基于fluent软件的旋风除尘器优化设计旋风除尘器是一种重要的气-固分离设备，因为其结构相对比较简单、设备紧凑、制造容易、成本相比来说较低等优点，被大范围的应用于矿山、化工、能源、环保、冶金、建材等众多工业领域。然而往往因其结构设计不正确，尺寸匹配不合理等因素限制了除尘效率的提升，同时能耗专门大。当前，随着经济稳步的增长及国家对环境爱护日益重视，工业生产里，迫切地需要一种高效率低能耗的新型旋风除尘器。为此，本文针对旋风除尘器传统设计方法不够完善，通用性差及其内部三维流场规律认识不全面等咨询题，采纳优化设计和数值模拟相结合的研究方法，考察分析了不一样的情形下的颗粒运动轨迹及不同入口颗粒浓度、不同排气管插入深度、不同进气口形状、不同直管长度等操作与结构参数对分离性能的阻碍；采纳Fluent件进行数值模拟，基于上述的数值模拟结果，有效地推测了优化型旋风除尘器结构尺寸匹配的合理性及提出的优化设计方法的可行性，从而为今后旋风除尘器的研制提供了一种通用的设计方法。因此本文的研究不管是在工程应用，依旧在理论研究方面上都具有十分重要的价值。关键词：旋风除尘器；优化设计；数值模拟；FluentABSTRACTCycloneseparatorimportantgas-solidseparationequipment,whichhasmanyadvantages,simplestructure,compactequipment,easymanufacture,relativelylow-costhasbeenwidelymining,chemicalindustry,energysource,environmentalprotection,metallurgy,buildingmaterialsotherindustrialfields.Howeveunreasonablestructuredesignsizematchingfactors,whicefficiencyimproving,besideswastesmoreenergyconsumption.Keywords:Cycloneseparator;Optimizationdesign;Numericalsimulation;Fluent名目第一章绪论1.1论文研究的目的1.2论文研究方法及内容第二章旋风除尘器的分离理论与性能分析2.1旋风除尘器的工作过程2.2旋风除尘器内部的旋流2.3旋风除尘器的分离理论2.4旋风除尘器的性能评判指标2.5阻碍除尘器的性能的因素第三章CFD原理143.1CFD简介143.2常用CFD软件153.3CFD理论基础163.4常用离散化方法173.5CFD中的三维湍流模型183.6CFD求解过程19第四章Stairmand型旋风除尘器的流场模拟194.1Stairmand型旋风除尘器结构尺寸的确定194.2FLUENT流畅模拟21第五章OC型旋风除尘器的结构设计及流场模拟265.1改进思想265.2改进措施265.3OC型旋风除尘器的除尘机理285.4OC型结构设计295.5OC型旋风除尘器流场模拟31第六章结论与展望366.1课题结论366.2课题展望36致谢39第一章绪论旋风除尘器自从应用于工业生产以来，已将近有百余年的历史。然而因为其结构设计尺寸不合理等因素限制了除尘效率的提升，同时能耗专门大。当前，因为国民经济的持续增长，国家提出了“节能减排”战略，在工业生产里，迫切地需要研制高效率低能耗的新型旋风除尘器。