（化工过程机械专业论文）流线型两通道除雾器的流场数值模拟与研究.pdf

独独 创创 性性 声声 明明 本人声明所呈交的学位论文是我个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， 除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解我校有关保留、 使用学位论文的规定， 即：我校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅。本人授权武汉工程大学研究生处可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保 密 ， 在 年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密 。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 20 年 月 日 20 年 月 日 a thesis submitted in fulfillment of the requirements for the degree of master of engineering numerical simulation and research for the flow field of demister with two streamlined channels major : chemical process machinery candidate : xia yinbo supervisor : prof. xu jianmin wuhan institute of technology wuhan, hubei 430074, p. r. china may, 2012 摘 要 i 摘 要 在脱硫系统中， 除雾器是其中关键的设备,而湿法洗涤烟气脱硫系统 能否可靠的、连续的运行取决于除雾器性能的优劣。如果除雾器发生故 障，脱硫系统就会停运,更有可能造成整个机组(系统)的停机。所以说, 对除雾器进行合理的、科学的使用和设计可以保障系统的正常运行，在 湿法洗涤烟气脱硫系统的运行中起着至关重要的作用。 对除雾器性能的进行衡量有两个重要指标，一个是除雾效率，另一 个是除雾器进出口压降。压降的大小表明系统需要补充的动力的多少， 压降大小与能耗多少成正比，一般两级除雾器的压降应控制在 120 200pa以内。除雾效率的大小表示除雾器除去水量的多少，效率越 低表明含水量越高，液滴中含有石膏等成分，这些成分会在系统下游侧 设备表面沉积，会加速腐蚀设备，引发一系列问题，干态下烟气出口端 含水量应控制在 3 75mg nm以内。 本文采用计算流体力学软件模拟除雾器流场，通过数值模拟对流场 进行分析。除雾器内流动为气液两相流动，流场的数值计算采用离散相 模型，该模型主要是基于欧拉-拉格朗日方法。连续相是空气，其流场通 过时均n-s方程解决， 离散相液滴的轨迹通过已经计算的流场追踪得到。 通过模拟不同参数下除雾器流场，计算得出相应的进出口压降和除雾效 率，通过对计算结果的分析，总结出这些参数对进出口压降和除雾效率 的影响规律，并提出了两种除雾器叶片优化设计方案。 关键词：除雾器 压降 除雾效率 数值模拟 优化设计 武汉工程大学硕士学位论文 ii abstract iii abstract demister is the key equipment in the desulfurization system，the performance directly affects whether the wet scrubbing fgd system is capable of consistently reliable operation. demister failure will not only result in desulfurization system outage, and may even lead to the entire unit (system) to stop. therefore, the scientific and rational design, the use of mist eliminators to ensure the normal operation of the wet scrubbing of flue gas desulfurization system has a very important significance. two important indicators to measure the mist eliminator performance are the pressure drop and demisting efficiency of the demister import and export. pressure drop the greater the need to add more and more power , higher energy consumption , generally two mist eliminator pressure drop should be controlled in less than 120 200pa. demisting efficiency , the lower the flue gas with higher water content , droplet deposition in the absorber downstream side of the device surface , accelerate corrosion of the equipment , triggering a series of questions , the gas outlet end of the water content in the dry state should be controlled as 3 75mg nm. the computational fluid dynamics method is used to simulate numerically the flow field of the demister. the lagrangian discrete phase model follows the euler-lagrange approach is used to simulate numerically the two phase flow of gas and liquid in a demister. the fluid phase is treated as a continuum by solving the time-averaged navier-stokes equations, while the dispersed phase is solved by tracking a large number of droplets through the calculated flow field. by calculating the demisting efficiency and pressure drop of various demister with different working parameters，their 武汉工程大学硕士学位论文 iv effects on efficiency and pressure drop have been analyzedtwo demisting leaves optimize the design. keywords: demister pressure drop demisting efficiency simulate numerically optimal design 目 录 v 目 录 摘 要 . i abstract . iii 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题背景及研究意义 . 