（制冷及低温工程专业论文）电力机车用过滤器阻力特性及过滤特性的研究.pdf

摘要 过滤器作为电力机车通风系统的重要部件，是保证电力机车稳定运行 和使用寿命的关键设备。g l 型百叶窗过滤器作为应用于电力机车上的新 产品，目前只有少数企业技术人员做过一些实验研究。为加快产品设计周 期和节省产品开发费用，本文借助计算流体力学( c f d ) 技术对g l 型百 叶窗过滤器展开系统全面的研究，探索过滤器性能参数的变化规律，为产 品的设计研发提供参考。 过滤器的性能研究涉及气固两相流，本文首先介绍了气固两相流的研 究方法，回顾了与g l 百叶窗过滤器类似的其它过滤器研究概况。介绍了 四种湍流模型，并都应用于气相流场的模拟，数值结果与实验数据比较， 确定r e a l i z a b l ek - 模型为最佳湍流模型；选择基于欧拉一拉格朗日体系 的颗粒轨道模型研究颗粒相的运动规律；对模拟值与实验值之间的误差进 行了详细的原因分析。 本文重点研究了运行参数、结构参数和结构形式对g l 百叶窗过滤器 的性能参数影响规律，最后对比分析了三种电力机车用过滤器的性能。研 究结果表明：( 1 ) 随着进口风速的提高，g l 百叶窗过滤器的阻力增加而 过滤器效率降低；该过滤器对于不同粒径的颗粒有着不同的过滤效率；颗 粒质量浓度在不同范围内对过滤器的性能参数有着不同的影响程度。( 2 ) g l 百叶窗过滤器的阻力和过滤效率都对三个基本结构参数很敏感，现有 g l 百叶窗过滤器的三个结构参数是经过优化后选取的。( 3 ) 带导风栅的 过滤器，导风栅的形式不能过于简单，导风栅背风侧应该能起到引导气流 的作用；过滤器的集尘栅带尾翼会消耗稍多的原材料，但其阻力略低；集 尘栅的尾翼对过滤效率基本无影响。( 4 ) 数值比较了v v 格过滤器和列 车用旋风除尘器同g l 百叶窗过滤器的性能参数，这两种过滤器是以高能 耗换取较高过滤效率的过滤器。 关键词计算流体力学( c f d ) ；气固两相流；g l 百叶窗过滤器；电力机 车 a bs t r a c t f i l t e ri sav e r yi m p o r t a n tp a r ti nt 1 1 ev e n t i l a t i o ns y s t e mo fe l e c t r i c l o c o m o t i v e i ti sa l s oap i v o t a lf a c i l i t yw h i c hc a ne n s u r et h es t a b i l i z a t i o na n d l i f e s p a no fe l e c t r i cl o c o m o t i v e 啊1 et y p eo fg ll o u v e rf i l t e ri san e wk i n do f p r o d u c ta p p l y i n g o l le l e c t r i cl o c o m o t i v ea n dt h e r ei s o n l yj u s tal i t t l e e x p e r i m e n tr e s e a r c ha b o u tt h en e wf i l t e rb yt e c h n i c i a n si nc o r p o r a t i o n s f o r r e d u c i n gt h ep e r i o d sa n de x p e n d i t u r eo nd e s i g n i n g ，t h i sp a p e ru s e st e c h n i q u e o fc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c st o s t u d yt h et y p eo fg ll o u v e rf i l t e r r o u n d l ya n df i n dt h el a wt h a tt h ep a r a m e t e r so fp e r f o r m a n c eh o wt oc h a n g e ， a n dt h e ng i v e ss o m ea d v i c et ot h ep r o d u c td e s i g n e r s t h er e s e a r c ha b o u tp e r f o r m a n c eo ff i l t e rr e l a t e st og a s s o l i dt w o p h a s e f l o w t h i sp 印e ri n t r o d u c e dt h er e s e a r c hm e t h o d so ft w o p h a s ef l o wa tt h e b e g i n n i n ga n dr e v i e w e dt h er e s e a r c h i n gg e n e r a ls i t u a t i o na b o u to t h e rf i l t e r s w h i c hw e r es i m i l a