为此，本文针对旋风除尘器传统设计方法不够完善，通用性差及其内部三维流场规律认识不全面等咨询题，采纳优化设计和数值模拟优化相结合的研究方法，第一基于经典的Leith-Licht边界层分离理论，建立了旋风除尘器优化设计数学模型，通过体会公式得出了设计工况下的结构尺寸；然后以优化出的旋风除尘器为研究对象，通过商业软件FLUENT，对其内部气相流场进行了数值模拟，对旋风除尘器内部的固相颗粒进行了数值模拟研究，考察分析了不一样的情形下的颗粒运动轨迹及不同入口颗粒直径等对分离性能的阻碍；最后，基于上述的数值模拟结果，有效地推测了优化型旋风除尘器结构尺寸匹配的合理性及提出的优化设计方法的可行性。本文的研究不管是在工程应用，依旧在理论研究方面上都具有十分重要的价值。1.1论文研究的目的随工业的迅猛进展，操作条件变的更为苛刻，工作环境变得更加复杂，对旋风除尘器性能的要求也在一直提升。一方面要求旋风除尘器具有更高的分离效率；另一方面要求旋风除尘器的压力缺失进一步减小，以降低能耗。因此，迫切地需要研制出高效能且低能耗的新型旋风除尘器。通常是采纳具有针对性地开发新结构或优化各部分尺寸的方法，来减少坏因的阻碍，以达到高效除尘的目的。但由于旋风除尘器的分离捕集过程是一种极为复杂的三维、气-固湍流运动，致使给理论与试验研究造成专门大困难，至今仍无法全面把握其内部流场的分离规律，更不能从理论上建立一套完整的数学模型来指导旋风除尘器的设计工作，从而使得旋风除尘器在除尘过程中往往因结构设计不当、尺寸匹配不合理、能耗较高等咨询题阻碍旋风除尘器的除尘成效。期望本文的研究能为今后在旋风除尘器的优化设计和分离特性研究等方面，提供一些有意义的参考和理论指导。1.2论文研究方法及内容本课题以旋风除尘器为研究对象，采纳理论分析、优化设计、数值模拟及对比验证的研究方法，从结构尺寸优化和内部三维强旋转流场数值模拟两方面来进行深入的研究与分析。为此，要紧展开以下的研究工作：（1）针对目前旋风除尘器结构设计中存在的咨询题，引入优化设计思想，通过变量的选取、目标函数及约束条件的确定，建立优化设计数学模（2）以优化出的旋风除尘器为研究对象，利用CFD商业软件FLUEN对其进行三维流场的数值模拟研究，并建立一套适合旋风除尘器内部流场模拟的数值运算方法。（3）在三维气固两相流场的基础上，重点考察分析入口颗粒浓度参数对旋风除尘器分离性能的阻碍。（4）通过对优化型旋风除尘器的数值模拟研究，进一步考察分析优化型旋风除尘器的分离性能及提出的优化设计方法的可行性。本文总的研究分析路线理论研究的步骤对旋风除尘器分离机理及评判性能指标进行理论分析及研究对旋风除尘器结构尺寸来优化设计研究对优化型旋风除尘器三维流场进行数值模拟研究进一步考察分析优化型旋风除尘器的分离性能及优化设计方法的可行性对优化型旋风除尘器的分离性能进行初步分析进一步揭示旋风除尘器内部流体的运动规律及分离特性第二章旋风除尘器的分离理论与性能分析2.1旋风除尘器的工作过程旋风除尘器要紧由筒体、圆锥体、进气管、排气管和排灰管等五部分所组成，旋风除尘器的工作过程是：2.11.进气口；2.排气口；3.筒体；4.旋流；5.锥体；6.排灰管 当含尘气流从进气口以较高的切向速度 (一样为 12-25m/s)进入旋 风除尘器圆筒部分后，气流将由直线运动变为圆周运动，并沿内外圆筒间 的环路空间和锥体部位做自上而下的螺旋线运动，称外旋流。 含尘气流在旋转过程中产生专门大的离心力，由于尘粒的惯性远大于 空气，因此密度大于空气的尘粒会被甩向器壁。尘粒一旦与器壁接触，碰 撞，便失去惯性力而靠入口速度的动量和重力沿壁面下落，与气体分离， 最后经锥体底部排入灰斗内。旋转下降的外旋气流在圆锥部分运动时，随 圆锥形体的收缩向除尘器中心靠拢。