1 1.2 除雾器技术及典型装置简介 . 1 1.3 除雾器工作原理及应用 . 2 1.4 除雾器的发展及研究现状 . 5 1.5 本论文研究的主要内容 . 7 第 2 章 除雾器综述 . 9 2.1 除雾器系统 . 9 2.2 除雾器叶片 . 10 2.2.1 除雾器叶片的类型 . 10 2.2.2 除雾器叶片的尺寸 . 11 2.2.3 除雾器叶片材质及性能参数 . 12 2.2.4 各种叶片特点及比较 . 12 2.3 除雾器相关参数 . 14 第 3 章 数值模拟综述 . 17 3.1 数值模拟相关软件介绍 . 17 3.2 数值模拟计算方法 . 18 3.2.1 数值模拟模型 . 18 3.2.2 网格划分 . 22 3.3 数值模拟计算条件 . 26 第 4 章 数值模拟结果及分析 . 29 武汉工程大学硕士学位论文 vi 4.1 压降数值模拟 . 29 4.1.1 液滴直径 . 29 4.1.2 进气速度 . 30 4.1.3 板间距 . 31 4.1.4 板型 . 33 4.2 除雾效率数值模拟 . 35 4.2.1 液滴直径 . 35 4.2.2 进气速度 . 38 4.2.3 板间距 . 40 4.2.4 板型 . 42 4.3 数值模拟结果验证 . 44 第 5 章 除雾器叶片优化设计 . 51 5.1 除雾器相关专利介绍 . 52 5.2 除雾器叶片优化设计方案 . 54 5.2.1 流线型两通道叶片优化设计方案 . 54 5.2.2 折线型两通道叶片优化设计方案 . 59 第 6 章 结论与展望 . 65 6.1 结论 . 65 6.2 展望 . 66 参考文献 . 67 攻读硕士期间已发表的论文 . 73 附 图 . 75 致 谢 . 85 第 1 章 绪论 1 第第1章章 绪论绪论 1.1 课题背景及研究意义 在湿法脱硫工艺中， 经吸收塔处理后的烟气夹带了大量的浆体液滴， 特别是随着当今吸收塔烟气流速的不断提高， 烟气携带液滴量将加剧1。 如果这些液滴不被除去，它们就会在脱硫吸收塔下游的一系列设备的表 面沉积，形成石膏垢等杂质，加速腐蚀设备，如果再加热烟气很有可能 对热交换产生影响。要是采用湿排工艺，就会发生烟囱“降雨” （排放浆 体、固体或液体）现象，污染周围的环境2-4。在燃油、燃煤锅炉烟气脱 硫系统中， 除雾器是关键设备,除雾器的性能优劣关系到湿法烟气脱硫系 统 fgd 能否可靠、连续的运行。除雾器按脱硫工艺要求可水平式、屋脊 式布置在吸收塔内或垂直布置于烟道中5-7。 在脱硫系统中， 除雾器是其中关键的设备,而湿法洗涤烟气脱硫系统 能否可靠的、连续的运行取决于除雾器性能的优劣。如果除雾器发生故 障，脱硫系统就会停运,更有可能造成整个机组(系统)的停机。所以说, 对除雾器进行合理的、科学的使用和设计可以保障系统的正常运行，在 湿法洗涤烟气脱硫系统的运行中起着至关重要的作用8-9。 1.2 除雾器技术及典型装置简介 除雾技术，是一种将气流中雾滴或液滴分离出来的技术。这项技术 广泛的应用在化工、石油 、储运及深加工、天然气的开采、湿法脱硫、 烟气余热利用、柴油加氢尾气回收、发酵工程等工艺过程中，主要是用 于对有用的物质进行高效以及对有害物质进行分离清除。气液分离技术 主要有：利用惯性碰撞进行分离、通过静电力吸引进行分离、利用重力 武汉工程大学硕士学位论文 2 沉降进行分离、通过扩散进行分离、通过离心力进行分离等，在这些技 术的基础上，多种气液分离器随之研制成功，如惯性除雾器、重力沉降 器、丝网除雾器、旋流除雾器、纤维过滤除雾器、填料除雾器等10。 综上所述，分离原理虽然很多很杂，但可以简单分为两大类： (1)利用组分质量（重量）不同对混合物进行分离（如重力沉降、惯性、 旋流、 填料） 。 液体和气体有着不同的密度， 如果液体和气体的体积相同， 那么液体的质量更大。 (2)利用分散系粒子大小不同对混合物进行分离（如纤维过滤、丝网） 。气 体的分子与液体的分子聚集有着不同的聚焦状态，液体分子间的距离比 气体分子间距离要近得多，所以液体粒子较大。 