rw i t ht h et y p eo fg ll o u v e rf i l t e r t h e r ew e r ef o u r t u r b u l e n c em o d e l sm e n t i o n e di nt h i sp a p e ra n da l lo ft h e mw e r eu s e dt o s i m u l a t et h eg a sp h a s ef l o w c o m p a r i n gt h es i m u l a t e dr e s u l ta n de x p e r i m e n t d a t a , t h et u r b u l e n c em o d e ln a m e dr e a l i z a b l ek - w a sa f f i r m e da st h eo p t i m a l m o d e l t h ep a p e ru s e dt h ep a r t i c l et r a j e c t o r ym o d e lb a s e do nt h ec o o r d i n a t e s y s t e mo fe u l e r - l a g r a n g i a nt os t u d yt h el a wo ft h ep a r t i c l em o v e m e n t t h e r e a s o n sw h i c hc a u s e dt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h es i m u l a t e dr e s u l ta n d e x p e r i m e n td a t aw e r ea n a l y z e di nd e t a i l t h ee f f e c to fr u n n i n gp a r a m e t e r s 。s t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n df o r mo nt h e p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ft h eg ll o u v e rf i l t e rw a sr e s e a r c h e dm o s t l yi nt h e p a p e r 1 1 1 ep e r f o r m a n c eo ft h r e et y p ef i l t e r sa p p l y i n go i le l e c t r i cl o c o m o t i v e w a sa n a l y z e da n dc o m p a r e d 1 1 1 er e s u l t ss h o w ：( 1 ) w i t ht h ei n l e tv e l o c i t y i n c r e a s i n g ，t h ep r e s s u r ed r o po ft h eg ll o u v e rf i l t e ri sa l s oi n c r e a s i n gw h i l e t h es e p a r a t i o ne 伍c i e n c yi s r e d u c i n g t h ef i l t e rh a sd i f f e r e n ts e p a r a t i o n e f n c i e n c yw i t ht h ed i f f e r e n td i a m e t e rp a r t i c l e s t h em a s sc o n c e n t r a t i o no f p a r t i c l ea l s oh a ss o m ei n f l u e n c eo nt h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ff i l t e r ( 2 ) t h ep r e s s u r ed r o pa n ds e p a r a t i o ne f f i c i e n c yo ft h eg ll o u v e rf i l t e ra le s e n s i t i v et ot h et h r e es t r u c t u r a lp a r a m e t e r s t h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r so ft h e g ll o u v e rf i l t e rw eh a v ea r eo p t i m a lv a l u e ( 3 ) i ft h ef i l t e rh a sab a ro f g u i d i n g w i n d ，t h eb a ro fg u i d i n gw i n ds h o u l dn o tb es i m p l ea n di