（机械设计及理论专业论文）旋风除尘器机理性能研究及改进.pdf

捅要 本文详细地介绍了旋风除尘器的基本组成、除尘机理、典型结构及应用、性 能参数及影响性能参数的主要因素。在分析总结前人对旋风除尘器研究的基础 上，本文归纳总结了旋风除尘器发展现状及目前存在的主要问题和发展方向。 目前，提高旋风除尘器的除尘效率同时降低压力损失是一主要问题。本研究 选取了对旋风除尘器有重要影响的轴向逸流、底部二次扬尘等问题加以深入分析 研究，目的就是要提出新的改进措施，开发出新型( r e 型) 旋风除尘器，提高现 有旋风除尘器的除尘效率充分发挥旋风除尘器的优势。 本文研究的方法主要有对比数值模拟和对比试验。本文应用f l u e n t 软件进 行旋风除尘器内部流场的模拟，通过分析模拟结果可以有效地启发新的除尘机理 分析思路和改进措施的提出。综合考虑各方面的问题，本文提出了旋风除尘器新 的分析思路匀流程思想，在这一思想的指导下规划了具体的结构改进措施i 同时，设计制造出新型r c 型旋风除尘器。 本文针对试验目的自行组装了一套简易试验设备。通过分析对比数值模拟和 试验结果，本文发现数值模拟和试验结果相互吻合。因此，本文认为匀流程思想 是正确的，同时，新型高效旋风除尘器r c 型除尘器的改进是成功的。 关键字：旋风除尘器匀流程数值模拟 c f d a b s t r a c t t h i sp a p e rd e t a i l e d l yi n t r o d u c e dc y c l o n e sb a s i cc o m p o n e n t s ，s e p a r a t o rt h e o r y , t y p i c a lt y p e ，a p p l i c a t i o n ，p e r f o r m a n c e sp a r a m e t e ra n ds o m em a j o r i n f l u e n t i a lf a c t o r s 。 n o w a d a y s ，t h ek e yr e s e a r c hp o i n to fc y c l o n ei st oi n c r e a s ec y c l o n e sc o l l e c t i o n e f f i c i e n c ya n dr e d u c ec y c l o n e sp r e s s u r el o s s a f t e ri n v e s t i g a t i o na n da n a l y z i n g c u r r e n ts h o r tc i r c u i ta n db o a o md u s ts e c o n d a r yf l y i n gp r o b l e m ，t h i ss u b j e c t sc e n t r a l w o r ki st op u tf o r w a r dan e wi d e aa n dac r e a t i o n a r ym e a s u r et os o l v e t h e s ep r o b l e m s a n di m p r o v ec y c l o n e sp e r f o r m a n c e d u d n gt h er e s e a r c h ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dc o m p a r a t i v ee x p e r i m e n ta r et w o u s e f u lm e t h o d s a t i e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o nb yu s eo ff l u e n ts o f t w a r e ，t h i sp a p e r a n a l y z e dc y c l o n e si n n e rc u r r e n ts i t u a t i o n a n dt h e n u n i f o r t u i t yf l o wi d e aw a s b r o u g h tf o r w a r da n das p e c i f i cm e t h o dw a s a l s op u tf o r w a r d a tl a s t ，t h i sp a p e r d e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e dan e wt y p ec y c l o n e _ k v e r s ec y c l o n e