2.3 入口速度

針對新型N4 結(jié)構(gòu)，顆粒密度2700kg/m3條件下的除塵效率如圖4 所示。隨著入口速度的增加，除塵效率也逐漸增加。其原因是，隨著入口速度的增加，顆粒所受的離心力越大，氣固兩相流中的固體顆粒更容易被分離出來，被壁面捕集。當(dāng)然，在實際工程應(yīng)用中，入口速度不宜過大。

圖4 不同入口速度的除塵效率

2.4 顆粒密度

針對新型N4結(jié)構(gòu)，入口速度20m/s條件下的除塵效率如圖5 所示。隨著顆粒密度的增加，除塵效率也逐漸增加。顆粒密度的增加會導(dǎo)致顆粒的慣性力增加，其所受的離心力也會增加，氣體中的固體顆粒更容易被分離出來，被壁面捕集。

圖5 不同顆粒密度的除塵效率

3 結(jié)語

本文基于常見的單入口旋風(fēng)除塵器模型，分別建立了一種常規(guī)四入口結(jié)構(gòu)和一種新型四入口結(jié)構(gòu)的旋風(fēng)除塵器三維物理模型?；贏NSYS FLUENT 模擬，結(jié)合湍流模型和DPM模型，考慮入口速度、顆粒粒徑、顆粒密度因素的影響，對比了三種不同結(jié)構(gòu)的旋風(fēng)除塵器的除塵性能。結(jié)果表明，新型四入口結(jié)構(gòu)的旋風(fēng)除塵器均比單入口結(jié)構(gòu)和常規(guī)四入口模型有更高的除塵效率，尤其是針對細(xì)小粒徑的固體顆粒（2～7μm）。