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1、出气管直径对旋风除尘器的影响研究西南科技大学 齐卫阳 王令摘要：建立了旋风除尘器的模型，用fluent软件模拟了出气管管径变化时，旋风除尘器内部的压力损失、切向速度、轴向速度、径向速度以及除尘效率的影响。从模拟结果得出，压力损失受出气管管径的影响比较大，当出气管管径在一定范围内有递增时，压力损失迅速降低。除尘效率也受出气管管径的影响，对于比较小的粉尘，不同出气管管径时效率变化大，而当粉尘颗粒较大时效率的变化就不是很明显。而轴向速度、径向速度、切向速度受出气管管径变化的影响则比较小。关键词：出气管管径 压力损失 速度 除尘效率The impact of a tracheal diameter o
2、f Cyclone ResearchAbstract: Building a cyclone models, using fluent software simulation of a tracheal diameter changes, the pressure loss within the cyclone, tangential velocity, axial velocity, radial velocity, as well as the impact of removal efficiency. From the simulation results obtained, the p
3、ressure loss by the impact of a relatively large diameter of the trachea, when a tracheal tube diameter has increased steadily within a certain range, the pressure loss is rapidly declining. Collection efficiency is also affected by the impact of a tracheal diameter, for smaller dust, the efficiency
4、 of the different out of the trachea when the variation in diameter, and when the dust particles larger changes in the efficiency is not obvious. The axial velocity, radial velocity, tangential velocity out of the trachea by the impact of changes in diameter are relatively small.Key words: a trachea
5、l tube diameter pressure loss speed collection efficiency前言：旋风除尘器是利用旋转气体所产生的离心力，将粉尘从气流中分离出来的一种干式气固分离装置，具有结构简单、维修方便、价格便宜、耐高温高压和节省空间等优点，因此在工矿企业除尘中得到了广泛的应用。但旋风除尘器的内部流场相当复杂，是带有回流的强涡旋动。为了更好的了解旋风除尘器内部流场，提高旋风除尘器的效率，长期以来人们在其实验模拟和优化设计方面开展了大量的工作，也取得了一定的成果。影响旋风除尘器效率的主要因素有进气口、圆筒体的直径和高度、排气管的深度和排气管的直径1。其中进气口速度2、筒
6、体高度3、排气管深度4等方面对旋风除尘器性能的影响已经有了相当的研究，而对排气管管径对旋风除尘器内流场的影响、效率的影响则很少研究。本文用流体力学软件fluent模拟了五种不同出气管管径下旋风除尘器内部流场。1、 模型的建立1.1 数学模型 气体在旋风除尘器内的流动可看作是不可压缩流体的稳态等温湍流流动,因此旋风除尘器内气体流动可以由经过雷诺平均的连续性方程和N-S方程来描述： （1） (2)方程(1)和(2)不封闭,必须通过湍流模型来使方程组封闭。常用的湍流模型包括双方程模型、代数应力模型(ARSM)、雷诺应力模型(RSM)、大涡模拟(LES) 5等。 双方程模型具有简单、计算速度快的特点，