t sl e es h o u l dh a v ea f u n c t i o no fl e a d i n ga i r f l o w i ft h ec o l l e c t i n gd u s tb a ro ff i l t e rh a sat a i l ，t h e p r e s s u r ed r o po ft h ef i l t e ri sal i t t l el o w e rt h a nt h eo n ew h i c hh a sn o tat a i l 1 1 1 et a i lo f c o l l e c t i n gd u s tb a rh a sn oi n f l u e n c eo ns e p a r a t i o ne f f i c i e n c y ( 4 ) c o m p a r i n gt h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ft h et y p eo f 弘矿f i l t e ra n dt h e c y c l o n es e p a r a t o ru s i n go ne l e c t r i cl o c o m o t i v ea n dg ll o u v e rf i l t e rb y n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h ep r e s s u r ed r o po fv - vf i l t e ra n dt h e c y c l o n es e p a r a t o r i sm u c hh i g h e ra n dt h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c yi sal i t t l eb e n e rt h a ng ll o u v e r f j l t e r k e yw o r d s c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) ，g a s s o l i dt w o p h a s e f l o w , g ll o u v e rf i l t e r , e l e c t r i cl o c o m o t i v e 1 1 1 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 三銎里里垃日期：卑年王月望日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位 论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用 复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 作者签名：逍导师签名靴日期：啤年上月犁日 中南大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 火车是当今非常重要的交通运输工具，其前进动力来源于电力机车，即“火车头 。 牵引电动机作为电力机车内部的重要动力部件，是列车高速前行的保证。以h x d i 型电力机车为例，它由两节机车组成，一节机车有四个牵引电动机，每个牵引电动机 提供约1 2 2 4 k w 的动力。与普通电动机的原理一样，牵引电动机也是由定子和转子组 成，定子绕组产生旋转磁场，转子在磁场力的作用下转动输出功。提供如此大功率的 电动机其本身在工作过程中也会产生很大的热量，h x d i 型电力机车的单个牵引电动 机正常工作时会产生几十千瓦的热量。如此大的热量如不能及时转移，必将导致牵引 电动机内部出现极高温度，融化定子绕组的漆包线，烧毁整个电动机，导致整个机车 无法运行。为保证机车的正常工作，电力机车采用强迫通风冷却的方式来及时转移发 热电器部件的热量，通风设备是保证其正常运行的重要设备，图i - i 展示出了电力机 车的通风系统。 l 牵引电动机通风系统2 辅助变压器柜通风系统 图1 - 1h x i ) i 型电力机车通风系统示意图 高速行驶的机车必然会带动其周边的尘粒，使周围空气含尘较高；在室外运行的 机车也难免会遇到雨雪天气，此时冷空气中夹杂有大量的雨雪。如果直接使用以上两 种状态的空气去冷却电器部件，必将影响其能否正常工作及寿命。为保证铁路机车的 通风，同时又能阻塞车外的尘埃或雨雪进入车体内以保证电力机车的正常运行，机车 通风系统的前端入口必须安装空气过滤器，为牵引电机和辅助变压器等系统提供较为 纯净的冷却空气，如图1 2 和图1 3 所示。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 车外空气 至牵引电机 l 进风口百叶窗过滤器2 进风风道 车外空气 3 牵引通风机4 一风机机座5 一软风道 图1 - 2 牵引电机通风系统示意图 车外空气 车外空气 间 l 一进风口百叶窗过滤器2 进风风道3 一辅助变压器柜风机4 一旋风除尘器5 一辅助变压器 图1 - 3 辅助变压器柜通风系统示意图 1 2 铁路机车用空气过滤器概述 我国机车车体通风用空气过滤器主要有五种形式：毛棕网、防静电多层不锈钢丝 网、v - v 格过滤器、g l 型百叶窗过滤器和旋风除尘器。