1.3 除雾器工作原理及应用 除雾器的工作原理主要是利用惯性除去雾滴，广泛应用于电力、环 保、 化工、 石油、 医药、 轻工、 冶金等行业中各种设备上的气液分离11-12， 其主要应用在如下几个方面： （1）饱和蒸汽、二次蒸汽气液及夹带物的分离，提高蒸汽品质； （2）冷却塔、洗涤塔、饱和塔后的气液分离，防止带水，保证下游 设备安全稳定地运行 （3）压缩气体冷却后冷凝液和油雾的分离，防止击缸和油雾对下游 设备的堵塞及损害； （4）回收及净化装置气体中雾滴的除去，回收有价值物料及保证工 艺指标的合格； （5）氢氮压缩机油雾的分离，防止油雾对触媒的损害； （6）燃煤烟气脱硫装置中硫的脱除及夹带物的分离； （7）减少污染物的排放（如粉尘） ，以保护环境； 典型应用： 第 1 章 绪论 3 （1）波形板除雾器 波形板除雾器的接触面积很大，它的细分离性能很好，因此，波形 板除雾器在洗涤塔、蒸发器、回收塔、饱和塔、冷却塔后的气液分离等 过程中被广泛应用。当夹带微小液滴的气流以一定的速度通过特殊设计 成形的波形板时，气流携带着微小液滴在波形板构成的通道内作曲线运 动。水滴受到惯性力、附着力和离心力这三者的作用，使其不能和气流 一起偏转，从而撞击壁面并粘附在波形板的壁面上形成一层水膜，由于 重力的作用，水膜向下流动并汇聚成较大水流，水流不断流动一直到波 形板倒钩处，并最后离开波形板，达到分离的效果。波形板分离器一般 安装在蒸发室、冷却塔、洗涤塔、回收塔、饱和塔的顶部或出口管道上。 （2）机械除油器 在制油厂、化工厂的生产设备中，机械除油器是不可缺少的设备之 一。机械除油器是将气体中的微小油滴除去。当夹带油滴的气流以一定 的速度通过特殊设计成形的波形板时，在波形板的转弯处，油沫在惯性 力的作用下， 运动方向与气流的运动方向发生改变， 使得油沫产生分离。 （3）脱硫塔除雾器 在锅炉烟气脱硫系统中，脱硫除雾器是关键设备，除雾器性能的优 劣关系到系统的运行状态，即湿法烟气脱硫系统能否稳定的、连续的运 行。如果除雾器产生故障，脱硫系统就会停运，严重的话整个机组都会 停机。除雾器主要是用于除去烟气中的液滴（还有少量的粉尘） ，使得烟 气带水量降低， 这样一方面防止风机振动， 另一方面减少对环境的污染。 在反应区中，烟气中的硫与石灰石浆液发生中和反应，所形成的雾滴和 烟气一起流至除雾器区域，从而被除雾器捕集。当烟气流经除雾器区域 时，烟气中的雾滴受到转向离心力、摩擦力、惯性力和撞击力的作用并 在吸附作用下被捕集，波形板除雾器内部为多折向结构，这种结构使得 捕集雾滴的机会增加，从而除雾效率也大大提高了。根据布置要求和工 艺的不同， 脱硫除雾器可以有不同的安装方式。 在双碱烟气脱硫系统中， 武汉工程大学硕士学位论文 4 脱硫除雾器一般安装在吸收塔顶内部，脱除二氧化硫后的烟气在此除掉 雾沫后放空；在石灰/石灰石湿法洗涤法工艺中，脱硫除雾器安装在吸收 塔顶部或外部。 下图为流线型两通道带钩除雾器的除雾原理图。 气流方向 图 1.1 流线型两通道带钩除雾器原理图 从除雾器的工作原理图中可以看出，气流的方向和除雾器入口的方 向是一致的，而且气流中含有雾滴。当气流进入除雾器后，由于气体惯 性较小，气流很容易改变方向流过除雾器区域，但是夹杂气流中的雾滴 由于惯性较大，雾滴会保持原来的运动状态，很难改变原有运动方向， 从而与除雾器叶片发生碰撞，大部分雾滴被叶片所捕集，也有部分雾滴 夹杂在气流中从除雾器逃逸。 第 1 章 绪论 5 1.4 除雾器的发展及研究现状 从结构上看，除雾器用离心力进行气液分离是相对比较简单的，工 作的环境也不是很复杂，但在起步阶段甚至于以后很长一段时间内，用 离心力进行气液分离的装置在国内还不能自主解决，还是需要从国外进 口的。在用离心力进行气液分离装置的进口交易中，我们也花费了很多 的外汇。进几年来，气液分离装置国产化趋势日益明显，在以前建的一 些项目中，气液分离装置是比较容易出现故障的设备之一，其中最主要 的问题是除雾器的效果不是很好，除雾器出口的雾滴含量超标，气液分 离装置在一般工况下很容易结垢并发生堵塞，如果结垢问题严重的话， 除雾器还有可能会发生坍塌现象。虽然从机件结构看气液分离装置很简 单，但它是一个流体机件所面对的处理对象是含有雾滴两相流复杂流场 和其中的雾滴，即处理对象的流体性质是复杂的。