7、在工程中得到广泛的应用6。但是模型对旋转流与浮力流的模拟偏差较大。ARSM 能够模拟湍流的各向异性，但一些研究结果7表明其在旋流中的应用并不成功。研究证明2，3，RSM模型能较好的模拟旋风除尘器内的流场，因此本文采用RSM模型来模拟旋风除尘器内的流场。雷诺应力控制方程可写成： （3）式中：扩散项；产生项；应力应变项；耗散项。离散项模型是在Lagrange坐标系下，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，颗粒受力微风方程为（方向）8 （4）式中：颗粒的单位质量曳力。1.2物理模型及网格的划分旋风除尘器一般可分为进气结构、排气芯管、筒体分离空间与锥体排尘结构等4部分。常规旋风除尘
8、器设计应该包括筒体直径、排气芯管直径,排尘口直径、筒体高度、排气芯管插入深度 ,进口高度、进口宽度以及旋风除尘器总高等8个设计参数。为了能够更好的验证模拟结果的正确性，本文采用文献旋风除尘器作为模型，其几何形状见图1 所示,尺寸如表1所示。图1旋风除尘器结构简图Figure 1 Schematic diagram of cyclone dust collector表1 旋风除尘器结构尺寸表Table 1 cyclone structure size table(mm)(mm)(mm)(mm)(mm)(mm)(mm)(mm)550210154.05482176.2523550658095根据旋风
9、除尘器的尺寸，用Gambit软件建立模型，为了得到很好的网格质量，将模型进行分块划分网格，共生成448389个非均匀的六面体网格。1.3 边界条件和差分格式选择入口边界设为速度边界，压力为常压，速度为18。出口边界考虑以充分发展，所有变量在出口截面发现方向梯度为0.避免采用无滑移边界条件，避免附近流动计算采用标准壁面函数。流动控制方程采用有限体积法离散求解。计算选用非交错网格的SIMPLEC算法，压力梯度项采用Standard格式。在得到流体流场以后，分不同粒径模拟固体颗粒的运动轨迹和分离效果。2 结果分析与讨论2.1 模拟结果的正确性分析将本次模拟的分别为35mm、50mm、65mm 、80
10、mm、95mm时的旋风除尘器的压力损失绘制到图2中。图2 出气管管径与压力损失分布图Figure 2 the loss of pressure distribution of different tracheal diameters从图中可以得知，当时的除尘器压力损失为924，与文献的实验结果953进行对比，两者的偏差，与文献的模拟结果908进行对比，也说明此次模拟的可靠性。从图中分析，可以得出当逐渐增大时，压损减小。而且由到压力迅速减小，而由到压力损失很小。2.2流场中的速度分析2.2.1轴向速度图3不同高度时轴向速度分布图Figure 3 the axial velocity distri
11、bution of different heights图3为时轴向速度在高度分别为0.05m、0.2m、0.35m、0.45m、0.5m、时在Y=0的速度分布，从图中可以明显得出旋风除尘器内存在两个流场，外部流场轴向速度为负向，旋转向下；内部流场轴向速度为正向，旋转向上。两侧气流在外侧向下流动，到达底部后向内侧选装而上。在0.05m处，由于已经接近排尘口，此处的涡旋将引起二次扬尘，将影响除尘效率。图4 不同管径时轴向速度分布图Figure 4 the axial velocity distribution of different diameters图4中给出了出气管管径变化对轴向速度的影响，
12、从图中可以看出，出气管管径变化对轴向速度的影响较小。时，由于出气管内速度过低，而使内螺旋流速降低， 从而使压降降低，同时内部气流低有利于除尘。但由于进入筒体的流体有与出气管很接近，所以易形成内、外旋流“短路”现象，使外旋流中部分未被清除的粉尘直接混入排风管中排出。2.2.2径向速度图5 不同高度时径向速度分布图Figure 5 the radial velocity distribution of different heights从径向速度分布图可以看出，径向速度的规律性很差，但同样可以看出内外两个流场，外流畅径向速度比较混乱，存在远离中心和指向中心两种趋势，内流场径向速度在随高度变化时呈分
13、段分布，在0.05m、0.35m、0.35m处径向速度指向中心，而在0.2m附近范围内，径向速度远离中心，指向管壁处。轴向速度在轴心两侧呈原点对称分布，一边为负、一边为正。图6 不同管径时径向速度分布图Figure 6 the radial velocity distribution of different diameters从图中可以看出随着到的变化，对外螺旋径向速度的变化的影响较小，而对内螺旋径向速度的变化影响较大，并且随着管径的加大速度逐渐减小，当时，径向速度在平面，随着的变化很小，由于径向速度变化教大，由此而产生的的压力损失加大。2.2.3切向速度图7 不同高度时切向速度分布图Fig
