低阻文丘里振弦柵除塵系統內流場模擬研究

周紫怡,陳祖云,劉立新,鐘芳權,郭裕民,張際敏,駱炳林,賴昭琦

1.江西理工大學應急管理與安全工程學院,江西贛州 341000;2.贛州有色冶金研究所有限公司,江西贛州 341000;3.江西耀升鎢業股份有限公司,江西崇義 341300

近年來,國家越來越重視環保工作,尤其是對粉塵排放規范要求越發嚴格。單一的除塵技術已不能滿足行業生產的環保要求。隨著除塵技術的發展,新型組合的除塵技術孕育而生,低阻文丘里振弦柵除塵技術也因此受到追捧[1-3]。與此同時,計算機技術滲透到各行各業,將計算機模擬技術與除塵技術相結合能對煙氣中細微粉塵的有效凈化進行深入研究。

20 世紀90 年代,Fluent 軟件就被應用于除塵系統的模擬。張漢君[4]在對靜電除塵器中的二維流場進行模擬分析時,使用了冪函數差分法,并對Deutsch 公式的校正進行了討論。沈恒根等[5]在研究多管式旋風分離器時,通過數值模擬方法研究了粉塵顆粒物在除塵系統內的運動對除塵器分級效率的影響。張彥婷等[6]通過案例展現了仿真模擬在除塵領域未來發展的作用,并匯總了其在除塵領域的研究現狀。張建卓等[7]運用Fluent 軟件對風幕集塵除塵系統進行模擬研究,得出了風幕集塵除塵系統具有很可觀的除塵效果。黃浩凱[8]運用格子Boltzmann-元胞自動機概率(LB-CA)模型,模擬研究了矩形、三葉形、三角形和四葉形4 種典型的異形纖維的流場分布情況和粉塵收集效率,得出異形纖維的系統損耗是由系統內部各纖維絲在接觸時產生摩擦的面積和迎風面積兩者共同決定的,而集塵效率則是由系統內各纖維絲的長短軸比決定的。仿真模擬軟件在研究除塵器的清灰這一領域也頗有建樹。為解決雙層濾料顆粒床在清除大顆粒時清灰難度大這一問題,徐青濤等[9]發現只要將導流板進行等速排列即可。郗元等[10]通過運用仿真模擬技術發現,錐形散射器、錐形、開孔散射器可使除塵器的清灰效率得到改善,且錐形散射器清灰效果更好。

然而,目前除塵領域的仿真模擬研究幾乎只運用在單一的除塵技術上。相較于單一的除塵模式,復合型除塵技術的除塵效果會大幅提升,但如何進一步提高復合型除塵技術的除塵效率還亟待解決。新型除塵技術需要通過理論分析、實驗研究來評估系統的性能,但此過程存在一些缺陷,部分影響因素實驗起來費時費力、消耗資金,而通過計算機模擬除塵系統結構的設計、除塵技術的組合運用方式以及除塵系統中環境因素的影響,可預知新型除塵技術的除塵效果。因此,探究計算機模擬技術在復合型除塵技術上的應用勢在必行。本文是在前輩對低阻文丘里振弦柵除塵技術研究的基礎上,運用仿真模擬軟件研究粉塵與液滴顆粒對除塵系統流場與性能的影響,分析除塵器內粉塵顆粒的運動軌跡以及除塵器壓力損失及除塵效率分布規律。研究成果可為低阻文丘里振弦柵除塵系統的工業應用提供一定的技術依據。

1 數值模型的建立

本文將數值模型分為除塵系統模型和振弦纖維柵模型。在建立除塵系統模型時,選用湍流模型對氣態流體進行模擬,選用離散相模型對液態和固態流體進行模擬。振弦纖維柵的數值模型選用多孔跳躍模型來建立。

1.1 湍流模型

采用Fluent 軟件提供的標準k-e模型。該模型是由Launder 和Spalding 提出的,具有穩定性強、經濟性高和計算精度高等特點,已被廣泛應用于工程領域[11]。標準k-e模型方程如下:

式中,ρ為流體密度;k為運輸變量湍流動能;xi和xj為流向分量;μ為分子黏性;σk和σε為湍流動能及其擴散率ε的湍流普朗特數,一般取1.0,1.3[12];μt為湍流系數;S為平均應變率張量的模量;Cμ、C1ε、C2ε為模型常數,一般取值0.09,1.44,1.92;Pk為由層流梯度產生的湍流動能;ui,uj為不同流向向上的湍流速度。

