低阻文丘里振弦栅除尘系统内流场模拟研究

周紫怡,陈祖云,刘立新,钟芳权,郭裕民,张际敏,骆炳林,赖昭琦

1.江西理工大学应急管理与安全工程学院,江西赣州 341000;2.赣州有色冶金研究所有限公司,江西赣州 341000;3.江西耀升钨业股份有限公司,江西崇义 341300

近年来,国家越来越重视环保工作,尤其是对粉尘排放规范要求越发严格。单一的除尘技术已不能满足行业生产的环保要求。随着除尘技术的发展,新型组合的除尘技术孕育而生,低阻文丘里振弦栅除尘技术也因此受到追捧[1-3]。与此同时,计算机技术渗透到各行各业,将计算机模拟技术与除尘技术相结合能对烟气中细微粉尘的有效净化进行深入研究。

20 世纪90 年代,Fluent 软件就被应用于除尘系统的模拟。张汉君[4]在对静电除尘器中的二维流场进行模拟分析时,使用了幂函数差分法,并对Deutsch 公式的校正进行了讨论。沈恒根等[5]在研究多管式旋风分离器时,通过数值模拟方法研究了粉尘颗粒物在除尘系统内的运动对除尘器分级效率的影响。张彦婷等[6]通过案例展现了仿真模拟在除尘领域未来发展的作用,并汇总了其在除尘领域的研究现状。张建卓等[7]运用Fluent 软件对风幕集尘除尘系统进行模拟研究,得出了风幕集尘除尘系统具有很可观的除尘效果。黄浩凯[8]运用格子Boltzmann-元胞自动机概率(LB-CA)模型,模拟研究了矩形、三叶形、三角形和四叶形4 种典型的异形纤维的流场分布情况和粉尘收集效率,得出异形纤维的系统损耗是由系统内部各纤维丝在接触时产生摩擦的面积和迎风面积两者共同决定的,而集尘效率则是由系统内各纤维丝的长短轴比决定的。仿真模拟软件在研究除尘器的清灰这一领域也颇有建树。为解决双层滤料颗粒床在清除大颗粒时清灰难度大这一问题,徐青涛等[9]发现只要将导流板进行等速排列即可。郗元等[10]通过运用仿真模拟技术发现,锥形散射器、锥形、开孔散射器可使除尘器的清灰效率得到改善,且锥形散射器清灰效果更好。

然而,目前除尘领域的仿真模拟研究几乎只运用在单一的除尘技术上。相较于单一的除尘模式,复合型除尘技术的除尘效果会大幅提升,但如何进一步提高复合型除尘技术的除尘效率还亟待解决。新型除尘技术需要通过理论分析、实验研究来评估系统的性能,但此过程存在一些缺陷,部分影响因素实验起来费时费力、消耗资金,而通过计算机模拟除尘系统结构的设计、除尘技术的组合运用方式以及除尘系统中环境因素的影响,可预知新型除尘技术的除尘效果。因此,探究计算机模拟技术在复合型除尘技术上的应用势在必行。本文是在前辈对低阻文丘里振弦栅除尘技术研究的基础上,运用仿真模拟软件研究粉尘与液滴颗粒对除尘系统流场与性能的影响,分析除尘器内粉尘颗粒的运动轨迹以及除尘器压力损失及除尘效率分布规律。研究成果可为低阻文丘里振弦栅除尘系统的工业应用提供一定的技术依据。

1 数值模型的建立

本文将数值模型分为除尘系统模型和振弦纤维栅模型。在建立除尘系统模型时,选用湍流模型对气态流体进行模拟,选用离散相模型对液态和固态流体进行模拟。振弦纤维栅的数值模型选用多孔跳跃模型来建立。

1.1 湍流模型

采用Fluent 软件提供的标准k-e模型。该模型是由Launder 和Spalding 提出的,具有稳定性强、经济性高和计算精度高等特点,已被广泛应用于工程领域[11]。标准k-e模型方程如下:

式中,ρ为流体密度;k为运输变量湍流动能;xi和xj为流向分量;μ为分子黏性;σk和σε为湍流动能及其扩散率ε的湍流普朗特数,一般取1.0,1.3[12];μt为湍流系数;S为平均应变率张量的模量;Cμ、C1ε、C2ε为模型常数,一般取值0.09,1.44,1.92;Pk为由层流梯度产生的湍流动能;ui,uj为不同流向向上的湍流速度。