各种工况下的复杂气 体流场以及流场内雾滴的直径分布都会对除雾器的除雾效率甚至正常工 作产生重大影响。 所以气液分离装置的核心研究内容是流场的研究13-14。 近几年国内不少人员对气液分离装置做了相关研究，也得出了许多 宝贵结果。 2005年杨柳15等根据除雾器布置方式的差异， 做了很多除雾器试验， 以此来得到流场的速度分布和进出口的压降，然后通过水平衡的方法计 算得出除雾效率，对影响除雾效率的因素（主要有布置方式、气流速度） 进行了分析，并得出压力降和气流速度的关系，所得结论为这一类型除 雾器的生产提供了十分重要的参考依据，尤其是在工业化应用中。 2006年汤龙华16提出了一种关于除雾器的性能测试的mg离子示踪 试验方法，对实验方法和原理进行了详细阐述。 2008年北京化工大学王霄17对脱硫吸收塔除雾器的性能进行了数值 模拟和实验研究，并得出相关结论，即影响压降和流场的主要参数是叶 片的迎风面几何结构。 武汉工程大学硕士学位论文 6 2009年华北电力大学黄龙浩18等对除雾器的性能进行了实验研究， 得出了影响除雾效率、临界流速、压力损失的主要因素。 2009年王小平19研究了除雾器的维护与设计，对屋脊型和平板型除 雾器的相关特点进行了比较，站在维护、运行的角度考虑,提出需要建立 除雾器冲洗和检测制度的建议,为除雾器的正常、安全运行提供保障。 2011年宋斌辉20对湿法烟气脱硫系统装置的经济和安全运行对策进 行了详细的研究。 传统除雾器主要根据大量经验修正和实验来进行设计，通过反复的 试制和实验参数测量来对产品改型，以期找到合适的结构参数。由于除 雾器的压降和除尘率受气流速度、液滴直径、叶片形状及叶片间距等诸 多因素的影响，这样通过大量实验和经验修正来进行设计不仅周期长、 投入高而且很难确定出最佳参数。显然，传统的设计方法已不能满足除 尘器的高性能要求21-26。 计算流体力学（computational fluid dynamics）数值模拟模块功能十 分强大，能够很好的解决上述问题，相比传统的实验研究方法，cfd模 拟最显著的优点是成本低、计算周期短，能够全方面的提供信息等，鉴 于这些优势近年来cfd数值模拟技术备受研究人员的青睐，通过流场模 拟，可以很好的掌握内部流动的详细情况，同时得到流动特性的重要参 数，从而指导研究者优化产品设计27-29。 随着计算机技术和计算流体力学 cfd 飞速发展， 国内外研究者纷纷 深入开展 cfd 软件的研究和开发应用， 这对于流体流动中各种流场 （如 速度场、温度场、应力场）特性的研究与分析具有重要意义。针对不同 的数值算法以及不同的适用范围， 研究人员编写出各种 cfd 软件， 这些 cfd软件都拥有各自不同的优缺点。 目前国外已开发出 fluent、 phoenics、 cfx、star-cd 等大型通用 cfd 分析计算软件。在工程实际应用中，将 实验结果和这些软件的模拟结果作比较， 发现模拟结果可靠性还比较高， 还是值得信赖的30-31。 第 1 章 绪论 7 1.5 本论文研究的主要内容 对除雾器性能的进行衡量有两个重要指标，一个是除雾效率，另一 个是除雾器进出口压降。压降的大小表明系统需要补充的动力的多少， 压降大小与能耗多少成正比，一般两级除雾器的压降应控制在 120 200pa以内。除雾效率的大小表示除雾器除去水量的多少，效率越 低表明含水量越高，液滴中含有石膏等成分，这些成分会在系统下游侧 设备表面沉积，会加速腐蚀设备，引发一系列问题，干态下烟气出口端 含水量应控制在 3 75mg nm以内32-36。 本论文对除雾器内流场进行数值模拟和分析，主要采用计算流体力 学方法研究的主要内容有： （1） 结合除雾器相关文献和计算流体力学书籍对除雾器流场进行相 关理论分析，包括流场内流动的湍动程度，可压缩性，稳定性，雾滴的 受力分析等，为数值模拟打下一定基础。 （2）除雾器的叶片尺寸全部是由厂家所提供。采用 gambit 对除雾 器流场区域进行建模和网格划分，gambit 是计算流体力学软件 fluent 中 的绘图软件。