a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t sp u r p o s e ，t h i sp a p e ra s s e m b l e das e to fs i m p l e e x p e r i m e n t a ls y s t e m t h er e s u l to fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dc o m p a r a t i v ee x p e r i m e n t p r o v e dt h a tt h en e w i d e ai sr i g h ta n dr e v e r s ec y c l o n ei san e ws u c c e s s f u lc y c l o n e k e y w o r d s ：c y c l o n es e p a r a t o r , u n i f o r m i t yf l o w , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，c f d i i i 独创性声明 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 本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：陆玄基 日期：j 卅占年，月可日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将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、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：隧弦基 导师签名： 日期：捌口z 年，月彩日 第一章引言 第一章引言 1 1 研究观点的提出 1 1 1 工业用除尘器简介及性能比较 工业除尘所涉及的多相混合物称为气相悬浮系或气溶胶。分散于其中的细小 颗粒叫做尘粒或微粒，而尘粒的堆集状态叫做粉体。在工程设计中为了正确地设 计和选择除尘设备，必须掌握粉尘的主要物理和化学性质，用于描述粉尘性质的 参数有：粒径与分散度、密度与堆积密度、凝聚性、湿润性、荷电与导电性、自 然堆积角、爆炸性。 在日常工业上用于粉尘颗粒物分离的设备主要有：重力沉降式除尘器、惯性 除尘器、电除尘器、湿式除尘器、过滤式除尘器、旋风除尘器，简述如下“。”： ( 1 ) 重力除尘器重力除尘器是使含尘气体中的粉尘借助重力作用自然 沉降来达到净化气体的装置。它的沉降速度太小，仅为离心沉降速度的几十分之 。实际应用中，结构简单，阻力小、但体积大、除尘效率低、设备维修周期长。 ( 2 ) 惯性除尘器这是一种利用粉尘在运动中惯性力大于气体惯性力的 作用，将粉尘从含尘气体中分离出来的除尘设备。这种除尘器结构简单，阻力较 小，但除尘效率较低，一般应用于一级除尘。 、 ( 3 ) 电除尘器电除尘器中的含尘气体在通过高压电场电离时，尘粒荷 电并在电场力作用下，尘粒沉积于电极上，从而使尘粒与含尘气体相分离的一种 除尘设备。它能有效地回收气体中的粉尘，以净化气体。各种电除尘器由于具有 效率高、阻力低、能适用于高温和除去细微粉尘等优点，获得了比其他除尘器更 快的发展，但投资大。关于减少电除尘器的耗电量，运用空调技术使高电阻含尘 气体也能获得很好效果，使除尘器操作处于最佳条件和提高除尘效率等问题正在 开展研究。 ( 4 ) 湿式除尘器这种除尘器是使含尘气体与水或其它液体相接触，利 用水滴和尘粒的惯性碰撞及其它作用而把尘粒从气流中分离出来。湿式除尘器以 水为媒介物，因此它适用于非纤维性的、能受冷且与水不发生化学反应的含尘气 体，不适用于除去黏性粉尘。湿式除尘器具有投资低，操作简单，占地面积小， 能同时进行有害气体的净化、含尘气体的冷却和加湿等优点。特别适用于处理高 温度高湿度和有爆炸性危险气体的净化，但由于采用了水为净化物，会带来了二 次污染。 ( 5 ) 袋式除尘器主要依靠编织的或毡织的虑布作为过滤材料来达到分 离含尘气体中粉尘的目的，由于粉尘通过滤布时产生的筛分、惯性、黏附、扩散 和静电作用而被捕集分离。袋式除尘器适应性比较强，不受粉尘比电阻的影响， 也不存在水的污染问题。在选取适当的助滤剂条件下，能同时脱除气体中的固、 江南大学硕士毕业论文 气两相污染物。但其存在过滤速度低、压降大、占地面积大、换袋麻烦等缺点。 ( 6 ) 旋风除尘器旋风除尘器是利用旋转的含尘气体产生的惯性离心力， 将粉尘从气流中分离出来的一种干式气一固分离装置。