前四种过滤器主要是用在机 车外墙体上，而旋风除尘器主要用于机车内部，它们所具有的特征是u 呻： ( 1 ) 多层不锈钢丝网同毛棕网类似，都属于碰撞式过滤器，它由三或四层经过 防静电处理的不锈钢网纵横编织而成。虽然在丝网之间留有一定的间隙作为集尘区来 收集粉尘，但实际集尘效果并不好。此过滤器使用初期阻力较小，但由于缺乏较强的 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 粉尘自净能力，因此随着储灰量的增加，纤维间隙越来越小，阻力必然越来越大，如 不及时清洗就会完全堵死，直接影响到电器元件的性能和寿命；定期的清洗工作也必 将增大机车维护的工作量和费用。 ( 2 ) 长期以来，v - v 格过滤器在国内机车中广泛使用，图1 4 为其结构简图。 它由两排形状相同、间距相同的v 形型材交错互扣组成，是一种简易挡板式空气过滤 器，属于惯性除尘器。其工作原理为：含尘( 雨雪) 空气在负压的作用下进入百叶窗， 其在通过挡灰栅时按叶板间的缝隙数分成多股气流，每股气流在通过叶板时会突然改 变方向，粉尘( 雨雪) 在惯性的作用下力图保持原来的流动方向，一部分粉尘( 雨雪) 直接冲向挡灰栅，失去动能，因重力的作用而下落至集尘槽中；另一部分粉尘( 雨雪) 则随气流进入过滤器后的风道。显然，v - v 格百叶窗内部的空气通道很短，而且空气 流动的方向改变很突然。较短的空气流道使得空气中的粉尘( 雨雪) 不能在通道内得 到充分的过滤，导致其过滤效率低；通道内气流方向改变突然，虽然可以促使粉尘( 雨 雪) 与气流的分离，但流向的两次反转也增加气流的动能损耗，导致过滤器压力损失 增大。由于v 形挡板为半敞开式，过滤器内的粉尘( 雨雪) 在沉降过程中很容易被气 流带出沉降区，造成二次污染，使得过滤器的过滤效率更低。同时，v - v 格过滤器之 后往往设置了用化纤毡、过滤海绵或不锈钢丝等做成的二级过滤器，它们以自身的吸 附能力来容纳粉尘，当粉尘吸附到一定的程度达到饱和时需要及时清理二级过滤器内 部的粉尘，否则会堵塞风道、增加风机负荷，还会使吸附在其上的粉尘随风进入车内， 造成二次污染。 i 一二级过滤器2 u v 格百叶窗 图1 - 4 机车用v v 格百叶窗过滤器结构筒图 l 集尘栅2 集尘区3 挡尘钩4 - 导风栅 图1 - 5 机车用g l 型百叶窗过滤器结构简图 ( 3 ) 图1 - 5 为g l 型百叶窗过滤器结构简图。g l 型百叶窗过滤器是一种新型高 效过滤器，属于惯性除尘器，正被广泛用于i ) j 4 电力机车，以取代传统的v v 格百叶 窗。该过滤器的主体部分是利用惯性碰撞和离心沉淀原理设计的三层管状零件组成的 框架式结构件。第一排为外凸、封闭、带尾翼的管状导风栅，对进入过滤器的气流起 导向作用；第二排为带尾翼的开口圆管状集尘栅，起捕集进入过滤器的粉尘( 雨雪) 作用；第三排集尘栅的栅条形状与第二排基本相同，只是尺寸略小且不带尾翼，起进 一步捕集漏下的粉尘( 雨雪) 作用。每排栅条交错排列，栅条间留出流线形通道，便 3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 于空气流动，从而将进入车体风的阻力降至最低，机车车体通风效果好；由于空气流 道较长且集尘栅上设置了挡尘钩，有效地提高了过滤效率。其基本工作原理是：空气 通过过滤器时，沿各管状元件间的间隙曲线流动，过滤器内部的空气流道有宽有窄， 所以气流在过滤器中的速度有低有高：粉尘( 雨雪) 随气流进入过滤器时，在通道狭 窄处的气流速度较高，粉尘( 雨雪) 获得动能，于通道宽敞处气流速度减缓，粉尘( 雨 雪) 在惯性的作用下脱离气流进入集尘区，如此反复，气流中的粉尘( 雨雪) 被分离 出来。分离出来的粉尘( 雨雪) 被集尘栅收集，较细的粉尘吸附在集尘栅内壁，可被 雨水冲走，较粗的颗粒在自身重力的作用下，沿集尘栅排至集尘槽。 实验表明：与其它三种用在机车外墙体上的过滤器相比，g l 型百叶窗过滤器有 很多优越性，是传统过滤器的理想替代品。g l 型百叶窗过滤器的优越性主要体现在 以下五点： 通风阻力低，能量损失小。过滤器内部的流线型空气通道可以使空气流畅的通 过，气流流过过滤器的能量损失小，风阻低。有实验表明在同等条件下v v 格百叶窗 的全压降是g l 型百叶窗2 倍多。这一特性使整个通风系统的功率消耗降低，节约了 能源，降低了运行成本。 过滤效率高，可获得洁净度较高的空气。过滤元件由管状栅格组成，空气流道 长，集尘区的空间大，可充分容纳收集的粉尘；挡尘钩可以阻止由于集尘区的粉尘逃 出汇入气流而形成二次污染。 粉尘自净功能，基本免维护，节约维护成本。与气流分离后的粉尘可以自动沿 着集尘栅的管道沉淀到集尘槽，在雨水的冲刷下经排尘口排向地基，因此过滤器基本 实现免维护，其风阻也不会随使用时间而增加，减少维护工作，节约成本。 独特的消除冰雪功能。由于导风栅前部为圆弧形，可以方便地在其中加装电热 丝，使最前部的水滴形导流体保持一定的温度，防止因大雪和结冰堵塞过滤器进风口 而造成过滤器失效。