所模拟的除雾器叶片共有 4 种：流线型两通道，流线型两 通道带倒钩，折线型两通道，折线型三通道。除雾器内流动为气液两相 流动，流场的数值计算采用离散相模型，该模型主要是基于欧拉-拉格朗 日方法。连续相是空气，其流场通过时均 n-s 方程解决，离散相液滴的 轨迹通过已经计算的流场追踪得到。通过模拟不同参数（主要包括叶片 类型，板间距，进气速度，雾滴的直径等）下除雾器流场，计算得出相 应的进出口压降和除雾效率，通过对计算结果的分析，总结出这些参数 武汉工程大学硕士学位论文 8 对进出口压降和除雾效率的影响规律。 （3） 通过参照国家知识产权局中 131 项除雾器叶片相关专利， 再结 合已得结论提出两种除雾器叶片的优化方案。 第 2 章 除雾器综述 9 第第2章章 除雾器综述除雾器综述 2.1 除雾器系统 除雾器系统是由两部分构成，一是除雾器本体，二是冲洗系统。主 要包括两级除雾器本体、喷嘴、支撑梁、支撑架、冲洗水管道及相关连 接、固定、密封件等。 除雾器本体示意图如下图所示。 图 2.1 除雾器本体示意图 除雾器本体主要包括：1 集水槽，2 除雾器框架，3 除雾器本体，4 除雾器叶片，5 喷嘴，6 清洗装置。除雾器一般安装在脱硫塔的顶部（下 图中左右壁面为脱硫塔内壁） ，含雾滴烟气经过脱硫塔的中和反应区后， 流向除雾器区域，烟气中的绝大部分雾滴在除雾器中除去，然后烟气排 武汉工程大学硕士学位论文 10 出。 清洗装置按一定的时间间隔开启， 通过喷嘴对除雾器进行喷水清洗， 防止除雾器通道结垢堵塞，保持除雾器内的清洁。 2.2 除雾器叶片 2.2.1 除雾器叶片的类型 除雾器叶片按照几何形状可以分为流线型和折线型，其中流线型又 有带倒钩和不带倒钩两种。按照气流在流场中改变方向的次数可以分为 两通道和三通道，其中两通道表示气流在流场中改变了两次方向，三通 道表示改变了三次方向。除雾器叶片的具体形式如下图所示： (a)流线型两通道叶片 (b)流线型两通道带倒钩叶片 (c)折线型两通道叶片 (d)折线型三通道叶片 图 2.2 除雾器叶片类型 第 2 章 除雾器综述 11 2.2.2 除雾器叶片的尺寸 本论文中除雾器叶片的尺寸由厂家提供，具体尺寸如下图所示。 (a)流线型两通道叶片尺寸 (b)流线型两通道带倒钩叶片尺寸 (c)折线型两通道叶片尺寸 (d)折线型三通道叶片尺寸 图 2.3 除雾器叶片尺寸 武汉工程大学硕士学位论文 12 2.2.3 除雾器叶片材质及性能参数 如今工业中除雾器叶片的材料大多采用增强聚丙烯（frpp） ，它常 用玻璃纤维作为增强材料，不仅保留了聚丙烯（pp）原有的优良性能， 还使其拉伸强度、耐热性、刚性、强度、耐蠕变性等性能得到了提高。 增强聚丙烯的主要特点有：1 使用寿命长，frpp 可以安全使用 50 年以 上。2 耐腐蚀性能卓越。3 抗磨性能优异。4 刚度高。5 耐热保温节能。6 连接性能可靠。7 施工性能良好，frpp 材质轻，焊接工艺简单，施工方 便，工程综合造价低。具体参数如下： （1）板片厚度：=310%mm （2）拉伸强度：30.5 1.5mpa （3）弯曲强度：40mpa （4）冲击强度：(23)5.4 1.0cmpa （5）板片软化温度（维卡软化点） ：115 c 2.2.4 各种叶片特点及比较 下图为除雾器叶片简图，b 从左到右依次为流线型两通道叶片、流 线型两通道带倒钩叶片、折线型两通道叶片、折线型三通道叶片，且每 种叶片类型由 3 个叶片组成。 除雾器的最重要和最基本的元件是除雾器的叶片，叶片的性能直接 关系到整个脱硫系统的运行，起着很重要的作用。 第 2 章 除雾器综述 13 图 2.4 除雾器叶片简图 流线型两通道不带钩除雾器叶片是 4 种叶片结构中使用范围最广、 使用量最大的一种，由于板片不带钩，可能在效率上稍稍不及流线型两 通道带钩除雾器叶片，但是其自清洁能力和清理的容易程度远远优于流 线型两通道带钩除雾器叶片，这种叶片结构是目前湿法脱硫中普遍采用 的一种叶片结构形式。在很多应用场合得到了很广泛的应用。 流线型两通道带钩除雾器叶片也是应用很多的一种叶片，由于叶片 带钩，效率和二次夹带的临界速度都得以很大提高，但也因此带钩而使 冲洗的难度增加，这种叶片结构以前是主流，但是在一些除雾效率要求 高，结垢不严重的场合还是选用。 