按照“旋转矩”不变原理，其切向速 度持续提升，尘粒所受离心力也持续加大。当气流到达圆锥体某一位置时， 便以同样的旋转方向形成一股由下而上的螺旋线运动，称内旋流。最后净 化的气体经排气管排出，一部分未被捕集的尘粒也由此逃逸。旋风除尘器 内的实际气流运动是专门复杂的，除了切向和轴向运动外，还有径向运动。 如在外旋流有少量气体沿径向运动到中心区域，在内旋流也存在着离心的 径向运动现象。 2.2旋风除尘器实图 2.2 旋风除尘器内部的旋流 按照旋风除尘器的工作过程，除尘器内部的气体流淌能够看成是一个 旋涡运动，其内部的气 -固两相流运动是专门复杂的。含尘气流在旋风除尘 器内作旋转运动时，任何一流体质点的速度矢量均可分解为三个速度重量， 即切向速度 ，使粉尘颗粒在半径方向具有由里向外的离心沉降速度！使得颗粒与圆筒壁而被分离；后者是把粉尘颗粒在半径方向 由外向里推到中心涡流，而后随上升流从排气管逃逸。这是旋风除尘器内 流场中三个速度重量中的一对要紧矛盾，称为主流。另外，径向速度 轴向速度也构成一对矛盾，也阻碍着除尘器的除尘效率，称为次流。除了上面描述的主流与次流，还有许多我们不需要的涡流，它们对旋风除尘器 的除尘效率和压力缺失阻碍较大，要紧有以下几种： (1)短路涡流 在旋风除尘器顶盖、排气管外壁与简体内壁之间，由于径向速度与轴 向速度的存在，将形成局部上涡流，夹带着相当数量的粉尘颗粒向中心流 淌，并沿着排气管外表面下降，最后随上升流逃逸排气管，以此来降低除尘 效率。 (2)外旋流中的局部涡流 由于除尘器壁面的不光滑，如突起、焊缝等，可产生与主流方向垂直 的涡流。尽管强度较小，但这种涡流会使已被甩到壁面的颗粒重新卷到内 旋流中去，甚至可使较大的尘粒也被带出排气管，降低了旋风除尘器的分 离能力和除尘效率。 (3)纵向旋涡流 纵向旋涡流是以旋风除尘器内、外旋流分界面为中心的器内再循环而 形成的纵向流淌。由于排气管内的有效流通横截面积小于排气管下端口的 有效横截面积，因此在排气管下端口处产生“节流”效应，从而使气体对 大颗粒的拖曳力超过颗粒所受的离心力， 造成“短路”，进而阻碍分离性能。 (4)底部夹带涡流 外层旋流在锥体底部向上返转时，也能够产生局部涡流将粉尘颗粒重 新卷起，形成二次夹带。底部夹带的粉尘量占从排气管带出粉尘总量的 20% -30％。因此，采纳合理的结构设计，以此来减少底部夹带是改善旋风除尘 器除尘效率的重要方面。 2.3 旋风除尘器的分离理论 (1)转圈理论 转圈理论也能够称为沉降分离理论，是在类比重力沉降室的沉降原理的基础上进展起来的。图 2.3重力沉降示意图 在沉降室中，粉尘在自身重力作用下以速度 向下沉降，同时粉尘又以水平速度 ，则粉尘颗粒就能在到达沉降室出口前，沉降到底板而被分离。即沉降室的长度三与尘粒在沉 降室内的沉降高度 h应满足下列关系式： 旋风除尘器也有径向向外的离心沉降速度，也有旋转切向速度，如果旋转圈数足够多， 即展开后的长度相当于水平沉降室的长度 ，则粉尘就能从排气管外壁与圆筒内壁间的环形空间被分离。依据转圈理论，把进入除 尘器内的气流假定为等流速 (速度分布指数 )。而尘粒随气体以恒定的切向速度(与位置变化无关 内向外克服气流对它的阻力，穿过整个气流宽度，流经一个最大的净水平距离，最后到达器壁被分离。忽略颗粒间的相 互作用及边界层的效应，则运算出的临界粒径 100 ——临界粒径，m；Ls ——气流总高度，

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