设计一种旋风除尘器流设计一种旋风除尘器流.doc

设计一种旋风除尘器流场的优化计算方法 摘要：随着社会发展，旋风除尘器的应用也越来越广泛，本文首先介绍了旋风除尘器的结构与工作原理，之后通过数值模拟的方法对旋风除尘器进行了相应研究，并得出了一些结论。 旋风除尘器概述 (1)旋风除尘器原理介绍 旋风除尘器是除尘装置的一类，适用于工矿业。旋风除尘器是利用旋转气流产生的离心力使尘粒从气流中分离的，用来分离粒径大于10μm的尘粒。如图1所示为旋风除尘器的结构图，旋风式除尘器由筒体1、锥体2，进气管3、排气管4和排灰口5等组成。 图1 旋风式除尘器结构简图 旋风除尘器是利用旋转气流所产生的离心力。由于物体旋转而产生脱离旋转中心的力，离心力是一种惯性的表现，实际是不存在的。为使物体做圆周运动，物体需要受到一个指向圆心的力即向心力。若以此物体为原点建立坐标，看起来就好像有一股与向心力大小相同方向相反的力，使物体向远离圆周运动圆心的方向运动。当物体受力不足以提供圆周运动所需向心力时，看起来就好像离心力大于向心力了，物体会做远离圆心的运动，这种现象叫做 “离心现象”。旋风除尘器就是利用离心力将颗粒分离出去。 (2)旋风除尘器内气流与尘粒的运动 气流从宏观上看可归结为三个运动：外涡旋、内涡旋、上涡旋。含尘气流由进口沿切线方向进入除尘器后，沿器壁由上而下作旋转运动，这股旋转向下的气流称为外涡旋（外涡流），外涡旋到达锥体底部转而沿轴心向上旋转，最后经排出管排出。这股向上旋转的气流称为内涡旋（内涡流）。外涡旋和内涡旋的旋转方向相同，含尘气流作旋转运动时，尘粒在惯性离心力推动下移向外壁，到达外壁的尘粒在气流和重力共同作用下沿壁面落入灰斗。气流从除尘器顶部向下高速旋转时，顶部压力下降，一部分气流会带着细尘粒沿外壁面旋转向上，到达顶部后，在沿排出管旋转向下，从排出管排出。这股旋转向上的气流称为上涡旋。 旋风除尘器汽固两相流数值模拟研究 2.1 数值模型的选取 目前对旋风分离器内气相流场的模拟，使用较多的模型有：Standard k-ε模型[1]、RNG k-ε模型[2]和RSM模型[3]。标准k-ε模型是由Launder和Spalding在1972年提出的，是由紊流动能方程和紊流扩散率公式所得出的一个半推导、半经验模型方程，所以标准k-ε半经验模型对于模拟完全紊流状态流体的情况比较适用，而对于强旋流或者是弯曲壁面运动的流体的模拟不太适用。RNG k-ε模型（重整化群k-ε模型）是由Yakhot及Orzag提出的，该模型是在Standard k-ε模型的基础上发展起来的改进型模型，是由理论推导出来而不是依靠经验来确定的，适用性比Standard k-ε模型更强，能更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动。RSM模型的建立与涡粘性假设相悖，RSM模型的建立是通过考虑湍流流体的各向异性的特点，建立RSM的微分输运方程，并且模型还将壁面对雷诺应力分布的影响当做了重要因素来考虑，与前两种模型相比，RSM模型所包含的物理因素更多一些，相对来说模型相对要复杂，但是计算的精度也提高了很多。 鉴于考虑硬件计算设施的要求和计算的准确度之间的关系，对旋风除尘器的数值模拟本文采用的是RSM模型。以下是对RSM模型的简单介绍。 RSM模型（RSM） RSM模型用作模拟的是一种不可压缩的湍流流动，RSM模型方程，可以表示为： (1) 上式简化为： (2) （2）式中，，，，不需要模型，，，，需要建立模型使方程组封闭。 湍流扩散的模型：，其中， 湍流浮力的影响：， 发散率的模型： 其中：，， (3) 2.2有限元模型与网格划分 本文使用GAMBIT建立实体三维模型，如图2所示，并对其进行网格划分。划分网格图3所示。网格划分是影响计算精确度与计算耗时的重要因素，网格划分过小，迭代计算发散，导致计算结果收敛困难，计算的复杂程度呈几何级数上升。反之，网格划分过大，计算的精度达不到要求。鉴于现有条件的限制，将网格划分为六面体网格单元，网格的Skewness的值控制在0.1~0.4范围之内，这样便符合了计算精度的要求。 图2 GAMBIT中旋风除尘器的实体模型 图3 GAMBIT中旋风除尘器的网格划分图 2.3边界条件的输入 旋风分离器内的气体流动为多相流动，为了便于求解，进行一些简化 [4]： （1）气体在旋风分离器内的流动为稳态流动； （2）由于气体在旋风分离器内流速较慢，故将气体作为不可压缩流体考虑； （3）入口处的气体看作相同流速，这只是一种理想计算； （4）假设无气体从旋风分离器的排尘口流出。 具体参数定义如下： （1）入口处流体。除尘器入口处空气温度为373.15K，密度1.225kg/m3，粘度为18.1×10-6。并定义入口处气体流速为15m/s，且在入口截面分布均匀。通过计算得出水利直径D及湍流