这也是g l 型百叶窗过滤器所具有的独一无二的特点。 整体组合灵活，可以适合任何安装条件。组装方式灵活也是g l 型百叶窗过滤 器的重要特性。主要表现在：过滤器的边框可以根据应用场合的安装条件或通风系统 的整体安装要求，设计成内嵌式或外凸式，其尺寸可以任意调整；三排元件的组合可 以设计成可拆分的拼装式或不可拆分的整体式。 ( 4 ) 机车用旋风除尘器是一种多管式空气过滤器，安装于辅助变压器柜通风系 统的末端，如图1 - 3 所示。图卜6 为该除尘器迎风面实物图，它是由一块面板及布置 在面板上的若干个旋风管组成。含尘气体流经此过滤器时，一部分粉尘在面板的阻挡 下被直接分离，另一部分粉尘会随着气流进入旋风管。进入旋风管的含尘气体在导流 叶片的作用下产生旋转，旋转过程将产生离心力。在离心力的作用下，一部分粉尘将 运行至积灰板或出灰口而被分离，只有少量未被分离的粉尘会随气流直接进入机械 4 中南人学硕士学位论文第一章绪论 间。该过滤器的除尘部件进风1 3 小，内部结构复杂，无自净功能且清洗工作难度较大， 这就要求该过滤器的进口气体洁净度较高，以免堵塞过滤器而使其失效。因此该旋风 过滤器不适合作为初级过滤器，它主要应用于辅助变压器柜通风系统的未端，使进入 机械间的空气更加纯净。 图l 一6 列车用旋风除尘器迎风面实物图 鉴于此，本文欲借助计算流体力学( c f d ) 技术。重点对g l 型百叶窗过滤器展 开系统的研究，优化结构尺寸以提高设备性能，以期进一步指导生产设计；同时对 v - v 格过滤器和机车用旋风除尘器进行初步研究，与g l 型百叶窗过滤器的性能参数 进行比较。 13 研究现状 与所有除尘器一样，在其它条件相同的情况下，过滤效率和压力损失是工程师们 最为关注的参数。以除尘器为研究对象，对此两参数进行研究的方法包括实验、理论 和数值计算。实验研究为我们带来真实可信的结果同时也花费了大量的人力、物力及 财力。应用c f d 技术进行科学研究不仅可以得到与实验相一致的结果，能形象地展 示流场内部的结构更节省人、财及时间的支出，大大降低研发费用，缩短研发周期。 查阅现有文献发现：目前以与g l 型过滤器相类似的惯性分离器为研究对象的数值研 究文献较多，而以g l 型百叶窗过滤器为研究对象却只有少量的实验研究文献i l 羽，因 此有必要对g l 型百叶窗过滤器丌展数值模拟研究。下面将介绍气固两相流模型的研 究现状和类似惯性过滤器的研究状况，以期从中得到启发，借鉴其研究方法展开对 g l 型百叶窗过滤器的综合数值研究。 131 气固两相流模型的研究现状 如何处理固体相的模型是研究气固两相流的主要问题，也是近年最为热门和最具 价值的研究方向”】。一般来说，固体颗粒相处理方法主要有两大类型：连续介质模型 和离散颗粒模型。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 ( 1 ) 连续介质模型 连续介质模型是将固体颗粒相处理为拟流体，对颗粒与气体均采用欧拉坐标，因 此又称基于欧拉欧拉体系的双流体模型。对于颗粒相浓度较高时比较适合采用此模 型。这一处理方法给研究带来很多方便：模型方程的形式统一；固相方程采用“场 描述，便于应用微积分；与普通单相流方程形式一样，可以充分利用原有计算流体力 学的研究成果。很多研究者从微观机理出发，推导出连续介质模型的基本方程，主要 有三种形式：微观连续模型、动理学模型和颗粒群模型。由于对模型各项的物理意义 理解不同，导致模型封闭不同，从而其最终的表达式必然存在差异。无论何种具体模 型，每相中都会得到一组传递方程，以及两相在质量、动量和热量交换传递作用下互 相影响而产生的关联方程，通过迭代求解这些方程得到每相的流动场解【7 儿列。 连续介质模型应用广泛，以该模型为基础发展起来被c f d 商用软件所接纳的 v o f 模型、混合模型以及欧拉模型，用于解决工程实践问题而得到较为满意结果。其 主要优点有：考虑颗粒间的相互作用，更加适合具有较高固体体积浓度的混合物；内 置双向耦合算法；固体相的体积分数作为程序解的一部分可以自动给出。不足有：虽 有多重粒径区间的设置，但解的效果不好；处理颗粒粒径改变的问题上得不到理想结 果【9 】。 对于连续介质模型的研究，近年主要集中在模型封闭方式和两相流脉动项的处理 方式上，其主要研究现状介绍如下。 模型封闭方式 在求解固体颗粒相方程时，需要给出各种应力项封闭方式和曳力项封闭方式i _ 7 1 。 流体相方程一般用牛顿粘性定律封闭粘性应力项，而颗粒相方程的封闭方式不尽 相同。大多数模型采用牛顿粘性假设，g e r a t l o 认为b i n g h a m 塑性更适合。对于采用牛 顿粘性假设的模型封闭方式，大致有四种方法来确定颗粒相的粘性系数：假设颗粒相 粘性系数为常数【1 , 1 2 ，该方法具有盲目性，得到的方程通用性也值得怀疑；采用实验 数据得到的经验关联式【l 引，该方法对实验数据关联得较好，但由于没有理论依据，对 数据来源的依赖性较大；采用根据非均匀气体理论演化而来的动理学来模化封闭【1 4 1 ， 该封闭方法是近年来发展的一个趋势，有理论基础，模拟结果也比较令人满意；由土 壤力学演化来的磨擦动理学封闭i l5 1 ，该方法是针对低速、高浓度条件下的颗粒运动 得到的封闭模型。