1.2 离散相模型

本文所述的液相和颗粒相属于多相流的类别,考虑模拟过程粉尘的体积分数小,因此使用Fluent软件中的离散相模型(DPM)。离散相模型遵循Euler-Lagrange 方法,是一种多相流模型[13]。模型中的固态或液态因子都被视为离散相,离散相与流体相之间在一定的条件下可进行动量、质量和能量的相互转换[14]。离散相模型颗粒的轨迹方程如下:

式中,mp为颗粒质量;为流体相速度;up为颗粒速度;ρ为流体密度;ρp为颗粒密度;F为其他外力;为阻力;τt为液滴或粒子松弛时间;dp为颗粒粒径;Re为雷诺数。

在气固两相流模型以及气液固三相流模型中,空气作为连续相。在对连续相进行计算时,是以空间点作为对象进行计算的,因此对模型内空气的处理主要是以某个空间点上的压强或密度等变量的分布作为计算结果。而液滴以及粉尘颗粒作为离散相,在进行计算时是以单个颗粒作为对象的,因此对模型内液滴以及粉尘颗粒的处理,主要是以某个液滴或粉尘颗粒的受力、速度和运动轨迹作为计算结果。

1.3 多孔跳跃模型

因在物理模型中振弦纤维栅是使用纤维丝缠绕而成,纤维丝数量巨大,网格划分十分困难,因此在模拟过程中用多孔跳跃模型来代替振弦纤维栅。多孔跳跃模型是多孔介质模型的一维简化模型,适用于已知速度(压降)特性的薄膜的模拟。由于多孔跳跃模型具有更强的稳定性和收敛性,因此常用于过滤器的压降和不考虑传热时散热器的模拟[15]。多孔跳跃模型最主要的参数是渗透率和压力跳跃系数。本文所讨论的多孔跳跃模型的渗透率和压力跳跃系数,是通过实验所获得的阻力损失和速度推导得出的[16]。首先通过选择不同速度下所对应的不同压力损失,然后再通过实验数据拟合出二阶多项式:

多孔跳跃模型的压力损失由达西定律和附加惯性损失项组成:

由此得到压力跳跃系数和渗透率:

式中,α为介质的渗透率;v为垂直于多孔跳跃界面的速度;Δn为多孔跳跃介质的厚度;a,b为系数。

选取实验中压力与速度数据见表1。

表1 压力与速度变化数据Table 1 Pressure and velocity changes

阻力损失与速度之间的关系通过Origin 软件进行拟合,得到的拟合公式为:▽p=0.9188v2+0.641v,则a=0.9188,b=0.641。

模拟时纤维栅厚度为1 cm,则C2=152.5,1/α=3 561 342,α=2.87×10-7。

2 网格模型与计算设置

2.1 网格模型

以实验室现有的除尘器为模型,运用CAD 软件建立低阻文丘里振弦纤维栅除尘系统的物理模型,如图1 所示。在除尘系统开始运作时,系统内的文丘里喉管位置会有喷雾喷出,粉尘在低风速的作用下迅速凝结成大颗粒被振弦纤维栅捕获,最后经过水膜除尘系统,在旋转离心力的加持下完成除尘工作。

图1 低阻文丘里振弦纤维栅除尘系统物理模型Fig.1 Physical model of low resistance Venturi vibrating wire grid dust removal system

除尘器建模成功后,以一块纤维栅为例,在除尘器长方体区域另建一个面,用以代替纤维栅。模型中的纤维栅用CAD 软件在除尘器长方体区域建一个新的面代替纤维栅,之后将物理模型导入ICEM-CFD 软件中,使用非结构四面体网格对除尘箱体进行划分,以降低计算准确度、收敛难易程度及计算机性能等因素的影响[17],网格划分如图2 所示。为方便在Fluent 软件中放置多孔跳跃边界的模型,在进行网格划分时,内部面规定为纤维栅面,将网格总数量设为861 552 个,节点数设为146 726 个, 网格质量最小设为0.40, 最大设为0.99。

图2 除尘器网格划分Fig.2 Grid division of dust collector

2.2 计算设置

2.2.1 边界条件设置

选用Fluent 软件中常用的边界类型,将入口界面设置为速度入口边界,入口风速均取2.03 m/s,水利直径为35 cm;为便于后续计算,将压力出口设置为出口界面,出口压力设置为0,但实际应为负压。用多孔跳跃模型替代纤维栅,多孔跳跃边界的渗透率设为2.87×10-7,压力跳跃系数设为152,厚度设为1 cm。用Fluent 软件中的DPM 模型作为颗粒的边界条件,再选择入射器类型,调整好位置坐标,并将模型的进出口界面设置为逃逸边界,长方体管道前壁面均设置为反弹边界,长方体管体壁面设置为捕获边界。