这种除尘器主要优点：结 构简单，本身无运动部件，不需要特殊的附属设备，占地面积小；操作、维护简 便，压力损失中等，动力消耗不大，运转、维护费用较低；操作弹性较大，性能 稳定，不受含尘气体的浓度、温度限制，对于粉尘的物理性质无特殊要求。目前， 旋风除尘器广泛应用于化工、石油、冶金、建筑、矿山、机械。轻纺等工业部门。 表l t1 各类除尘器的使用范围和概略性能 不同粒径除尘效 适用范围投资比 率 型 浓度阻力 式 作用力种类 温度 5 01初 年 粒径5 a n g m 3m m h 2 (a m a n 投成 。c a m 资 太 惯性 力、重 惯性除尘器 1 5 1 0 4 0 02 0 1 0 09 61 63 l 1 力 旋风除尘器中效 5 o 0 5 9 9 9 99 96 64 2 扩散、除 气环清灰 0 i3 - l o 9 99 99 46 9 筛分 尘 脉冲清灰1 0 0 9 99 96 85 0 器 高压反吹清灰1 0 0 9 99 96 04 0 湿 惯性、 自激式洗涤器 1 0 0 1 0 0 4 0 01 0 09 34 02 72 1 扩散、高压喷雾洗涤器 1 0 4 0 08 l o o o1 0 09 67 52 61 5 式 凝聚 高压文氏管除尘器 0 0 5 d e 者，向外推移作用大于向内漂移作用，结果被推移到旋风除尘器壁附 江南大学硕士毕业论文 近，粉尘浓度大到运载介质的极限负荷浓度时，则粉尘被分离出来。相反，凡 d d c 者被截留在筛网的一面而d 以者则通过筛 网排离旋风除尘器。筛网处离心沉降速度：= 警 筛网高度如 图2 5 从排气管下端一直延伸到与锥体相交处，高度为吃，假设径向速度w ，是 平均分布于整个高度，则= 荔罢i ，令心= 解得想临界粒径为： 蜘去甚 啦 眨a ， 上式中：“。为筛分面的切向速度，m s 。 z 为流体动力粘度，只s ： g 为体积流量，肌3 s ： 砘、岛分别为颗粒和流体的密度，堙m 3 ； h为筛分面的高度n 第二章旋风除尘嚣机理，流场分析、性能参数及分类 ( 3 ) 边界层理论临：界粒径公式 等糍铲) v 2 弦s ， 式中：为旋风除尘器入口截面高度，脚； q 为体积流量，加3 s ； 为流体动力黏度，只，s ； 0 、分别为旋风除尘器上筒体半径、排气管半径，m ； n 为旋涡指数； h t 、h ，分别为旋风除尘器上简体、下锥体的高度。m ； 2 2 3 除尘效率 除尘效率包括总除尘效率和分级除尘效率。对于一般除尘器总除尘效率足以 说明除尘器的除尘性能，但在粉尘颗粒密度一定的情况下，除尘效率的高低与颗 粒大小和分散度有密切的关系。一般说，粒径越大，除尘效率也越高，因此，单 独地用总除尘效率来描述某一除尘器的除尘性能还不够，还必须对不同大小颗粒 除尘效率迸行了解。这样不同大小颗粒的除尘效率称为分级除尘效率。 ( 一) 分级除尘效率 ( i ) 根据出口粉尘质量计算 设进入除尘器某在万去6 粒径范围内的粉尘质量占总粉尘质量的百分比， 也就是频率为p ) ，粉尘浓度为( c 。，) ，则进入除尘器的粒径为万去巧的粉 尘质量： 廊，p ) = 乜，l 乃p 蚴 ( 2 6 ) 若经除尘器捕集分离后在排出气流中，同一粒径万妻j 范围的频率为z p ) ， 粉尘浓度为( c m ，) 。，则出口处的粉尘质量： 绣p ) = 瓯，) f 五p 砭 ( 2 7 ) 则粒径在占妻艿范围内的分级除尘效率为： 荆= 卜黯矧川。 c z s ， 江南大学硕士毕业论文 ( 2 ) 根据已捕集粉尘质量计算 若从排灰口排出所捕集到在万去万粒径范围的频率为厂，p ) ，则捕集分离 到的在万去万粒径范围内的粉尘质量为： 廊，p ) = 乃p 勋，一m c 户乃( j ) 陋，l p 蚴一c o ，i p 娩j ( 2 9 ) 在干式除尘器中若是温度变化很小或没有变化时，q ，zq ，则 分级除尘效率： 卵( 万) = = x 1 0 0 - - ! ! ! ! ! 群- 。 ( z ，。) ( 二) 总除尘效率 现用确。表示通过除尘器而未被捕集分离仍存留在排出气流中的粉尘质量； r h ，表示进入除尘器的粉尘质量；r h ，表示经除尘器所捕集分离到粉尘质量。 除尘效率可表示为： 叩。：一r n f ( 2 1 1 ) 叩。2 _ k z 或：土：- 三_ ( 2 或2 上m = + m f 。丽 1 2 ) 或：之竽_ 1 _ 晚疏， ，竹 ( 2 1 3 ) 以o 代表标准状态下的气体体积流量，c 卅，为单位体积的粉尘质量浓度 捕= c m ，q ，则除尘效率： = ( 卜涨 1 0 0 眨埔 2 2 4 压力损失 旋风除尘器的压力损失主要包括以下几个方面：进口管的摩擦损失；气体在 旋风除尘器中与器壁的摩擦所引起的能量损失；旋风除尘器内气体因旋转而产生 的动能损耗；排气管内摩擦损失等。 