内置滤袋旋风器的设计及数值模拟.pdf

信息技术李亚龙等内置滤袋旋风器的设计及数值模拟第一作者简介:李亚龙()男甘肃渭源人硕士研究生研究方向为工业机器人.:./.内置滤袋旋风器的设计及数值模拟李亚龙段红燕陈鹏飞田宏伟(兰州理工大学 机电工程学院甘肃 兰州)摘 要:为改善普通旋风器的分离效率提出一种内置滤袋旋风器 通过对该模型不同滤袋尺寸下内部气固两相流场的模拟观察其不同截面处的速度和压力云图得出:当滤袋直径与旋风器排气口直径相同且开始逐渐增大设备的性能趋好直到滤袋侧面与旋风器进气口内侧壁在俯视图投影中即将相切时旋风器性能最为稳定滤袋长度到达旋风器锥体时设备表现更稳定关键词:旋风分离器滤袋数值模拟中图分类号:.文献标志码:文章编号:()():.:引言旋风分离器作为一种用于石油、环保等行业起净化分离作用的设备是利用旋转流产生离心力将流体中不同密度的杂质从流体中分离出来的除尘装置具有结构简单、耐高温、耐高压、性能稳定、分离效率高的优点 旋风器在处理 以上的含尘气体时效果十分明显然而空气质量指标在 以下粒径的粉尘却很难通过普通旋风器分离出来 在大型矿井开挖、隧道掘进等工作现场粉尘粒径低于 的粉尘占总粉尘比例 左右因此设计分离范围更广的新型结构旋风除尘器是十分必要的为实现粉尘粒径在 以下微米级含尘气体的净化 研发了耦合静电作用的连续逆流式移动床过滤器用于加压流化床燃烧过程中高温高压气体净化 等通过在进气口设置陶瓷过滤器待净化气体通过陶瓷过滤器进行部分分离后再经过旋风分离器分离 中国石油大学高思鸿等提出了一种新型旋流场颗粒床耦合分离设备 将旋风分离器离心分离和移动床过滤分离有机结合实现一个设备两级净化过程提高了旋风器的分离能力为气体净化技术提供了一种新的思路根据前人研究经验为处理 以下含尘气体并提高旋风器的分离能力本文设计一款适用于处理粉尘粒径为 左右的内设滤袋的新型结构旋风分离器 物理模型的建立以隧道爆破、矿山掘进施工工况所产尘浓度和数量为例 本文设计的内设滤袋旋风器结构如图 所示 该装置分为 部分:进气口、圆柱体、圆锥体、滤袋、排气口、排尘口 含尘气体从旋风器入口切向进入后从入口的直线运动变为旋转运动 在重力和离心力的作用下粉尘在不断地旋转过程中粒径在 以上的得到分离并从排尘口排除在传统旋风器中 以下的粉尘大多数会被空气带出排气口很难得到分离 新型内设滤袋式旋风器中 以下的粉尘经过滤袋出排尘口的过程中会被滤袋再次分离 为了使滤袋更好地服务于旋风器在滤袋长度 为 恒定情况下直径 为变量形成 模型在滤袋直径 为 恒定情况下设长度 为变量形成模型(表)在不同变量下对各旋风器的性能进行比较建立物理模型 和(其中)见图 表 几何模型参数单位:参数模型模型信息技术李亚龙等内置滤袋旋风器的设计及数值模拟15020030253550621AAAA?1图 内置滤网旋风器的结构尺寸(a)$=JNNU,Fi+Bi#$(b)$=,NNUJF+Ci图 内置滤袋尺寸不同的各旋风器物理模型 数值模拟.数学模型采用流体分析软件对内置滤袋旋风器结构型旋风除尘器内流场进行数值模拟分析 三维涡黏性流动不可压缩流体的 方程为()()式中:为流体密度 为速度矢量 为压力 为动力黏度 为体积力数学符号为哈密顿算子 压力速度耦合采用 算法压力梯度采用!()方法各项流采用 差分格式湍流模型采用能反映强旋流动各向异性的雷诺应力湍流模型().网格划分及无关性验证用 对内置滤袋旋风器 型和 型进行结构网格的划分 经过节点数和网格数量调整后使网格质量大于.以旋风器压降作为参考值进行网格无关性验证当网格数达到.万时网格数量的增加对压降无明显影响 网格数对模拟结果的影响可以忽略不计.边界条件及计算条件内置滤袋旋风器 和 的入口设为速度入口()入口速度为/水里直径为.排气口设置为压力出口()水里直径为.排尘口设置为捕获()滤袋壁面设置为多孔跳跃边界()其筒体面渗透率设置为 厚度设置为 筒体底面渗透率为 压力阶系数为 两相流中气体相设置为空气 固体相设置为无烟煤粉()密度为/采用罗辛拉姆勒分布函数对粉尘粒径分布进行描述粉尘最小粒径为 最大粒径设为 平均粒径为 含尘气体的进入方式设置为沿入口面切向喷射进入 数值模拟结果与分析内置滤袋旋风器流场的特性通过对比旋风器内 截面上 、这 个位置的速度来分析各模型的内部流场关系 另外通过压力分布云图来整体确定分离器的性能.滤袋直径对旋风器速度流场的影响 由图 型分离器不同截面处的速度分布曲线图可知各模型内气体速度在靠近旋风器轴心处为最低由轴心向外速度不断增大在距离壁面 左右速度达到最大然后随着半径的增大逐渐减小整体曲线图成“”型分布从图()图()可以看出内置滤袋旋风器、模型内部流线基本相似但、模型整体速度较、更高从图()来看 模型相对 模型来说速度流线整体更佳图()两流线基本重合很难区分速度高低然而从图()来看 模型又比 模型整体速度更高 所以在截面 、很难区分 和 模型哪一个速度更优从图()可知在 截面处模型 较模型速度更高但是模型 较模型 对称稳定性更好其原因为在有滤袋的截面上滤袋对内部流场速度的影响很明显在有滤袋的范围内 种模型速度升降变化尺度大相较其他 个模型 最为稳定.