虽然动理学封闭推导过程虽只考虑双球碰撞，但在高颗粒浓度情况 下其比磨擦一动理学封闭更与实测值接近。目前，动理学封闭模型按速度分布函数的 不同可分为两种：采用m a x w e l l 分布函数，适用于理想气体；采用一阶近似的分布函 数，适用于非均匀气体，但不适合固相稀相 7 1 。 曳力项在计算中的影响极大，需要仔细考虑其封闭方式。目前采用的颗粒群曳力 系数都是在单颗粒曳力系数基础上进行修正的，修正函数又多采用空隙率的幂函数形 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 式。实际上，颗粒群的曳力不仅仅是空隙率的单值函数，它与颗粒的性质、颗粒群的 空间排布也都有一定的关系p j 。由于两相流动中的颗粒群处于动态的形成、消散过程 中，很难引入描述颗粒群结构的参数，因此现有颗粒群曳力系数表述都有不足。 两相流脉动项的处理方式 由微观连续或动理学推导出的颗粒相动量方程中都存在着表示脉动的项。从物理 上讲，颗粒相脉动必然会引起流体相同水平上的脉动【1 6 1 。对于颗粒温度方程中出现的 固相脉动，一般都把它与湍流脉动区分开来。当把它当成湍流层次的脉动来模拟快速 流态化行为时【1 7 1 ，模拟结果对恢复系数极敏感，选择合适的恢复系数成为模拟成败的 关键。有研究试图用颗粒温度来代表单颗粒层次脉动，而用颗粒湍动能来代表颗粒群 的脉动。这种处理方式消除了对恢复系数的敏感依赖，更接近实际情况。 ( 2 ) 离散颗粒模型 顾名思义，离散颗粒模型就是将颗粒作为离散体系而气相仍为连续介质，在拉格 朗日坐标系中探讨颗粒轨迹等颗粒动力学问题，因此又称基于欧拉一拉格朗日体系的 颗粒轨道模型。该模型对每一个颗粒按照流体对它的作用力及颗粒间碰撞产生的作用 力分别列出运动方程，直接模拟颗粒间的碰撞过程，因此当颗粒相浓度高数目多时， 对计算硬件的要求很高，故较适合于颗粒相浓度较低的气固两相流。它大致分为两种： 确定轨道模型，不考虑颗粒的湍流扩散，只考虑颗粒沿自身轨迹运动而互不干扰，且 认为颗粒轨迹颗粒数总通量不变：随机轨道模型，考虑了颗粒湍流扩散的影响，应用 随机方法来处理颗粒的运动，假设湍流各向同性且局部均匀且随机速度分布满足高斯 概率分布函数( p d f ) ，脉动速度通过一个随机数结合雷诺正应力而产生，采用蒙特 卡洛法进行颗粒轨道的计算【l 引。 如何处理颗粒间碰撞问题一直是离散颗粒模型的研究热点。一般而言存在两种设 想，即硬球模型和软球模型。硬球模型【1o ，1 啦o 】需要给定恢复系数和摩擦系数作为输入 参数，软球模型【2 l l 则引入弹性系数、耗散系数及摩擦系数作为输入参数。硬球模型的 处理思想是认为碰撞发生在瞬间，仅考虑碰撞前后动量和动能等状态量的变化。 l 吼田2 3 】较早地提出了考虑颗粒平动和旋转的三维碰撞动力学模型，并结合库特剪切 流进行了试验验证；仃o n 瞄筇】也发展了一种颗粒刚性碰撞简易模型，使用蒙特卡洛法 进行颗粒轨道的计算；w a n g t 2 6 1 分析了二维粗糙硬球的碰撞，充分考虑了颗粒恢复系 数和摩擦系数的影响；欧阳洁【1 9 】把颗粒运动分解成为受冲力碰撞的瞬时过程和受流体 作用的悬浮过程，更好地描述流体与颗粒间的相互作用，都属于硬球模型。软球模型 计算接触力时仅考虑颗粒间的位置而不考虑应力加载历史，因而计算强度小。 c u r l d a l l l 2 7 2 8 1 首先提出软球模型，开发出用于研究颗粒介质力学行为的程序；刘向军f 2 9 】 采用软球模型研究颗粒团在流场中的运动、接触碰撞过程，得到了与实验一致的结果， 计算量不大；李晓光【3 0 l 在模拟计算鼓泡流化床中颗粒受力情况时采用软球模型模化颗 7 中南大学硕十学位论文第一章绪论 粒之间的碰撞力，得到有指导意义的结论。王芳【3 1 j 分别用硬球模型和软球模型模拟了 不等粒径流化床中的动态行为，研究表明：恢复系数较小时硬球模型可以模拟出鼓泡 现象：恢复系数较大时软球模型可以模拟出鼓泡现象；并且随恢复系数的增大，硬球 模型中颗粒平均速度随时间变化越大，而软球模型正好相反；硬球模型所需计算时间 多于软球模型所需计算时间。 颗粒碰撞模型方程需要与两相流模型中描述颗粒相的模型方程进行耦合，因此颗 粒碰撞算法也必须耦合到求解颗粒相模型的数值算法中。颗粒碰撞算法主要有两类 3 2 1 ：一类模型是利用颗粒几何碰撞率来处理颗粒碰撞，包括是否发生碰撞和碰撞对象 的寻找，最初为t s u j i 3 3 】直接模拟m o n t e c a r l o 法引入碰撞几率概念，后被大量研究者 采用并发展f 3 4 娜】；另一类模型是类比空气动力学中分子间的碰撞，在气固两相流颗粒 相的b o l t m z n n a 方程中考虑颗粒间碰撞作用，直接求解颗粒相的b o l t m z n n a 方程从而 得到颗粒相的速度分布函划酌j 。 颗粒轨道模型的描述最符合两相流动的宏观表现方式，它对颗粒相进行单颗粒尺 度上的描述使它便于模拟异相界面上的传质、传热及反应。颗粒轨道模型直接跟踪每 个颗粒的运动及碰撞过程，比采用动理学封闭更直接，可以为将来的连续介质模型中 的颗粒相应力提供封闭模型。颗粒轨道模型应用广泛，f l u e n t 中有专门的d p m 模 块，很多学者应用该模型进行研究。