纯气流旋风除尘器压力损失主要是在半径方向离心力作用引起的，旋风除尘 器自由涡流场压力沿半径方向的变化如下： 第二章旋风除尘器机理、流场分析、性能参数及分类 生；d 生 ( 2 1 5 ) 在自由涡区如图2 3 i i 区： ， o ，“r = k 故卸= 少等2 咖= p 箩西= 一譬外= 丝2 但l r , 2 专 池 j ：垡：! 堕( 2 1 7 ) a l n r w r a l n r 将式2 。1 7 代入2 1 6 得： = 热( 壶) 譬 亿 根据实际测定结果= 要，在r = o 处压力等于进口处的压力；在，= 处， 则压力约等于排气管处的压力，故可以将式2 1 8 看作旋风除尘器的压力损失， 代入= 詈_ 得： 印= 黠毒炮筋一书譬 眨 以上有关压力损失的理论分析是根据纯气流的压力损失测定结果抽象出来， 忽略实测中一些具体情况，如卸并不是与进口速度v ；成正比，而是与v ；成正比； 印与旋风器的高度有关，同时印还与器壁面的摩擦系数，等因素有关。 一般情况下，含尘气流的压力损失反而变小，因为已捕集分离的颗粒在器壁 处及锥体的内壁旋转下降时无形中增加了边壁的粗糙度，也使旋转速度变小，旋 转速度变小就意味着压力损失变小。1 9 4 6 年b r i g g s ，提出经验公式： 印= 哦( 1 0 0 1 9 8 而) ( 2 2 0 ) 式中：峨为纯气流的压力损失； ( 巴，) ，为进口处含尘气流的粉尘浓度。 江南大学硕士毕业论文 2 3 影响旋风除尘器性能的主要因素 2 3 1 几何尺寸因素。”。”1 1 旋风除尘器的直径d n 般旋风除尘器的直径越小，气流旋转半径越小，粉尘颗粒所受离心力越大， 旋风除尘器的除尘效率也就越高。但过小的筒体直径，由于旋风除尘器器壁与排 气管太近，造成较大直径颗粒有可能反弹至中心气流而被带走；使除尘效率降低。 另外，简体太小容易引起堵塞，尤其是对于黏性物料。因此，一般简体直径不宜 小于5 0 7 5 m m ，工程上常用的旋风除尘器的直径般是在2 0 0 r a m 以上。如今， 旋风除尘器的直径也日趋大型化，已出现大于1 0 0 0 m m 的大型旋风除尘器。 旋风除尘器在一定的几何形状和操作条件下，因直径的改变而引起除尘效率 变化，可以近似用下面方法进行修正，即将原给定的分级效率曲线的横坐标值，。 乘以比值也害辇篙器以后，按等效原则，进行平移，就鼍得到新的 分级效率曲线。 2 旋风除尘器高度日 通常，较高除尘效率的旋风除尘器，都有较大的长度比例。它不但使进入简 体的尘粒停留时间增长，有利于颗粒分离，且能使尚未到达排气管中的颗粒，有 更多的机会从旋流中分离出来，减少二次夹带。足够长的旋风除尘器，还可以避 免旋转气流对灰斗顶部的磨损。但是过长的旋风除尘器，会占据较大的空间，尤 其对于内置旋风除尘器来说，更受到设备内部空间的限制，因此，提出了旋风除 尘器自然长度f 这一概念，即从排气管下端至旋风除尘器自然旋转顶端的距离： ，= 2 _ 3 2 也f 擘1 。 ( 2 2 1 ) a o 式中：以为排气管直径，m ； 鼠为简体直径，所 口、b 分别为旋风除尘器进口的高度、宽度，m 。 在设计中，旋风除尘器的高度日，应保证有足够的自然长度，但大于自然长 度的过长旋风除尘器显然是不经济的。 3 旋风除尘器进口 ( 1 ) 进口形式 旋风除尘器的进口形式主要有轴向进口和切向进口两种。切向进口又分为螺 旋面进口、渐开线进口、切向进口。切向进口为最普通的一种进口形式，制造简 第二章旋风除尘器机理、流场分析、性能参数及分类 单，用得比较多，这种进口形式的旋风除尘器外形尺寸紧凑。气流通过螺旋面进 口，进入旋风除尘器后，以与水平呈近似1 0 6 的倾斜角度，向下做螺旋运动。采 用这种进i ：l 有利于气流向下做倾斜的螺旋运动，同时也可以避免相邻两螺旋气流 的相互干扰。 渐开线进口可以减少进口气流对简体内气流的撞击和干扰。由于从蜗壳形进 口进入简体的气流宽度逐渐变窄，使颗粒向壁面移动的距离减小，而且加大了进 口气体和排气管的距离，从而有利于颗粒分离。与其它进口形式相比蜗壳形进口 处理气流量大，压力损失小，是比较理想的一种进口形式。 轴向进口是最好的进口型式，它可以最大限度地避免进入气体与旋转气流之 间的干扰，但因气体均匀分布于进口截面，使靠近中心处的颗粒分离效果很差。 轴向进口常用于多管式旋风除尘器，为使进口气体产生旋转，_ 般多在进口处设 置各种形式的叶片。 ( 2 ) 进口的形式与位置 进口截面可以为矩形和圆形两种形式。但由于圆形进口管与旋风除尘器器壁 相切面积要小于矩形进口的相切面积，故一般采用矩形进口。 矩形宽度b 和高度a 的比例要适当，通常长而窄的进口管与器壁有着更大的 接触面。在一定进气量的前提下，宽度b 越小，临界粒径越小，除尘效率越高， 但过长而窄的进口也是不利的。因为进口太长，为了要保持一定的气体旋转圈数 n ，必须加长简体，否则除尘效率仍不能提高。 