14、ure 7 the tangential velocity distribution of different heights图8不同管径时切向速度分布图Figure 8 the tangential velocity distribution of different diameters切向速度是决定旋风除尘器内部气流流动的主要速度分量，其大小直接影响到分离粉尘颗粒的离心力。,因此图4给出了排气管插入深度对y = 0截面上不同高度切向速度的影响。由图4可见,在不同度上,切向速度也基本呈轴对称分布,旋转气流可以分为外旋流和内旋流,由外壁到内外旋流交界处,外旋流的切向速度先迅速增大,再慢慢增大。
15、从图中可得，随着出气管管径的加大，切向速度虽然并没有很大的变化，随意出气管管径变化对旋风除尘器的影响很小，而出气管管径的变化对除尘效率的影响主要体现在压损和颗粒运动上，所以本文接下来将颗粒运动方面进行分析。2.2 除尘效率分析 图9 颗粒运动轨迹及分离效果图Figure 9 particle trajectories and separation efficiency plan 根据离散项模型的模拟结果，得出不同出气管管径，对不同颗粒直径的除尘效率如下表：表1 不同出气管管径除尘效率表Table 1 the collection efficiency table of different es
16、capepipe diameter管径 粒径5.5（m）10（m）15（m）35（mm）17.9%99.6%100%50（mm）30.4%98.7%100%65（mm）55.3%98.1%100%80（mm）96.4%97.7%100%95（mm）78.6%93.2%100%从结果可以看出，当处理粒径很小的微粒时，并不是我们通常所认识的出气管的管径越小除尘效率越好。这主要时因为出气管管径过小时，内部流场的内螺旋相对强烈，很容易将小粒径威力带出。而当出气管管径太大时，对小微粒的除尘效率也会降低，这是因为出气管管径太大时，进入筒体的流体有与出气管很接近，所以易形成内、外旋流“短路”现象，使外旋流中
17、部分未被清除的粉尘直接混入排风管中排出，从而影响除尘效率。而当处理颗粒的粒径不是很小时，除尘效率明显都会提高，而且除尘效率随出气管管径的增大而减小。3 总结（1）旋风除尘器出气管管径变化时对旋风除尘器内部的压力损失的影响比较大，当由逐渐增大到时，压力损失先迅速减小后逐渐减小，最后曲线变得很平稳。（2）旋风出气管管径变化时对内部流场的径向速度、切向速度和轴向速度的影响比较小 。（3）对粒径小的颗粒，旋风除尘器的除尘效率随出气管管径的增大先增大后减小；对粒径稍大的颗粒，旋风除尘器的除尘效率随出气管管径的增大而减小。参考文献：1 舒帆.旋风除尘器除尘效率的影响因素分析J.环境保护,2009，2：89
18、-92.2 Jolius Gi mbun, Chuah T . G . , et al . The influence of temperature and inlet vel ocity on cycl one p ressure drop: A CFD study . Chem. Eng . Process, 2005, 44: 712.3 Xiang R. B. ,Lee K . W. Numerical study of fl ow field in cycl ones of different height . Chem. Eng . Pr ocess, 2005, 44:87788
19、34 刘玄，程树森.旋风除尘器内部流场的数值研究J.环境工程学报,2009，6.5 王福军.计算流体动力学分析 M .北京:清华大学出版社，2002.6 王常斌，林建忠，石兴.射流泵湍流场的数值模拟与实验研究 J .高校化学工程学报， 2006，20(2) . 175-179.7 王海刚，刘石.不同湍流模型在旋风分离器三维数值模拟中的应用和比较 J .热能动力工程， 2003，18(4): 337-342.8 fluent I nc . FLUENT User s GuideM . S . L. Fluent I nc, 2003 .齐卫阳 男 （1984-）在读硕士研究生 西南科技大学东6B520邮编：621010电话：13778171990Email：