折线型两通道除雾器叶片通常用在一级（下层）除雾器中担负着粗 颗粒液滴的分离除雾重任， 其除雾效率和清洗的容易程度是有目共睹的， 也有些对于除雾效率要求更高的并且结垢不严重的场合也采用折线型三 通道除雾器叶片。 折线型三通道除雾器叶片通常用在一级（下层）除雾器中担负着粗 颗粒液滴的分离除雾重任，其除雾效率较高，但是阻力降也相对高些， 武汉工程大学硕士学位论文 14 这种叶片结构形式最主要的问题就是清洗困难，所以一般用于不易结垢 的场合。 2.3 除雾器相关参数 除雾器的相关参数主要有以下几个： （1）除雾效率 除雾效率表示除雾器除雾烟气中所含液滴的能力，它是在单位时间 内除雾器除去的液滴质量与进入除雾器的液滴质量的比值。除雾效率越 低表明烟气中液滴较高，而液滴中含有钙、硫等元素，使其沉积在吸收 塔下游侧设备表面，在设备表面结垢，加速设备的腐蚀，引发一系列问 题，一般来说干态下烟气出口端含水量应控制在 3 75mg nm以内。影响除 雾效率的因素主要有叶片结构，叶片间距（板间距） ，气流速度等，如果 叶片的材质不好，容易结垢，使得除雾器通道堵塞，也会在一定程度上 影响除雾效率。 （2）系统压降 系统压降是指除雾器进出口的压力损失， 压降越大表明系统需要补充 的动力越多，能耗就越高，一般两级除雾器压降应控制在120 200pa以 内。影响系统压降的因素主要有叶片结构，板间距，气流速度等，如果 叶片的材质不好，容易结垢，使得除雾器通道堵塞，也会在一定程度上 影响压降。 （3）进气速度 进气速度是指脱硫塔内含液滴的气体进入除雾器时的速度。 进气速度 影响着系统压降和除雾效率，当进气速度过大时，会使得原来已经除去 的液滴再次被气流带走，从而形成二次携带，降低除雾效率。当进气速 度太小时，会使得产生的离心力太小而不能够除去液滴。工业中进气速 第 2 章 除雾器综述 15 度的大小一般控制在1 /10/m sm s范围内， 使得进气速度不会太大也不会 太小。 （4）板间距 板间距即两个相邻除雾器叶片之间的距离， 除雾器叶片的安装是通过 卡具按照一定的间距将叶片拼接起来，最后拼接成除雾器本体。板间距 的大小也会在一定程度上影响系统压降和除雾效率。另一方面，板间距 的大小直接影响到除雾器中叶片的数量， 而叶片的数量关系到成本问题。 所以除雾器板间距既不能太大也不能太小，既要保证系统压降和除雾效 率，又要顾及到成本问题。工业中除雾器板间距一般取 2040mmmm左右。 （5）除雾器级数 除雾器的级数一般是指除雾器本体的数量，大多为两级。除雾器级 数越多，除雾效率自然越高，但同时系统阻力增加，压力降增大。所以 综合考虑，除雾器的级数最好不要超过两级。 （6）临界分离粒径 气流中所含液滴的尺寸也是影响除雾器系统压降和除雾效率的一个 重要因素。液滴尺寸为微米级颗粒，临界分离粒径就是指除雾器所能分 离的颗粒的最小直径。一般除雾器临界分离粒径在1020mm左右。 武汉工程大学硕士学位论文 16 第 3 章 数值模拟综述 17 第第3章章 数值模拟综述数值模拟综述 3.1 数值模拟相关软件介绍 本课题所采用的 fluent 软件是由美国 fluent inc.于 1983 年推 出的专业 cfd 软件， 而一般来说 fluent 软件主要由 gambit、 tgrid、 fliters、fluent 几部分组成37-41。 针对不同的计算对象，cfd 软件都包含有 3 个主要功能部分: （1）前处理器。前处理器主要有 fliters、tgrid 和 gambit 等，用 于完成计算对象的建模和网格生成程序。 其中 gambit 是 fluent inc. 自主开发的专用 cfd 前处理软件，用于模拟对象的几何建模和网格生 成。tgrid 是附加前处理器的一种，它的作用是读入几何结构，而所生成 的模拟对象来源于 cad/cae 软件包（如 gambit） ，整合边界网格并 生成体网格， 这中体网格主要包括四面体网格、 三角形网格或混合网格。 （2）求解器。fluent 作为求解器，是 cfd 软件包的核心部分。 