进口的位置有两种方式：一种与旋风除尘器的顶盖相平，这有利于消除上旋 流；另一种与顶盖有一段距离，这可使细粉尘聚集在顶盖下面的上旋流中，这就 增加了气流短路的机会。 4 排气管 排气管有两种形式如图2 6 、图2 7 。 图2 6 圆柱型排气管图2 7 收缩型排气管 在相同的排气管直径d 。下，下端采用收缩形式，既不影响除尘效率，又可以 江南大学硕士毕业论文 降低阻力损失。所以，在设计分离较细粉尘的旋风除尘器时，可考虑设计成这种 形式的排气管。一定范围内，排气管直径越小，则旋风除尘器的除尘效率越高， 压力损失也越大，反之，除尘器的效率越低，压力损失也越小。 5 灰斗 灰斗是旋风除尘器设计中最容易被忽略的部分。一般都把它仅看作是排除粉 尘的装置。在实际应用中，除尘器锥底处气流非常接近高湍流，而粉尘也正是由 此排出，因此，二次扬尘的机会也就更多。此外，旋流核心为负压，如果设计不 当，造成灰斗漏气，就会使粉尘二次飞扬加剧，严重影响除尘器效率。 2 3 2 操作条件因素。“ 1 进口气速v ， 在一定范围内，进口气速越高，除尘效率越高。这可由式2 3 看出，进口气 速v ，越大，临界粒径d 。越小，分离性能越好。但气速过高，粉尘微粒与器壁的 摩擦加剧，粗颗粒粉碎，使细粉尘含量增加。此外，过高的气速，对县有凝聚性 质的粉尘也会起分散作用，这些对颗粒分离是不利的。 气体通过旋风除尘器的压力损失和气体的进口速度的平方成正比，所以，进 口气速过大虽然除尘效率稍有提高，但压力损失却急剧上升。其次，进曰气速过 大，也会加速旋风除尘器本身的磨损，降低旋风除尘器的使用寿命。 2 气体的密度p 、黏度、压力p 、温度r 气体的密度对除尘效率的影响可以在临界粒径计算公式中得以体现，即气体 密度越大，临界粒径越大，故除尘效率下降。但是，气体的密度和固体密度相比， 特别使在低压下几乎可以忽略，所以，其对分离效率得影响较之固体密度来说， 可以忽略不计。 通常温度越高，旋风除尘器压力损失越小：气体密度增加，压力损失也增加。 黏度的影响在计算压力损失时常忽略不计，但从临界粒径得计算公式中知道，临 界粒径与黏度得平方根成正比，所以分离效率随着气体得黏度得增加而降低。由 于温度升高，气体黏度增加，当进口气速等条件保持不变时，温度升高除尘效率 略有下降。 3 气体含尘浓度 旋风除尘器的除尘效率，随着粉尘浓度的增加而提高。这是因为含尘浓度大 时，粉尘的凝聚性能提高，使较小的尘粒凝聚在一起而被捕集。另外，在含尘浓 度增大时，大颗粒对小颗粒的撞击也使小颗粒有可能被捕集。但值得注意的是， 含尘浓度增加后除尘效率虽有提高，可是排出气流的含尘绝对量也会大大增加。 粉尘浓度对旋风除尘器的压力损失有影响。实践证明旋风除尘器处理含尘气 体的压力损失要比处理清洁空气时小，当进口浓度为l 2 9 m 3 ( 标) 时，压力损 第二章旋风除尘器机理、流场分析、性能参数及分类 失可以降低到近清洁气体的6 0 ；浓度增大到2 5 0 9 脚3 ( 标) 时，压力损失又 迅速下降。 2 3 3 固体粉尘的物理性质因素 1 固体颗粒直径d 对旋风除尘器性能影响 较大粒径的颗粒在旋风除尘器中会产生较大的离心力，有利于分离，所以， 在粉尘筛分组成中，大颗粒所占有的百分数越大，总分离效率越高。 2 颗粒密度见对旋风除尘器性能的影响 粉尘单颗粒密度成对分离效率有着重要影响。临界粒径计算式中d 。或d 。 和颗粒密度p 。的平方根成反比，p 。越大，d 棚或以啪越小，颗粒分离效率越高。 影响旋风除尘器性能的因素，除上述外，分离器内壁粗糙度也会影响旋风除 尘器的性能。浓缩在壁面附近的粉尘颗粒，可因粗糙的表面引起局部涡流，使一 些粉尘微粒被抛入上升的气流，进入排气管，降低了除尘效率。旋风除尘器轴心 处具有很高的负压，所以此处的泄漏程度对除尘效率有着一定的影响。在旋风除 尘器设计时，应考虑排灰口的密封。另外，气体的湿度过大将会引起粉尘黏壁， 甚至堵塞，以致大大的降低旋风除尘器的性能。 2 4 旋风除尘器的分类与典型结构”2 1 目前，工矿企业使用的旋风除尘器可以分为以下几类： 1 按其性能分类：高效旋风除尘器，其简体直径较小，用来分离较细的粉尘， 除尘效率在9 5 以上；高流量旋风除尘器，简体直径较大，由于处理很大的气 体流量，其除尘效率为5 0 8 0 ；通用旋风除尘器，用于处理适当的中等气 体流量，除尘效率为8 0 9 5 。 2 按结构分类：长锥体旋风除尘器、圆筒体旋风除尘器、扩散式旋风除尘器、 旁通式旋风除尘器。 3 按组合、安装分类：立式旋风除尘器、卧式旋风除尘器、单管旋风除尘器、 多管旋风除尘器。 。 4 按气流导入情况分类：切向导入、轴向导入。切流反转式旋风除尘器是旋 风除尘器最常用的形式，除尘效率一般较高。由于受进口风道的限制，处理风量 较小。轴流式旋风除尘器利用导流叶片使气流在旋风除尘器内旋转，除尘效率比 切流旋风除尘器低，但处理流量较大。 