正域旋風（fēng）除塵器內部流（liú）場的（de）數值模擬研究（jiū）

旋風除塵器是含塵氣體進入除塵器後在離心力（lì）的作用下（xià）實現氣、固分離（lí）的（de）一種設備，可分離、捕集粒（lì）徑為5μm以（yǐ）上的粉塵。旋風（fēng）除塵器由於結構簡單，製造及運行（háng）成本低，在工業中（zhōng）的應用（yòng）廣泛。來，眾多研究者（zhě）對各類旋風（fēng）除塵器的內部氣流（liú）狀態與固體顆粒的運動（dòng）規律做了大量的研究工作，取得了許多進展（zhǎn），但由於旋風除（chú）塵器的分離、捕集過（guò）程是一種複雜的三維、二相湍流運動，其理論與試驗（yàn）研究困難重重，至（zhì）今還未能掌握其內在規律，也沒有（yǒu）完善的、成（chéng）熟的數學模型，導（dǎo）致（zhì）研究和設計多采用經驗、半經（jīng）驗的方法。

隨著計算機技術的不斷進步（bù）和計算（suàn）流體動力學（CFD）理論的不斷發展，CFD技術已經成為繼理論（lùn）流體（tǐ）力學和試驗流體力學之後研究（jiū）流體問題（tí）的又一重要手段。目前，CFD方麵的軟件很多，FLUENT軟件是其中的典型代（dài）表，該軟件已在機械、建築、汽車（chē）等行業廣泛使用。人們已經（jīng）開始利用計算機技術對旋風除塵器（qì）進行各種（zhǒng）形（xíng）式的數值模擬（nǐ）研究。1982年，BOYSANF將CFD技（jì）術用於模擬（nǐ）旋風分離器的流場分析（xī）中。林瑋（wěi）等采用Ｒodi提出的k－ε模型，計算了切向入口旋風分離器（qì）內部流場，的軸向和切（qiē）向速度與試驗結果相（xiàng）近。本次研究采用CFD技術，利用ANSYS軟件中的FLUENT模塊，對幹法選煤係統中的FXX18旋風（fēng）除塵器內部流場進行模擬研究。

1模型參數設（shè）置

1.1模型的建立（lì）

在（zài）利用CFD技術進行數值分析時，一般分為三個階段：

（1）前期處理階段。將研究問題抽象、簡化為計算機可（kě）以識別的數據模型，以便計算（suàn）機軟件進行計算。

（2）求解階（jiē）段。CFD問題的求解是由軟件讀取前期處理（lǐ）階段產生的數據，並進行運算求解（jiě），一係列相關物理數據。

（3）數據分析階段。對計算機求解出的數據結果進行分析，得出結論。

FXX18型旋風除塵器是煤炭研究總院唐山研究院研製的幹法選煤工藝係統（tǒng）中的關鍵設備之一（yī），可對係統循環風進行除（chú）塵，是整個係統運行的重要設備。FXX18型旋風除塵（chén）器結構示（shì）意圖如圖所示，結構（gòu）參數見表。

1.2數值模擬

對旋風除塵器內（nèi）部流場進行數值模擬，首先利用三維建模軟件按照表1中的數（shù）據對除塵器進行建模，然後導（dǎo）入到FLUENT軟件中。因（yīn）計算域形狀不規則，故（gù）采用四麵體網格進行網格劃分。考慮到邊界層流場的物理場梯度變化大，網格劃分時靠近表麵層的網格設置密一些，其餘部分網格相對較疏，這樣既能提高分析精（jīng）度，又能很好地控（kòng）製網格數量，從而控製計算時間。在進行邊界條件設置時，根據工程實際情況，將流體介質設置為空氣，計算時考慮重力影響（xiǎng），重力加速度取9.81m/s2，進氣口處氣體速度為17m/s，對應馬赫數＜0.3，流體所受（shòu）的壓力不足以壓縮流體，流（liú）場可視為不可壓縮流場。出氣管處設置為outflow邊界，出口壓力設為標準大氣壓。ＲNGκ－ε模型計算精度較好，模擬強旋流場具有優越性，所以計算模型選擇κ－epsilon（2equ）模型，子模型選擇為ＲNG，同時選擇SwirlDominatedFlow選項，湍流（liú）強度設置為10%，水力直徑為0.82m。