2.2.2 颗粒相设置

颗粒相分为粉尘颗粒相和液滴颗粒相。模拟时应分别设置两种颗粒相。

(1) 粉尘颗粒相设置:为方便后续使用Fluent软件模拟,本文将整个除尘系统的所有粉尘颗粒都规定从入口截面入射,将粉尘颗粒的入射方向定为Z轴的负方向,入射后认定粉尘颗粒将在入口截面上均匀分布,且将粉尘颗粒的入射速度定为空气速度,粉尘密度设置为2 705 kg/m3,粉尘粒径为10 μm。

(2) 液滴颗粒相设置:在进行液滴相模拟时,喷嘴类型选取压力旋流雾化喷嘴,喷嘴流量设为7.16 g/s,喷嘴内径为0.1 cm,雾化角为70°。通过观察数据将上游压力设置为0.6 MPa,喷嘴坐标为(82.89,239.49,-67),喷嘴喷雾方向即为沿着Z轴的负方向。

3 模拟结果分析

使用Fluent 模拟软件构造气态单相流模型、气固双相流模型以及气液固三相流模型,研究3 种不同模型下除尘系统的作用情况[18]。在3 种模型中分别创建平行于X轴和Z轴的自由面,选取Y=239.486 3 这一坐标面,再对该自由面和整个除尘系统的压力分布、流场分布以及颗粒运动情况进行对比分析。

3.1 压力分布分析

3.1.1 静压云图分析

静压模拟结果如图3 所示,在3 种不同的模拟条件下,除尘器内部静压分布呈现出明显的轴对称性,且大小都具有规律性。除尘器入口处的静压最大,在流体到达喉管位置之前,因为受到系统阻力的影响,沿着流体方向系统静压值逐步降低,并在喉管位置静压达到最小值。在经过喉管之后,除尘系统的静压值开始逐渐升高,这是因为经过喉管后,系统内管道的直径慢慢变大,系统的静压值随之增大,且分布较为均匀。但在纤维栅前面的弧形区域,系统的静压值会比相同直径管道内的静压值大;而在其后的弧形区域,系统的静压值会比相同直径管道内的静压值小,由此可认为,纤维栅的存在会给整个除尘系统的静压分布带来一定变化。

图3 Y=239.486 3 截面静压分布云图Fig.3 Cloud map of static pressure distribution in Y=239.486 3 section

对比三种不同模拟条件下的模拟云图(图3)可知,在气态单相流和气固双相流这两种模拟条件下,除尘系统的静压分布结果基本相同且系统静压的最大值也是相同的,因此得出粉尘颗粒对除尘系统的静压分布的影响可以忽略不计。而与气固液三相流模拟结果对比后发现,在加入液滴后,在喉管后面区域的系统静压值较前两种会稍微呈现下降的趋势,并且除尘系统的静压最大值也比前两种模拟条件下的大一些,即增加了系统的静压差,说明液滴的存在会增加除尘系统的静压损失。

3.1.2 动压云图分析

动压模拟结果如图4 所示。在气态单向流、气固两相流及气液固三相流3 种不同的模拟条件下,除尘系统内部动压的分布情况基本相同。3 种不同模拟条件下的除尘系统动压值都受管径的影响,随着管径大小的变化而变化。根据风量、风速以及管道截面面积三者之间的关系,除尘系统内的风量是保持恒定的,管径越小,风速越大。当气流从除尘系统入口进入时,管道的直径是逐渐减小的,除尘系统的动压随着管道内风速的增加而增加,当气流到达喉管的位置,喉管位置的管道直径最小,因此风速最大,即此时系统的动压达到最大。而当气流离开喉管,此时系统管径开始逐渐变大,直到气流到达除尘系统出口处,在这段区域内风速随管径的增大而减小,即除尘系统内部的动压也随之逐渐减小。

图4 Y=239.486 3 截面动压分布云图Fig.4 Dynamic pressure distribution cloud map of section Y=239.486 3

在3 种不同的模拟条件下,除尘器内部的压力场呈现较为均匀的分布,但观察发现,在除尘系统纤维栅后面有一个类似陀形的区域,在该区域内的系统动压明显分布不均匀;再对比与其管道直径相同的位置,该陀形区域的动压要略大些,主要原因是纤维栅的声凝聚作用,即纤维丝在气流的作用下发生振动,产生的能量会影响周围流场的分布,造成纤维栅后面的陀形区域风速增大。由图4 可知,三相流模拟结果的陀形区域要比单相流、两相流模拟的小,主要是加入的水雾在风速的作用下与纤维丝接触,纤维丝振动形成水膜,消耗能量,减轻了纤维栅对风速的影响。