b e r l e m o n t 3 7 ，3 8 】应用该模型自己编程形成计算软件 p a l a s ( p a r t i c l el a g r a n g i a ns i m u l a t i o n ) ；v i o l l e t ”】运用雷诺应力输运模型( r s m ) 对旋 风除尘器进行了三维模拟计算，利用拉格朗日方法预测了颗粒运动轨迹；陈丽华1 4 0 j 等 应用离散颗粒模型结合适当的湍流模型研究u 型( 半圆型) 惯性分离器的流动阻力及 分离特性；王海肛l i j t 4 1 1 应用随机轨道模型对惯性分离器进行了数值模拟；w a n 4 2 】应用 f l u e n t 平台，采用欧拉一拉格朗日法对旋风分离器进行了较为详尽的研究。颗粒流 的离散动力学方法逐渐成为探索颗粒流问题的有效工具，其真实性强于连续介质模 型的描述。 1 3 2 类似惯性过滤器的研究现状 查阅现有文献发现，有两类惯性除尘器与g l 型百叶窗过滤器结构相似，分别是 流化床锅炉用u 型半圆型惯性除尘器和原机车用v v 格百叶窗过滤器，有学者运用 数值方法对它们进行过一些研究。下面分别对它们的研究现状进行详细介绍，以为本 文研究提供一些有价值的思路和方法。 ( 1 ) u 型半圆型惯性除尘器 在流化床锅炉中应用该类除尘器由来已久，它是由一系列u 型半圆型槽管错列 安放数排组成的冲击式惯性分离器，它没有导风栅，这点与g l 型百叶窗过滤器不同。 在小川明的专著中已有关于u 型槽分离器的简单论述 4 3 1 ，我国学者对该类除尘器也 进行了大量的研究。张永照【删、富震宗【4 5 1 、何伟才 4 6 , 4 7 】、严建华 4 8 , 4 9 、李晓东【5 0 1 、岑 矗 中南大学硕士学位论文第一章绪论 可法【5 1 1 和刘伯谦 5 2 , 5 3 】等对流化床锅炉用u 型半圆型冲击式惯性除尘器进行过实验研 究，研究了该类除尘器的分离能力和阻力特性与其运行参数( 气流速度、颗粒直径、 颗粒浓度) 和几何参数( u 型半圆型槽间距、u 型半圆型槽大小) 的关系，为除尘 器的设计和工程选型提供有益的指导建议。王怀彬【4 7 l 对低倍率循环流化床锅炉槽型惯 性分离器分离机理进行的一些研究与探讨，为该类惯性除尘器的数值模拟提供有价值 的参考。 在数值模拟方面，严建华【4 9 】对循环流化床锅炉气固分离器进进行研究，气相采用 k - e 双方程模型、颗粒相采用随机轨道模型，数值模拟研究了u 型惯性分离器内颗粒 运动规律以及风量、颗粒尺寸等因素对分离效率的影响和鳍片管束分离器内颗粒运动 规律以及运行参数、结构参数等对分离效率的影响。对于颗粒分离条件，作者认为： 对于u 型分离器，颗粒脱离主气流而进入灰斗即被认为被分离：对于鳍片管束分离器， 颗粒在管前鳍片区域运动累计长度超过一定值即被认为无法逸出分离器而被分离。 b a s k a k o v l 5 4 j 采用欧拉一拉格朗日法数值模拟u 型槽惯性除尘器，研究除尘器的几何 结构参数和颗粒浓度对其阻力及过滤效率的影响，同时研究了不同直径颗粒的运动行 为。对于颗粒分离条件，作者认为：颗粒运动方向与其接触表面正交时被分离；在集 尘区颗粒的绝对速度小于0 1 m s 时即认为无法逸出分离器而被分离。陈丽华【4 3 】应用 k e 双方程湍流模型对u 型槽管束惯性分离器内流体动力特性进行数值研究，获得了 流场内速度、压力、湍动能和湍流强度的详细分布，分析了各参数的变化规律并考察 了无量纲化后的各个物理量与来流速度改变时的变化情况。陈丽华m 】以u 型槽管束 惯性除尘器为研究对象，采用欧拉一拉格朗日法对其流动阻力与颗粒运动规律进行的 数值模拟，气相采用k e 双方程湍流模型，作者只给出了颗粒与壁面碰撞规律而没有 给出颗粒分离判定条件。王海刚】采用雷诺应力模型和基于拉格朗日法的颗粒轨道模 型研究u 型槽惯性分离器中的湍流气固两相流，考虑颗粒与颗粒之间的碰撞及颗粒与 壁面之间的碰撞，研究不同尺寸、不同形状的颗粒在分离器中的运动、u 型结构尺寸、 不同排列组合及不同形状的挡板对分离效率和压降的影响。作者也没有给出颗粒分离 条件，但从文中的模拟结果看，应该是颗粒运动方向与其接触表面正交时被分离。谭 晓军 5 5 】采用数值方法对半圆管惯性分离器内的两相流动进行了模拟，连续相、颗粒相 和颗粒轨道计算分别采用雷诺应力模型、离散想模型和随机轨道模型。得到了该类分 离器内的速度、压力、湍流强度、湍动能、耗散率的分布情况，气流速度对颗粒轨迹、 分离效率、阻力的影响，颗粒浓度与分离效率的关系以及最佳颗粒浓度及磨损的大致 区域。作者的判断颗粒分离的方法是：跟踪足够多的步数后，用入口处的颗粒数量减 去出口部分得到逃逸出的颗粒数量，即可近似得出被分离下来的颗粒情况。 ( 2 ) v - v 格百叶窗过滤器 作为g l 型百叶窗过滤器上代产品，对v - v 格百叶窗过滤器研究现状的总结可 9 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 以给本文的研究思路一些启发。查阅现有文献，只有龚光彩f 5 9 j 课题组对其进行过较 为详尽的研究。龚光彩采用基于欧拉坐标系下的k e 双方程湍流模型和把颗粒相作为 连续介质，部分地考虑颗粒相对流体运行影响的无滑移模型，采用“阶梯状 法对计 算区域内固体障碍物进行处理，模拟含尘气流流过时的过滤特性，给出了过滤器内部 的流场及粉尘浓度场，与实验结果相比，模拟结果偏大。 