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相对端面比对旋风除尘器主要性能的影响

来源：泊头市康越环保发布时间：2017/2/3 14:10:58

为了提高旋风除尘器的分离效率，利用ＲSM 湍流模型构建三维旋风除尘器模型，研究了相对端面比对旋风除尘器主要性能的影响。数值模拟结果表明，随着相对端面比的减小，总压和切向速度随之降低，颗粒的停留时间缩短，因而提高了分离效率，为旋风除尘器的结构优化设计提供参考。

摘要：为了提高旋风除尘器的分离效率，利用Ｒ SM 湍流模型构建三维旋风除尘器模型，研究了相对端面比对旋风除尘器主要性能的影响。数值模拟结果表明，随着相对端面比的减小，总压和切向速度随之降低，颗粒的停留时间缩短，因而提高了分离效率，为旋风除尘器的结构优化设计提供参考。

0、引言：
随着旋风除尘器的推广应用，人们对其性能的［1］。近十余年来，国外学者着手从要求也越来越高整体的三维观点研究流场的结构及性能。Karagoz［2］通过增加涡流长度设计了旋风除尘器，发现其等［3］分离效率比传统旋风除尘器有所提高。刘玄等提出增加排气管的插入深度，会增大旋风除尘器的［4］通压力损失，除尘效率也会因此而提高。Gao 等过改变中心管道的高度和直径，分析了中心管道对旋风除尘器流场的影响，得到了_优的中心管道尺寸。实际上，当粉尘浓度较低且捕集细微颗粒时，旋风除尘器的除尘效率不高，如何有效地提高旋风除尘器性能成为当前创新和突破的难点。
本文借助计算流体软件 CFD 对旋风除尘器进行数值模拟，利用ＲSM 湍流模型建立了三维的旋风除尘器模型，得出旋风除尘器不同相对端面比下的总压和切向速度曲线，分析了除尘器分离效率随相对端面比不同的变化规律。

1、理论模型：
1.1、气体流场：

由于旋风除尘器内具有较强的三维强旋流，并且具有明显的各向异性湍流特点，这里选用ＲSM 模型来模拟旋风除尘器的气相流场，其控制方程主要

［ 5 ］
为输运方程，可写为
－－
 （ ρ u' _i u'_j ）	（ 1 ）
+ C _ij = D _ij － P_ij + _ij － ε_ij	（ 1 ）
 t

式中， ρ 为空气的密度， kg /m ³ ; u' 下注 i ， j ， k 表示空

－－

间坐标; u' _i 和 u' _j 为颗粒在 x 方向的速度平均值和脉动值， m /s ; C _ij 和 D _ij 分别为对流项、湍流扩散项; P _ij 为剪应力产生项; _ij 为压力应变项; ε _ij 为粘性耗散项。 1 ． 2 颗粒动力场与颗粒本身的惯性力相比，颗粒在除尘器流场中运动时所受的浮力、压力梯度力、附加质量力以及重力等在量级上均很小，可忽略不计。因此，从牛顿_定律可以直接得出颗粒的运动方程:

^m p	du _p		= F _C + F _D	（ 2 ）
		dt
			j	j

式中， m _p 和 u _p 分别为颗粒质量和运动速度， F _C _j 为颗粒之间、颗粒与壁面之间碰撞产生的力， F _D _j 为流

体粘性作用在颗粒上的拖拽力，可写为

_d 2

F _D

πρ _p

C _D （ u_g － u_p ） | u_g － u_p |

（ 3 ）

式中， C _D 为气体－颗粒阻力系数， d _p 为颗粒直径，

u _g ，u_p 分别为气体和颗粒的速度。

数值模型与计算

2 ． 1

几何模型

所示，

本文选用的旋风除尘器三维模型如图 1

除尘器高度 H = 760 mm，直径 D₀ = 190 mm，其中矩

形部分为进气管道，进气管道高度 a = 95 mm，宽度

b = 38 mm ; 大的圆柱部分为主筒体，高度 h = 285

mm ，下部梯形圆台部分为锥形灰斗，直径 D _c = 72 ． 5

mm ; 上部的小圆柱为出气管道，直径 D

= 64 mm ，其

深入到主筒体内部的高度Ｒ = 95 mm，漏在外边的

高度 L = 55 mm。

图 1旋风除尘器的三维模型

2 ． 2		网格划分

		采用六面体进行网格划分，分别选取 3			种网格

	数来计算 1 μm		颗粒的分离效率，计算结果如表 1

	所示。可以看出，随着网格数的递增，分离效率相对

	误差逐步减小。为了_计算精度，本文选用 93

216 个网格单元数进行模拟计算。

		表 1	旋风除尘器网格无关性验证

		网格数	分离效率 /%	相对误差 /%

		78 765	59 ． 88	－
		85 941	62 ． 12	3 ． 74
		93 216	63 ． 54	2 ． 28

2 ． 3		边界条件
		出口采用流动出口，固体壁面、其他壁面分别采

	用无滑移壁面和反射边界，其他边界条件设置见表

2 。

			表 2 边界条件设置


		边界条件		设置


		入口		速度入口

		排灰口		捕集界面
		排气口		逃逸边界

3、计算结果与分析：

相对端面比是旋风除尘器入口截面积与筒体截面积之比，记为 K。矩形进口管的高度 a 及筒体直径 Do 是影响旋风除尘器除尘效率的两个重要因素。鉴于此，本文分别通过改变进口高度 a 和筒体直径Do 来考察不同相对端面比对旋风除尘器性能的影响。

3.1、可靠性验证：
本文模拟了旋风除尘器结构在 x = 0 截面上 z =150 mm 位置处的切向速度沿半径方向（筒体中心线指向筒壁的方向）的变化，与文献［］的实验数据6 进行了对比，结果如图 2 所示。可以看出，模拟结果与文献［］中的实验数据吻合较好，从而验证了本6 文理论和数值模型的可靠性。

图 2切向速度沿径向的变化曲线

3.2、相对端面比对除尘性能的影响：

不同相对端面比下，旋风除尘器颗粒运动轨迹如图 3 所示，从左至右依次为 K = 5，K = 7 以及 K =9。可直观地看出，随着相对端面比的减小，颗粒在除尘器中旋转的圈数减少，即其在除尘器中停留的时间逐渐减少，这_使得颗粒更早进入排灰口从而易于被捕集。

图 3 不同相对端面比下旋风除尘器颗粒运动轨迹

切速度是除尘器内量级_、_主要的分速度，也是影响颗粒捕集的主要因素之一。不同相对端面比下旋风除尘器内部切速度沿半径方向变化的曲线见图 4。由图 4 可知，切速度随半径增大先急剧增大，到达峰值后再逐渐减小，曲线呈左右对称的“驼峰”形分布，这是因为在下旋气流中切速度随着径向半径的增大而减小，而在上旋气流中切速度随着径向半径的增大而增大。此外，随着相对端面比的增大，旋风除尘器内部切速度逐渐增大。

图 4不同相对端面比下内部切速度变化曲线

压力场的大小与分布直接影响旋风除尘器的除尘效率，而总压又是反映旋风除尘器压力场分布的重要指标。图 5 给出了不同相对端面比下的总压曲线，分析后不难得知: 旋风除尘器内的总压沿半径方向呈非线性增大趋势，_后逐步趋于平缓，曲线的斜率先增大后减小，这是因为在上旋和下旋气流的交界处压力变化明显的缘故。此外，随着相对端面比的减小，旋风除尘器内部的总压不断减小。