3.1.3 系统阻力损失分析

除尘系统的阻力损失随着模拟条件的不同而发生变化。使用Fluent 软件中的Report 功能,对不同条件下的除尘系统阻力损失、文丘里管阻力损失以及纤维栅阻力损失进行模拟计算。压力分布结果见表2。

表2 各位置静压、动压和总压值Table 2 Static pressure,dynamic pressure,and total pressure values at each positionPa

分析表2 静压值发现,在气固液三相流模拟时,除尘系统及文丘里管的静压损耗都大于其他两种条件下模拟的,据此可知,加入液滴会使得除尘系统与文丘里管内的静压损耗变大。

分析表2 动压值发现,3 种不同模拟条件下除尘系统的动压变化规律基本相同,这说明粉尘颗粒对系统流场基本没有影响;三相流模拟结果的文丘里动压差值比其他两种情况小,其原因是液滴的加入会消耗一部分能量;但三相流模拟结果的除尘系统入口与出口的动压差值比其他两种情况大,其原因是气液固三相在文丘里喉管发生剧烈雾化,细水流变成水雾或类似水蒸气与空气混合物,使空气的密度增加、动能也增加。

分析表2 总压值发现,在气态单相流和气固两相流两种模拟条件下,除尘系统各区域阻力损失相同,但在气固液三相流模拟条件下,除尘系统的阻力以及文丘里管的阻力相比其他两种情况是增大的。

结合动压值和总压值进行分析可得出结论:除尘系统静压是三相流模拟条件下阻力增加的主要来源。

3.2 流场分布分析

3.2.1 湍动能云图分析

图5 是Y=239.486 3 截面的3 幅湍动能云图。由图5 发现,在3 种不同的模拟条件下,除尘系统各个截面上的湍动能变化规律基本相同。在流体进入除尘器时,从入口位置到喉管位置,湍动能随着流体流动方向不断增大,在喉管位置湍动能达到最大值,喉管至除尘器出口这段区域,湍动能减小。系统的湍动能分布正常,只在喉管、文丘里扩散管和长方体除尘器管体交接部位的湍动能较大,这是由于这三个位置的气流杂乱复杂,导致除尘系统能量损失。

对比图5 中3 幅云图发现,三相流在文丘里扩散管与长方体除尘器管体交接部位的系统湍动能值,比另外两种模拟条件下的系统湍动能值略小。在加入喷雾后,液滴会消耗部分能量,使除尘系统受到凌乱气流的干扰变小。

3.2.2 流场分布分析

图6 是入口方式2.03 m/s 除尘器的流场分布图。由图6 发现,3 种模拟条件下除尘系统的流场分布情况基本相同。整体上看,3 种模拟情况下除尘系统流场中流线分布比较均匀、流畅,只有在文丘里扩散管与长方体除尘器管体相接的4 个位置出现了涡流现象,说明这4 个位置的流场稳定性较差。此外,3 种模拟条件下的运动时间基本一致,但产生涡流的4 个位置的气流运动时间都比较长。由此可知,加入的粉尘颗粒物以及液滴对气流的作用不大,对流场分布规律的影响也不大。因此,对除尘器流场分布有影响的主要因素还是除尘器自身的结构。

图6 入口方式2.03 m/s 除尘器流场分布Fig.6 Streamline distribution of 2.03 m/s dust collector in inlet mode

3.3 颗粒运动分析

3.3.1 气固两相流颗粒运动分析

图7 为在气固两相流的模拟条件下除尘器内粉尘颗粒的运动轨迹。由图7 可知,在气固两相流模拟条件下,颗粒物从除尘器入口进入管道,在到达文丘里管之前,颗粒物的运动主要是随气流的变化而变化;进入文丘里管之后,颗粒物的运动出现明显的抖动,运动轨迹发生了改变,且在喉管处出现明显的偏移。但在进入除尘器后方的长方体箱体的位置,粉尘颗粒物的运动轨迹开始变得凌乱且上下剧烈波动;在除尘器的文丘里管与长方体筒体相接处以及纤维栅之间的区域,粉尘颗粒运动最为凌乱无序的。