2結果分析（xī）

FLUENT軟件計算完畢後，可利（lì）用軟件所提供的數據處理工具，對數據進行處理，旋（xuán）風除（chú）塵器內部流場的特點。

2.1切向速度

為通過數值模擬後的除塵器切向流速度分布圖。切向速度在內部流場分布中占（zhàn）主（zhǔ）導地（dì）位，為了更清楚地認識剖麵上的速（sù）度分布情況，在距離出風口位置y=2、2.5、3m位置設置3條（tiáo）參考線，並繪（huì）製（zhì）出該參考（kǎo）線上的切向速（sù）度，分布曲線如圖3所示。由圖3可知：曲線具（jù）有的對稱性，靠近筒壁處，因受到（dào）摩擦力的影響，速度近似為零；切向速度沿筒壁向軸心方向逐（zhú）漸增大，當達到值（zhí）後又降低，這是因為依據角動量守（shǒu）恒定律，空氣的流速會（huì）隨著半徑的縮小而逐漸加大，而中心位置切向速度突然降低，是因為受到離心（xīn）力的作用（yòng），中間（jiān）部分會形成空心柱，致使其中心位置的切向速度幾乎為零。

2.2軸向速度

通過數值模擬後的除塵器軸向流速（sù）度（dù）分布，如圖所示（shì）；軸向速度分布曲線，如圖所示（shì）。分析可知：在入口空氣運動和入口壓力的作用下，旋風（fēng）除塵器的內部流場形成了一個沿軸向上，外層下行（háng）、內層上行的氣體雙層旋轉流動（dòng）結構。這是由於含塵氣體（tǐ）從進氣管進入除塵器後，開始沿著筒壁做旋（xuán）轉運動，並在入口動壓作用下，被迫向除（chú）塵器底部流動。當到達除塵器錐段時，由於半徑逐漸變小，含塵氣（qì）體又被迫向除塵器中心流動並最終向（xiàng）上到達排氣口（kǒu）排（pái）出。

2.3徑向速度

除塵器徑向速度分（fèn）布情況模擬結果，可知：徑向速度與切向（xiàng）速度相比要小很多，並且呈的對稱性，通過對y=2、2.5、3m處的模擬（nǐ）結果進行擬合（hé），繪製出（chū）切向速度（dù）分布曲線。在整個（gè）流場中，徑向速度的變化（huà）相對較小，且方向基本一致。這（zhè）些特點都有利於除塵器的除塵，降低灰塵顆粒沿半徑方（fāng）向流動至中心上升流層的概率。

2.4壓力分布

對除塵器的（de）壓力場進行分析，可以得出除塵器壓（yā）力損失（shī）的（de）產生機理，並可針對性地進行結構優化。旋風除塵（chén）器壓力分布場模擬結果如圖8所示，在指定的3條參考線上的壓力曲線如圖9所示（shì）。可知：壓力（lì）由外向內是逐漸減小的，壓力損失主要原（yuán）因包括進氣管的摩擦損失，氣體進（jìn）入除塵器後體積膨脹引起的（de）能量損失，除塵器內氣體旋轉而產生的能量耗損。

2.5壓力損（sǔn）失

壓力損失是評價旋風除塵器性能的一項關鍵指標，為了研究FXX18型旋風除塵器的壓力損耗（hào）情況（kuàng），研究除對進（jìn）氣口處氣體速度為17m/s時做了壓力損失的數值（zhí）分析外，又分別（bié）對氣體速度取7、27、37、47、57m/s時的壓力損失情況做了分析，並對數據進行擬合，所得曲線如圖10所示。由圖10可知：隨著（zhe）風（fēng）速的線性（xìng）增加，除塵器壓力損失（shī）按（àn）指（zhǐ）數級急（jí）劇增長。所以，在設計和選（xuǎn）用旋風除（chú）塵器時，要合理選擇風速，除塵器的工作效率（lǜ）。

3.結論（lùn）

通過（guò）建（jiàn）立旋風（fēng）除塵（chén）器（qì）模型，並（bìng）對數值模擬結果進（jìn）行分（fèn）析，可以得出以下結論：

（1）旋風除塵器內部流場中，切向速度、軸（zhóu）向速度（dù）、徑向速度（dù）以及壓力分（fèn）布具有的軸對稱性。

（2）旋風除塵器的內部流場（chǎng）沿軸向上，外（wài）層下行、內層上行，形成了一個雙層旋轉（zhuǎn）流動結構。

（3）入口流速對除塵器（qì）的（de）壓力損失有著重要影響，隨著除（chú）塵器入口流（liú）速的增加，壓力損失則急劇增加。