此外，人们对旋风除尘器的结构改进，以及内部的气流状态与固体颗粒的运 动规律做过大量的工作，取得了不少进展，研制出许多性能良好的典型旋风除尘 器，如：x l t 型旋风除尘器；x l t a 型旋风除尘器：d 型旋风除尘器：b 型旋风除 江南大学硕士毕业论文 尘器；e 型旋风除尘器；龙卷风除尘器。 2 5 本章小结 本章根据旋风除尘器的基本结构介绍了旋风除尘器的分离机理，并且，对旋 风除尘器内流场速度分布情况作了详细的介绍，同时，指出流场中涡流的负面影 响。旋风除尘器的性能参数主要有：临界粒径、除尘效率和压力损失，本章对这 三个参数的计算公式做了归纳总结。此外，本章总结了影响旋风除尘器性能的因 素有：固体粉尘的物理性质因素、操作条件因素及几何尺寸因素。本章最后简要 地介绍了现有旋风除尘器的分类与典型结构。本章的机理流场分析及性能影响因 素的介绍对本文所提匀流程思想和r c 型旋风除尘器的设计有指导意义。 第三章c f d 原理与s t a i r m a n d 型旋风除尘器流场数值模拟 第三章c f d 原理与s t air m a n d 型旋风除尘器流场数值模拟 3 1c f d 简介“1 计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 是采用数值方 法直接求解描述流体运动基本规律的非线性数学方程组，通过数值模拟方法研究 流体运动规律。c f d 的基本思想可以表述为：把原来在时间域及空间域上连续 物理量的场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替：通过一定的原则 和方式建立起关于这些离散点上场变量之间的关系代数方程组，然后求解代数方 程组获得场变量的近似值。c f d 可以看成是在流动基本方程控制下对流体的数 值模拟。通过这种数值模拟，可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上基本物 理量的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，可以据此算出其他相关物理量， 还可以将c f d 技术与c a d 技术相结合进行结构优化设计等。 3 1 1c f d 理论基础 ( 一) 控制方程“4 ”删 流体流动要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：质量守恒定律、 动量守恒定律。c f d 通过控制方程对这些守恒定律加以数学描述，以便适合数 值模拟计算。 ( 1 ) 质量守恒方程 任何流动问题都必须满足质量守恒定律：单位时间内流体微元体中质量的增 加等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量。 望+ 捌+ 劐+ 型：o( 3 1 ) 魏瓠 劬 a z 式中：p 为流体密度： “、v 、w 为速度u 在z 、y 、z 三轴上的分速度； ( 2 ) 动量守恒方程( 即n s 方程颗粒运动方程) 动量守恒定律也是任何流动系统都必须满足的基本定律：微元体中流体的动 量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和。 磅= 厦专+ 昙 4 2 喜专瞳专铷专心十割毫眙+ 割慨z ， = 历专专 栲专匿寺黜毫心+ 劫+ 昙心期 。， 江南大学硕士毕业论文 d w = 矶_ _ 百0 p 气0 牌鬈专+ 铷毫瞻剖专心剖慨a ， 式中：正、 、z 分别为作用在微元体上彻体力f 在x 、y 、z 三轴上的分力： p 为作用在微元体上的表面力； 动力粘性系数 “、v 、w 为速度u 在x 、y 、z 三轴上的分速度； n s 方程比较准确地描述了实际的流动，黏性流体的流动分析均可归结为对 此方程的研究。由于其形式复杂，实际上只有极少量情况可以求出精确解，故产 生了通过数值求解的研究。该方程也是计算流体力学计算的最基本方程，可以这 么说，所有的流体流动问题，都是围绕n s 方程求解进行的。 ( 二) 常用离散化方法眦蜘 在对指定问题进行c f d 计算之前，首先要将计算区域离散化，即对空间上 连续的计算区域进行划分，把它划分为许多子区域，并确定每个区域的节点生成 网格。然后，将控制方程在网格上离散，即将偏微分格式的控制方程转化为各个 节点上的代数方程组，常用方法有： ( 1 ) 有限差分法 有限差分法是数值解法中最经典的方法。它是将求解区域划分为差分网格， 用有限个网格点代替、推导出含有离散点上有限个未知数的差分方程组。差分方 程组的解就是微分方程定解问题的数值近似解，这是一种直接将微分问题变为代 数问题的近似数值解法。 ( 2 ) 有限元法 有限元法与有限差分法都是广泛应用的流体动力学数值计算方法。