图7 气固两相流颗粒运动轨迹Fig.7 Particle trajectory of gas-solid two-phase flow

结合前文的分析及图8 可以发现,粉尘颗粒从入口进入除尘器到流经文丘里管之前,粉尘颗粒的运动比较稳定,这是因为在该区域内除尘系统的管径变化不大,风速保持稳定,粉尘颗粒间的相互作用较弱;颗粒物随气流到达文丘里管之后,管径发生变化(先变小后变大),引起除尘系统内风速的变化,粉尘颗粒物间的相互作用增大,粉尘颗粒的运动轨迹发生偏移,但由于文丘里管的截面是圆形,粉尘颗粒的径向速度和切向速度变化不大,因此在文丘里管内粉尘颗粒物的运动变化不明显;之后粉尘随着气流流经到长方体筒体,此时粉尘颗粒作用的截面从圆形变成了矩形,出现了涡流,颗粒物的径向速度和切向速度发生强烈变化,直接导致粉尘颗粒物的运动轨迹变得无序,流体稳定性也急剧下降。

图8 除尘器轴线方向不同位置粉尘速度分布Fig.8 Velocity distribution at different positions along the axis of the dust collector

3.3.2 气固液三相流颗粒运动分析

图9 为气固液三相流除尘系统内粉尘颗粒运动轨迹。对比图9 和图7 可知,气固液三相流模拟和气固两相模拟除尘系统内颗粒运动规律相似。气固液三相流模拟时颗粒运动轨迹同样是在文丘里喉管之后至纤维栅区域波动明显,其他位置分布较为分布均匀且稳定。通过对比分析可知,气液固三相流模拟在喉管区域和文丘里管与长方体管体交接位置,粉尘颗粒物运动轨迹的波动要比气固双相流模拟时较大。纤维栅后部区域由于与大气相连,粉尘颗粒的运动轨迹变化又趋于稳定。

图9 气固液三相流颗粒运动轨迹Fig.9 Particle trajectory of gas-solid-liquid three-phase flow

图10 为除尘系统轴线方向不同位置径向速度和切向分布。观察图10 发现,粉尘颗粒的径向速度和切向速度在喉管位置和文丘里管与长方体管体交接处至纤维栅位置都明显凌乱。主要原因是喉管处的气流速度大,导致粉尘与雾滴颗粒之间会产生碰撞,促使各个方向上的脉动能量发生变化,粉尘颗粒的径向、切向速度变化被加剧,导致粉尘颗粒的运动轨迹逐渐凌乱;同时,将图10 和图8 对比发现,气液固三相流模拟时粉尘颗粒物的运动会比气固两相流模拟时更加凌乱[19]。这是因为在三相流模拟时,纤维栅周围存在涡流,导致粉尘颗粒物与液滴之间的相互作用加强,造成各个方向上速度发生的变化要比气固两相流模拟时更剧烈。

图10 除尘器轴线方向不同位置速度分布Fig.10 Velocity distribution at different positions along the axis of the dust collector

在加入液滴后的除尘系统,粉尘与雾滴碰撞作用加强,在凝并作用下更容易形成含尘水雾而被纤维栅上的水膜捕获,提高了除尘效率,但水雾的存在也在一定程度上增加系统阻力损失。

4 结 论

本文的物理模型是基于实验室低阻文丘里振弦栅除尘系统实物建立的,再用Fluent 软件进行模拟,设置了3 种不同的模拟条件(气态单相流、气固双相流、气液固三相流),对比研究了3 种模拟结果,得到以下结论:

(1) 在3 种不同的模拟条件下,除尘系统的静压和动压分布结果基本相同,且粉尘颗粒的存在对除尘系统的静压、动压分布情况并无影响;而液滴的加入会使系统的静压损耗有所增大,但液滴的加入对系统动压分布结果无太大影响,且在加入液滴后可减缓纤维栅对系统风速的影响。在气液固三相流模拟时,除尘系统增加的阻力主要来自静压。

(2) 除尘系统的湍动能以及流线分布结果在三种不同的模拟条件下基本相同,都在喉管位置、文丘里扩散管区域以及长方体除尘器管体交接处发生湍动能异常大的现象。且在气液固三相流模拟时发现,液滴的加入会降低除尘系统内杂乱气流所造成的能量损耗。

(3) 气固两相流和气固液三相流的颗粒运动轨迹分布相似,均是在除尘器文丘里段与纤维栅之间区域出现颗粒运动轨迹凌乱的现象。且在气液固三相流模拟时发现,液滴的加入会一定程度上增强系统的除尘效率,同时影响除尘系统的流场分布,并会导致除尘系统的阻力损耗有所增大。