滤袋长度对旋风器速度流场的影响由图 型旋风器不同截面处的速度分布曲线图可知速度曲线走向和 大体相似都是在轴心位置速度达到最低由轴心向外逐渐增大在靠近旋风器壁面时又逐渐减小由图()可知在截面 处 个 模型的信息技术李亚龙等内置滤袋旋风器的设计及数值模拟速度流线图基本重合没有太大差异 由图()可知在截面 处模型较其他两个模型速度曲线差异性很大这是由于模型 的滤袋已处于该截面处 由图()图()可知在截面 、处模型较、速度更高另外在 和 处 模型比其他两个模型速度变化更为平稳-0.06-0.04-0.0200.020.040.060102030/m-0.06-0.04-0.0200.020.040.06051015202530/m -0.06-0.04-0.0200.020.040.06051015202530/m-0.04-0.0200.020.040102030/mF(m/s)F(m/s)F(m/s)F(m/s)B1B2B3B4B1B2B3B4B1B2B3B4B1B2B3B4(a)z=115 mm (b)z=170 mm(c)z=215 mm (d)z=240 mm图 型旋风器在不同截面上的速度对比-0.06-0.04-0.0200.020.040.0605101520253035-0.06-0.04-0.0200.020.040.06051015202530/m/m/m/m-0.06-0.04-0.0200.020.040.06051015202530-0.04-0.0200.020.04051015202530F(m/s)F(m/s)F(m/s)F(m/s)C1C2C3C1C2C3C1C2C3C1C2C3(a)z=115 mm (b)z=170 mm(c)z=215 mm (d)z=240 mm图 型旋风器在不同截面上的速度对比信息技术李亚龙等内置滤袋旋风器的设计及数值模拟.滤袋直径对旋风器静压分布的影响 从图 可知模型、在 截面上的静压分布大体相似都是由旋风器轴心向内壁逐渐增大到达旋风器壁面时静压达到最大 由于内置滤袋的直径不同所以各模型压降有明显的不同主要表现在压降的大小方面 在压降升降方面 和 表现比其他两个模型更为优越 相较 和 的压差比 小但是 模型产生的负压更小表现更为稳定(a)B1L(b)B2L(c)B3L(d)B4LPressureContour 11 290895581266-48-363-677-991-1 306-1 620-1 934PaPressureContour 11 101811522232-57-347-636-926-1 215-1 505-1 794PaPressureContour 11 129822514207-100-408-715-1 022-1 330-1 637-1 944PaPressureContour 1 1 045756467177-112-401-691-980-1 269-1 559-1 848Pa图 模型在 截面上的静压云图.滤袋长对旋风器静压分布的影响 由图 可知模型、在 截面上的静压分布规律基本相似在旋风器轴心附近 所受的压力比、明显小 这是因为在模型 下滤袋长度和面积更大滤袋两侧的压差会变小 个模型在整体内部压差上没有太大的差别小范围来说 和 较 静压差更小性能更好一点C1LC2LC3LPressureContour11 101811522232-57-347-636-926-1 215-1 505-1 794PaPressureContour11 22193164035059-231-522-812-1 103-1 393-1 684PaPressureContour11 21992563133844-250-544-838-1 132-1 426-1 720PaPressureContour11 101811522232-57-347-636-926-1 215-1 505-1 794PaPressureContour11 22193164035059-231-522-812-1 103-1 393-1 684PaPresPressureContContour11 21992563133844-250-544-838-1 132-1 426-1 720Pa图 模型在 截面上的静压云图 结语)在普通旋风器中设置一定大小的滤袋在数值模拟过程中是收敛的 所以内置滤袋旋风器工作过程中是可以实现旋风除尘和过滤除尘两种工作机理)在滤袋直径与旋风器排气口直径相同并逐渐增大的过程中性能越来越好直到内置滤袋旋风器滤袋侧面与旋风器排气口内侧壁投影线在 平面投影中相切时滤袋所达到的直径为滤袋最佳直径 结合滤袋的速度流线图和静压云图可知当滤袋超过旋风器圆柱体/左右的锥体距离时内置滤袋旋风器各方面性能更好)内置滤袋旋风器可以实现对粉尘粒径为 左右含尘气体的分离净化且分离效率高参考文献:.():.:.:.陈建义.切流返转式旋风分离器分离理论和优化设计方法的研究.北京:中国石油大学.:.(/):.高思鸿刘堉学范怡平等.新型旋流场颗粒床耦合分离设备静压分布.化工学报():.聂荣琦谭志洪熊桂龙等.双层结构滤袋除尘器的效能分析与结构优化.南昌大学学报(工科版)():.收稿日期: