河南科技大学:自然科学版JournalofHenanUniversityofSeieneeandTechnology:NaturalSeieneeV0I_28No.4Aug.2007文章编号:1672—6871(2007)04—0053—04旋风除尘器的气固两相流的数值模拟与分析(I.河南科技大学建筑工程学院,河南洛阳471003;2.重庆大学城市建设与环境工程学院,重庆400045)摘要:采用Reynold应力方程湍流模型(RSM)模拟旋风除尘器内的流场,并得到流场内Reynold应力具有各向异性的特征.采用离散相模型(DPM),模拟了固体颗粒运动轨迹,并对固体颗粒的分离效率进行了分析.关键词:旋风除尘器;湍流模型;离散相模型;网格划分;分离效率中图分类号:TU834.64文献标识码:A旋风除尘器是利用离心力场中两相介质存在密度差,将固体颗粒从气体中分离出来的一种分离设备,与重力沉降和过滤等分离方法相比,涡旋分离具有分离效率高,设备体积小等特点,因而在工矿企业除尘系统中得到了广泛的应用.旋风除尘器虽结构相对比较简单,但其中的流场与分离过程却相当复杂,是带有回流的强涡旋动.为了揭示涡旋分离器中的流动与分离规律,进而对其技术特性进行较为科学的预测或评价,长期以来人们在其实验模拟和优化设计方面开展了大量工作.近年来,数值计算技术和湍流模拟理论的迅速发展,为人们利用流场模拟的方法更加系统深入地研究旋风除尘器内的复杂流动现象提供了新手段.本文利用ReynoldStressEquationModel(RSM)湍流模型和DiscretePhaseModel(DPM)两相流模型,采用SIMPLEC算法进行求解,对如图流动控制方程的选择流动的基本方程为连续性方程和动量方程(对于湍流为Reynold方程),k一双方程湍流模型在数值模拟方面已经被广泛采用,但这种模型由于采用的是各向同性的湍动粘度来计算湍流应力口,因此难于考虑旋转流动及流动方向表面曲率变化的影响,对于旋风除尘器具有强涡旋的情况,本文采取直接对Reynold方程中的湍流脉动应力直接进行求解而建立Reynold应力方程模型(RSM).旋风除尘器中固液两相流中固体颗粒的体积百分比一般在15%以下,因此两相流模型采用离散相模型(DPM),由于流动基本方程在很多文献中已经列出,这里只列出适合本文的RSM模型和DPM模型.1.1Reynold应力方程模型在DSM模型中,用于确定Reynold应力各分量方程的形式如下,式中各参数如表1所示.式中,,.为时均速度分量,m/s;为分子粘度,Pa?S;p为流体密度,kg/m3;p为Reynold应力分量,N/m2;.为湍动粘度五=pk2基金项目:重庆市建委科技攻关项目(200641)作者简介:王子云(1972一),男,甘肃景泰人,讲师,博士生收稿日期:2006一10—301.除尘器排气口;2.除尘器入口;3.除尘器内筒;4.除尘器外筒:5.除尘器排灰口三()dxOkp(uatt:j+tt~Ui)一c}(一-~-k6q)一c:(P为湍动能+Opu,k=(+)譬]+1(ps公式中各常量取值为C=0.09,=0.82,=1.0,C:1.5,C:=0.4,C=1.45,c=1?91.2离散相模型离散相模型是在Lagrange坐标系统下,对作用于颗粒上的力的微分方程进行积分,获得颗粒的运动轨迹,颗粒受力微分方程为(方向)式中F.U--Up)为颗料的单位质量曳力,F.=18/.~CoRe:.,cd=0.22+2411+0.15(Re)]…;H为流体速度,m/s;为颗粒速度,m/s;为的单位质量体积力,m/s;p为颗粒密度,kg/m3;d为颗粒直径,;F为其它作用力,文中考虑中颗粒受到的离b-hu数值计算2.1物理模型及网格划分根据图1中的旋风除尘器的结构尺寸,建立三维物理模型,为将网格全部划分成六面体单元,以减少存储空间和运算量,采用分块结构网格和非结构网格相结合的方式,采用Gambit网格划分软件,将整个模型分成7个子块,分别进行网格划分,物理模型和网格划分见图2.2.2边界条件设定X方向坐标流体入口边界条件为流速入口边界=18m/s,出口边界条件为压力边界,结合实际除尘器管道连接取为一1685Pa,壁面为无滑移边界.离散相边界条件,入口边界和出口边界设为逃逸边界,排灰口设为捕捉边界,其它边壁设为反射边界,离散相颗粒直径和入口流量根据气体含尘量,按照表2取值.2.3物性参数设定空气温度t=30oC,密度为P=1.2kg/m,动力粘度/.t=1.8710～,固体颗粒为滑石粉尘,密度为P=2730kg/m,模拟过程假设固体颗粒为球状颗粒.固体颗粒入口质量流量2.4求解计算利用DSM湍流模型,根据以上网格划分和边界条件,采用控制体积法对控制方程进行离散,采用SIMPLEC算法先对流场进行求解,得到流体流场分布,然后分不同粒径模拟固体颗粒的运动轨迹和分离效果.在计算固体颗粒运动时,由于颗粒体积百分比小于15%,为简化计算,不考虑固体颗粒运动对流场的影响.模拟计算结果与分析3.1流场中的速度与压力分布如图1,取轴向坐标分别等于0.5,0.7,0.9,1.15m,径向速度,切向速度,轴向速度,静向的分布见图3.从速度分布能够准确的看出径向速度的变化要比轴向速度和切向速度的变化小一个数量3a,3b轴向速度和切向速度分布可看出旋风除尘器内存在外旋向下,内旋向上的轴向涡旋,内外涡旋旋转方向一致,这一主涡旋是形成固体颗粒分离的主导因素.轴向速度和切向速度分布由于入口气流的影响,只是以轴成近似对称分布.由图3b,3c切向速度和径向速度分布能够准确的看出,除存在轴向的主涡旋外,切向也存在涡旋,两侧气流由外测向下流动,到底部后向内侧旋转而上,当气流到达除尘器内筒时,由于外测高速气流的诱导,部分气体向外测流动,形成切向涡旋,这一涡旋可以使固体颗粒再次扬起,不利于除尘效果.由图3b,3cz=1.15m也可看出气体在除尘器内筒两侧有微涡旋,它可以使少量固体颗粒滞留在顶盖附近.由图3d,能够准确的看出除尘器内的静压分布呈轴对称分布,内侧涡旋压力小于外测涡旋静压,和文献[8]中的论述一致.方向坐标/m(a】轴向速度分布力向坐标(c)径向速度分布一-z=0.9,/茂粤z=1.15方向坐标/m(b)切向速度分布方向坐标(d)静压分布为z=0.9m处Reynolds应力沿坐标方向的分布,可见应用RSM湍流模型计算得到的流场中,同一位置的Reynolds应力有着非常明显的各向异性特征,在外涡旋处Reynolds应力差异性比在内涡旋处更明显.正应力(,,)较切应力(,,)大.3.2固体颗粒运动轨迹及分离效率分析颗粒轨迹模拟分别以表中的粒径代表模拟粒径,运动轨迹结果见图5.能够获得当颗粒粒径大于35m时,固体颗粒可以被完全分离,由图5a能够准确的看出,颗粒只在外旋由上向下旋 转运动,随后从排, 灰口被分离出除尘器.当粒径等于25m时(图5b,c,d)固体颗粒开始由于气流挟带作 用大于重力和 离心力的作用,跟随气体内旋向上运动.随着颗粒的变小,内旋中的颗粒数增多,颗粒运动轨迹也 相对复杂.在除尘器顶盖附近有少量颗粒由于微 涡旋作用会滞留于除尘器上部,图中颜色变化范 围为颗粒在除尘器内的停留时间. 为分析颗粒的分离效果,将颗粒分离效率定 义为,叼(.jJ 田为某一代表粒径的分离效率;为被分离 的颗粒数;为含尘气体中某一代表粒径的总颗 根据模拟得到的各代表粒径的分离数量,由公式3 计算得到各代表粒径的分离效率见表3,由 可见,随着粒径的增大,分离效果增强,计算得到的全分离效率和实测效率比较一致.因此利 eynoldDSM ()采用适合于旋转流动的_ 应力方程模型()模拟旋风除尘器流 DPM3固相的离散相模型(),在考虑重力和离心力的情况下,可模拟 得到固体颗_粒的运动轨迹,结合流场分布特征,分析_除尘器内部影响固体颗粒分 离的因素,_可为除尘器优化设计提供参考.()根 图4Reynolds 应力分布图 (a)dp=35trm(b)=25m(c)dp=15m(d)4=5Itm 颗粒分离效率参考文献: [I]邹声华,刘建仁.普通旋风除尘器结构尺寸优化设计[J].环境科学,1999,19(3):342 —344. [2]陶文铨.数值传热学[M].2 版.西安:西安交通大学出版社,2001. [3]DalyBJ,HarlowFH.Transpo~EqualtionsinTurbulence[J].PhyFluids,1970,13(1):2634 —2649. [4]王福军.计算流体动力学分析[M].北京:清华大学出版社,2002. [5]fluentInc.FLUENTUserSGuide[M].[S.L.]FluentInc,2003. [6]陶文铨.计算传热学的近代进展[M].北京:科学出版社,2001. [7]fluentInc.GAMBITModelingGuide[M].[S.L.]FluentInc,2003. [8]陆亚俊,马最良,邹平华.暖通空调[M].北京:中国建筑工业出版社,2002. 某型旋流池分离效果的数值模拟研究[J].给水排 水,2005,31(11):103—107

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