本课题进行数值模拟所用的是 fluent 的最新版本 6.3.26，这个版本中 的 fluent 分为单精度和双精度两种类型，是一个通用求解器，而且是 基于非结构化网格的， 支持并行计算。 在生成网格并且读入 fluent 后， 剩下的工作都可以在 fluent 中进行，例如边界条件的设置、材料性质 的定义、求解的执行、网格优化、计算结果后处理等。 （3）后处理器。fluent 本身就已经带有很强大的后处理功能， 其中包括云图、等值线图、矢量图、动画等多种方式显示、储存和输出 计算结果。当然也有常用的后处理软件如 tecplot。 作为一个功能强大的 cfd 软件，fluent 软件在航空航天、汽车 设计、石油天然气、水利工程等方面都有着广泛的应用，其主要特点是 采用有限体积法计算方法。fluent 具有非结构化网格能力，这种能力 武汉工程大学硕士学位论文 18 是完全的，也是强大的，而且它拥有多种自适应网格技术,而且这些技术 是以以解算为基础的。包含祸合线式算法、非祸合隐式算法和祸合隐式 算法三种算法，进而使 fluent 能在多种流动计算中广泛的应用。 fluent包含的物理模型是非常丰富的。 fluent的并行计算效率很高， 具备自动分区功能，内置的 mpi 在并行版本的支持下，利用其并行机制 可以使分布式并行效率大幅度的提高。fluent 为用户提供了二次开发 接口(udf)，其用户界面很友好。fluent 的编写程序为 c/c+语言， 使计算机内存的利用率大大提高42-46。 3.2 数值模拟计算方法 3.2.1 数值模拟模型 除雾器流场数值模拟时所用到的模型主要有湍流模型，dpm 模型 等。 3.2.1.1 湍流模型 在湿法脱硫系统中，经吸收塔反应区中和反应后的气流中含有大量 液滴，气流在除雾器叶片通道内的流动过程比较复杂，它实际上是一个 三维流动，而且是非定常和可压缩的流动。考虑到计算精度、效率以及 现有硬件条件 （如计算机的内存等） ， 本课题对除雾器叶片区域的流动情 况进行适当的简化： （1）除雾器通道由叶片按一定的间隔重复排列构成，每个通道形状 基本一样且无空间拉伸，即每个通道的任意截面相同，所以将除雾器内 的三维流动简化为两叶片间的平面二维流动。 （2） 定常流动和非定常流动的区别在于参量是否随着时间的改变而 改变，这些参量主要是指流体在空间的任何点上的速度或热力学参量。 第 3 章 数值模拟综述 19 除雾器实际流场中各参数基本不随时间变化，所以简化为定常流动。 （3）除雾器内气流的速度均小于10/m s，即马赫数小于 0.1，可以简 化为不可压缩流动。 fluent 提供的二维湍流模型主要有- 两方程模型、 s-a 单方程模 型、- 两方程模型、以及雷诺应力模型等。 s-a 模型主要适合用于翼型、壁面边界层等流动，不适合射流类等 自由剪切湍流问题。 - 模型可以细分为标准型、重整化群型和可实现化型等三种- 模 型。 在这三种模型中， 标准型的- 模型在 fluent 计算中是使用最多的一 种数值模型，它的稳定性好，经济性强，计算精度高，适合湍流模型中 的高雷诺数情况。对于流动的各项异性较强的情况比如强旋流动就不太 适合；重整化群型- 模型理论考虑了旋转效应，因此适用于强旋流动 模型计算，同时对于低雷诺数湍流模型也有较理想的计算效果；可实现 型- 模型的雷诺应力可以与真实湍流保持一致，这是该模型相对于前 面两种模型的优势所在， 因此对于求解平面和圆形射流问题的扩算速度， 结果更加精确。在模拟旋转问题、分离流体问题和边界层含有压强梯度 问题时，计算结果与真实情况更加符合。同时该模型也广泛应用在复杂 流动计算中，比如带二次流计算问题。在含有多重参考系和旋转滑动网 格这类问题的静止和旋转区域的流场模拟中，可实现型- 模型在计算 中会有非物理类湍流粘性问题，所以此类流场模拟中要慎重选用。 - 模型可划分为标准型与剪切应力运输型 （sst- ） 有限元模型。 低雷诺数、剪切流扩散和可压缩性等理论都包含在标准 - 模型中。该 模型在尾迹流动、射流、混合流动、有固定壁面的流动、含有边界层的 湍流以及自由剪切流等问题中使用，计算结果