有限元法 是将一个连续的求解域任意分成适当形状的许多微小单元，并于各小单元分片构 造插值函数，然后根据极值原理，将问题的控制方程转化为所有单元上的有限元 方程，把总体的极值作为各单元极值之和，即将局部单元总体合成，形成嵌入了 指定边界条件的代数方程组，求解该方程组就得到各节点上待求的函数值。 ( 3 ) 有限体积法 有限体积法又称为控制体积法，基本思路是：将计算区域划分为网格，并使 第三章c f d 原理与s t a i r m a n d 型旋风除尘器流场数值模拟 每个网格点周围有一个互不重复的控制体积；将待解微分方程对每一个控制体积 积分，从而得出一组离散方程。通过加权余量法中的子域法和局部近似的离散法 求解离散方程的解。 ( 三) c f d 中的三维湍流模型 流体试验表明，当月。数小于某一临界值时，流动是平滑的，相邻的流体层彼 此有序地流动，这种流动称层流。当见数大于临界值时，会出现一系列复杂的 变化，最终导致流动特性的本质变化，流动呈无序的混乱状态。这时，即使边界 条件保持不变，流动也是不稳定的，速度等流动特性都随机变化，这种状态称为 湍流。湍流流动是一种高度非线性的复杂流动，但人们已经能够通过某些数值方 法对湍流进行模拟，取得与实际比较吻合的结果。 总体而言，目前的湍流数值模拟方法可以分为直接数值模拟和非直接数值模 拟。所谓直接数值模拟方法是直接求解瞬时湍流控制方程，而非直接数值模拟方 法就是不直接计算湍流的脉动特性，而是设法对湍流作某种程度的近似和简化处 理，主要三维模拟方程有：k s 方程、r e y n o l d s 应力方程模型r s m 、代数应力 方程模型a s m 、大涡模拟l e s “”。 江南大学硕士毕业论文 3 1 2c f d 求解过程 无论是流动问题、传热问题，还是污染物的运移问题；无论是稳态问题，还 是瞬态问题，c f d 的求解过程可用图3 1 所示的流程图表示： 图3 1 求解流程图 3 1 3c f d 特点及应用“” c f d 方法与传统的理论分析方法、试验测量方法组成了研究流体流动问题的 完整体系。理论分析方法的优点在于所得结果具有普遍性，各种影响因素清晰可 见，是指导试验研究和验证新的数值计算方法的理论基础，但是，它往往要求对 计算进行抽象和简化，才有可能得出理论解。对于线性情况，只有少数流动才能 给出解柝结果。试验测量方法所得到的试验结果真实可信，它是理论分析和数值 方法的基础，其重要性不容低估。然而，试验往往受到模型尺寸、流场扰动、人 身安全和测量精度的限制，有时可能很难通过试验方法得到结果。此外，试验还 会遇到经费投入、人力和物力的巨大耗费及周期长等许多困难。而c f d 方法恰好 第三章c f d 原理与s t a i r m a n d 型旋风除尘器流场数值模拟 克服了理论分析和试验方法存在的弱点，选择适当的计算模型和边界条件在计算 机上实现特定数值计算，数值模拟可以形象地表现流动情景，与做试验没有什么 区别，通过计算并将其结果在屏幕上显示，就可以看到流场的各种细节。 c f d 作为一种工程研究和设计手段开始于七十年代，最初只是在核工业和航 空业中获得应用。随着计算机技术的飞跃发展，计算机成本的逐渐下降，性能不 断改进，在八十年代初期，c f d 已被引入汽车制造业和化工领域，但是它仍未能 得到广泛应用。近十多年来，c f d 有了很大的发展，替代了经典流体力学中的一 些近似计算法和图解法，所有涉及流体流动、热交换、分子输运等现象的问题， 几乎都可以通过计算流体力学的方法进行分析和模拟。c f d 不仅作为一个研究工 具，而且还作为设计工具在水利工程、土木工程、环境工程、食品工程、海洋结 构工程、工业制造等领域发挥作用。 3 1 4 常用c f d 软件 为了完成c f d 计算，许多用户是自己编写计算程序，但由于c f d 的复杂性 及计算机软硬件的多样性，使得用户各自的应用程序往往缺乏通用性，而c f d 本身又有鲜明的系统性和规律性，因此，比较适合制成通用的商用软件。自1 9 8 1 年以来，出现了如：p h o e n i c s 、c f x 、s t a r - c d 、f i d i p 、f l u e n t 等多个商 用c f d 软件，这些软件的显著特点是：、 ( 1 ) 功能比较全面、适用性强，几乎可以求解工程界中的各种复杂问题。 ( 2 ) 具有比较易用的前后处理系统和与其它c a d 及c f d 软件的接口能力， 便于用户快速完成造型、网格划分等工作，还可以让用户扩展自己的开发模块。 ( 3 ) 具有比较完备的容错机制和操作界面，稳定性高。 ( 4 ) 可在多种计算机、多种操作系统，包括并行环境下运行。 随着计算机技术的快速发展，这些商用软件在工程界正在发挥着越来越大的 作用。 3 2f l u e n t 简介h 1 矧 f l u e n t 软件是由美国f l u e n t 公司于1 9 8 3 年推出的c f d 软件。