g l 型百叶窗过滤器内部流场涉及气固两相流动，气相模型和固体颗粒相模型的 正确选择是研究该过滤器的关键。通过关于类似惯性除尘器的研究回顾发现：气相湍 流模型的选择有所不同；固体颗粒相的处理方式也各有其法，更多学者偏向于离散项 颗粒轨道模型。 1 4 本文的主要工作 g l 型百叶窗过滤器作为机车通风系统的重要设备，对其过滤特性与阻力特性的 研究还只停留在实验阶段，费时费钱，不利于产品快速开发，而借助计算流体力学 ( c f d ) 技术进行研究可以解决以上问题。查阅现有的文献发现还没有关于g l 型百 叶窗过滤器数值模拟研究，因此本文预借助f l u e n t 软件对该过滤器进行研究，优 化结构尺寸以提高设备行性能，以期进一步指导生产设计。 本文的主要工作有： ( 1 ) 建立g l 型百叶窗过滤器气固两相流模型，对流体相采用不同的湍流模型模 拟现有过滤器在实验条件下的压力损失和分离效率，与实验结果比较，选取较好的湍 流模型，同时掌握该过滤器内部流场结构和颗粒分离特性； ( 2 ) 研究运行参数和结构参数对g l 型百叶窗过滤器的分离效率和压力损失的影 响，为设计提供参考； ( 3 ) 研究不同结构形式的百叶窗过滤器的过滤特性和阻力特性； ( 4 ) 对机车用v - v 格过滤器和旋风除尘器进行初步研究，与g l 型百叶窗过滤 器的性能参数进行对比分析，从数值角度说明各种过滤器的优劣。 1 0 中南大学硕士学位论文 第二章g l 型百叶窗过滤器数值方法的研究 2 1 引言 第二章g l 型百叶窗过滤器数值方法的研究 g l 型百叶窗过滤器内部流场涉及两相流动，气相模型和固体颗粒相模型的正确 选择是研究该过滤器的关键。通过1 3 节的关于类似惯性除尘器的研究回顾发现：气 相模型的选择有一定的不同，固体颗粒相的处理方式也各有其法。基于这一现状，本 章首先介绍适用于气相流场的几种湍流模型、离散格式和压力速度耦合算法等； 对于固体颗粒相，采用基于拉格朗日坐标的随机轨道模型，介绍分析颗粒在流场中的 受力、气固两相之间的作用以及颗粒与固体壁面之间的相互作用；对流体相采用不同 的湍流模型模拟研究现有过滤器在实验条件下的压力损失，与实验数据比较，为选择 较合适的湍流模型以进行更深入的研究做参考：使用选择的湍流模型，加入颗粒相以 计算过滤效率，与实验值比较以验证固体颗粒相模型预测能力。 2 2 数学模型与计算方法 2 2 1 气相的数值模拟方法 质量守恒、动量守恒和能量守恒三大基本物理规律支配着所有流动与传热过程。 数值模拟的基本方法是采用控制方程来描述守恒定律，然后根据相对应的初始条件和 边界条件进行问题的计算。在对g l 型百叶窗过滤器的研究中不涉及温度场，且研究 中的气相为不可压缩气体。 ( 1 ) 质量守恒方程 堕=0p 0 i 上= 嚷 ( 2 - 1 ) 式中：p 为气体密度，k m 3 ；u i 为f 方向气体的速度，m s ；x i 为f 方向的坐标。 ( 2 ) 动量守恒方程 p 警+ p 百a ( u , u j ) 、a p 舢从岳陪+ 卦孥防2 ， 式中：p 为压强，p a ：为气体动力粘度，p a s ；“为湍流粘性系数， l l 中南大学硕士学位论文 第二章g l 型百叶窗过滤器数值方法的研究 鸬= c 肚2 g ，c = 0 0 9 。七为湍流动能，为湍流动能耗散率；甜；为 i 方向气体脉动速度；“：为，方向气体脉动速度。 ( 3 ) 湍流模型 目前应用于湍流的数值计算方法大致分为三类6 0 1 ，直接数值模拟( d n s ) ：采用 很小的时间与空间步长应用三维非稳态的n a v i c r m s t o k e s 方程对湍流进行直接数值计 算的方法。其优点是能分辨出湍流中详细的空间结构及变化剧烈的时间特性。但该方 法对计算硬件要求非常高，只有少数能使用超级计算机的研究者才能从事这一类研究 和计算，因此还无法用于工程数值计算。大涡数值模拟( l e s ) ：对大尺度脉动用数 值模拟的方法而将小尺度脉动对大尺度运动的作用做近似模型假设的数值计算方法。 其理论依据是小尺度脉动有局部平衡的性质，存在某种局部普适的统计规律。该方法 能得到比较好的模拟结果，但对计算硬件的要求仍比较高，因此本文放弃使用此方法。 雷诺时均方程法( r a n s ) ：该方法是求解平均化的雷诺方程而不直接求解 n a v i e r s t o k e s 方程。由于其计算量合适且模拟结果也与实验吻合较好，因此成为目 前工程湍流计算中广泛采用的基本方法。基于该方法发展了大量的湍流模型，较为典 型的有双方程模型和雷诺应力模型，这也是f l u e n t 等商业软件广泛采用的湍流模 型。本文将应用这两种湍流模型模拟g l 型百叶窗过滤器，与实验结果比较，寻找适 用于该类过滤器的湍流模型。下面将对湍流模型进行详细的介绍。 双方程模型 工程应用中，湍流k - e 双方程模型被广泛使用，它既满足工程所需的精度要求， 又具有较少的计算量。k 双方程模型是采用各向同性的湍流动力粘度来计算湍流应 力，主要包括三种模型：标准k 模型、r n gk 模型和r e a l i z a b l ek - 模型。前两 种模型的连续性方程、湍动能方程及耗散率方程