目前，f l u e n t 软件是功能最全面、适用性最广、国内使用最广泛的c f d 软件之一。它是由 f l u e n t i n e 利用c 语言开发的一种适用于分析流体流动、热传导的模拟计算软件 c f d 软件。f l u e n t 的软件设计基于“c f d 计算机软件群的概念”，针对每一种 流动的物理问题的特点，采用适合于它的数值解法在计算速度、稳定性和精度等 各方面达到最佳。 f l u e n t 提供了非常灵活的网格特性，让用户可以使用非结构网格，包括三 角形、四边形、四面体、六面体网格来解决具有复杂外形的流动，甚至可以用混 合型非结构网络。f l u e n t 使用g a m b i t 作为前处理软件，它可读入多种c a d 软件 的三位几何模型和多种c a e 软件网格模型。同时，f l u e n t 软件推出多种优化的物理 江南大学硕士毕业论文 模型，针对每一种物理问题的流动特点，有适合它的数值解法。在f l u e n t 中，计 算过程和结果分析可以通过交互式的用户界面来完成。 f l u e n t 求解的主要问题包括：可压缩与不可压缩流动问题；稳态和瞬态流 动问题；无黏流、层流及湍流问题；牛顿流体及非牛顿流体：对流热交换问题； 导热与对流换热耦合问题：辐射换热；惯性坐标系和非惯性坐标系下的流动问题； 两相流问题：复杂表面形状下额自由面流动问题。 3 3s t air m a n d 型旋风除尘器的流场模拟 3 3 1s t air m a u d 型旋风除尘器结构尺寸的确定 s t a i r m a n d 型旋风除尘器是一种典型的高效旋风除尘器。这种旋风器通常可以 用简体直径刀为比值的结构参数( 无因次结构参数) 来设计。由于s t a i r m a n d 型( 高 效型) 研究数据比较完整和应用中的有效性，许多研究者把自己改进后的旋风器 与其作性能对比。 本研究主要通过对比模拟和试验来说明改进方案的正确性。这就需要选择一 个公认的参考对象作为参照物，在众多典型旋风器结构中以s t a i r m a n d 型高效旋 风除尘器最为关注，中外研究者通常都以此为参考对象，将新型除尘器的性能参 数与此旋风除尘器的性能参数做对比分析比较，同时，s t a i r m a n d 型旋风除尘器 存在的问题代表了一般旋风除尘器普遍存在的问题。因此本文选择s t a i n n a n d 型 高效旋风除尘器为比较对象，通过模拟s t a i r m a n d 型旋风除尘器的内部流场分析 实际存在的问题，为改进方案的提出做好准备。 典型旋风除尘器各部分的结构尺寸都存在一定的比例关系，s t a i r m a n d 型高效 旋风除尘器各部分的比例关系如下表： 表3 1 圆筒直径d 0d 0 排气管直径吃0 5 d o 圆锥高度( 日- h ) 2 5 d o 进口宽度b 0 2 d o 排气管插入深度玩o 5 d o排灰口直径d 2o 3 7 5 0 0 进口高度口 0 5 d o 圆筒高度h j 1 5 d o 半锥角口 1 4 0 由表中可以看出，筒体的直径是一关键的尺寸，其它尺寸都与直径有关，显 然，确定合理的直径是非常重要的。本试验模型直径的选择主要鉴于以下几点： ( 1 ) 已有试验数据的利用性。可以充分利用前人试验数据与本文试验模拟 数据做纵向的比较，通过比较可以从多方面来说明本改进方案的可行性。因此， 直径应尽可能选择与前人相同的直径值。 ( 2 ) 加工制造的可能性。本文不仅提出了新型改进方案，而且设计制造出 第三章c f d 原理与s t a i r m a n d 型旋风除尘器流场数值模拟 改进型旋风除尘器，因此，改进型旋风除尘器的加工制造问题是一不可忽略的重 要问题。旋风除尘器是对气密性要求比较高的设备。如果设备存在气密性方面的 问题，这就给试验带来不可避免的负面影响，不能正确测定气流的速度、压力损 失，如果存在严重的气密性问题，微小的粉尘颗粒可以直接排离旋风除尘器，这 就大大降低了除尘效率，同时，也不能准确的测定除尘效率和最小切割粒径。基 于以上原因，这就要求加工制造必须达到良好的气密性，而解决这一问题的最好 办法就是选取标准的无缝管材。这样不仅解决了气密性问题同时也解决了简体的 圆柱度问题，提高3 n ：e 精度也减少加工的难度。如果采用板材卷制加工不能保证 旋风除尘器上筒体和排气管的圆柱度，同时，也增加了加工的工时。 ( 3 ) 制造费用。若是加工过程中采用标准的管材可以有效地降低材料和加。 工费用。 综合考虑以上各点实际存在的因素，确定简体的最佳直径为d n = 2 0 0 m m ， 根据表3 1 列出的比例关系可以确定其它尺寸如下( 单位m m ) ： 表3 2 圆筒直径d 0 2 0 0排气管直径d 。1 0 0 圆锥高度( 日一 ) 5 0 0 进口宽度b4 0 排气管插入深度吃