1.2 離散相模型

本文所述的液相和顆粒相屬于多相流的類別,考慮模擬過程粉塵的體積分數小,因此使用Fluent軟件中的離散相模型(DPM)。離散相模型遵循Euler-Lagrange 方法,是一種多相流模型[13]。模型中的固態或液態因子都被視為離散相,離散相與流體相之間在一定的條件下可進行動量、質量和能量的相互轉換[14]。離散相模型顆粒的軌跡方程如下:

式中,mp為顆粒質量;為流體相速度;up為顆粒速度;ρ為流體密度;ρp為顆粒密度;F為其他外力;為阻力;τt為液滴或粒子松弛時間;dp為顆粒粒徑;Re為雷諾數。

在氣固兩相流模型以及氣液固三相流模型中,空氣作為連續相。在對連續相進行計算時,是以空間點作為對象進行計算的,因此對模型內空氣的處理主要是以某個空間點上的壓強或密度等變量的分布作為計算結果。而液滴以及粉塵顆粒作為離散相,在進行計算時是以單個顆粒作為對象的,因此對模型內液滴以及粉塵顆粒的處理,主要是以某個液滴或粉塵顆粒的受力、速度和運動軌跡作為計算結果。

1.3 多孔跳躍模型

因在物理模型中振弦纖維柵是使用纖維絲纏繞而成,纖維絲數量巨大,網格劃分十分困難,因此在模擬過程中用多孔跳躍模型來代替振弦纖維柵。多孔跳躍模型是多孔介質模型的一維簡化模型,適用于已知速度(壓降)特性的薄膜的模擬。由于多孔跳躍模型具有更強的穩定性和收斂性,因此常用于過濾器的壓降和不考慮傳熱時散熱器的模擬[15]。多孔跳躍模型最主要的參數是滲透率和壓力跳躍系數。本文所討論的多孔跳躍模型的滲透率和壓力跳躍系數,是通過實驗所獲得的阻力損失和速度推導得出的[16]。首先通過選擇不同速度下所對應的不同壓力損失,然后再通過實驗數據擬合出二階多項式:

多孔跳躍模型的壓力損失由達西定律和附加慣性損失項組成:

由此得到壓力跳躍系數和滲透率:

式中,α為介質的滲透率;v為垂直于多孔跳躍界面的速度;Δn為多孔跳躍介質的厚度;a,b為系數。

選取實驗中壓力與速度數據見表1。

表1 壓力與速度變化數據Table 1 Pressure and velocity changes

阻力損失與速度之間的關系通過Origin 軟件進行擬合,得到的擬合公式為:▽p=0.9188v2+0.641v,則a=0.9188,b=0.641。

模擬時纖維柵厚度為1 cm,則C2=152.5,1/α=3 561 342,α=2.87×10-7。

2 網格模型與計算設置

2.1 網格模型

以實驗室現有的除塵器為模型,運用CAD 軟件建立低阻文丘里振弦纖維柵除塵系統的物理模型,如圖1 所示。在除塵系統開始運作時,系統內的文丘里喉管位置會有噴霧噴出,粉塵在低風速的作用下迅速凝結成大顆粒被振弦纖維柵捕獲,最后經過水膜除塵系統,在旋轉離心力的加持下完成除塵工作。

圖1 低阻文丘里振弦纖維柵除塵系統物理模型Fig.1 Physical model of low resistance Venturi vibrating wire grid dust removal system

除塵器建模成功后,以一塊纖維柵為例,在除塵器長方體區域另建一個面,用以代替纖維柵。模型中的纖維柵用CAD 軟件在除塵器長方體區域建一個新的面代替纖維柵,之后將物理模型導入ICEM-CFD 軟件中,使用非結構四面體網格對除塵箱體進行劃分,以降低計算準確度、收斂難易程度及計算機性能等因素的影響[17],網格劃分如圖2 所示。為方便在Fluent 軟件中放置多孔跳躍邊界的模型,在進行網格劃分時,內部面規定為纖維柵面,將網格總數量設為861 552 個,節點數設為146 726 個, 網格質量最小設為0.40, 最大設為0.99。

圖2 除塵器網格劃分Fig.2 Grid division of dust collector

2.2 計算設置

2.2.1 邊界條件設置

選用Fluent 軟件中常用的邊界類型,將入口界面設置為速度入口邊界,入口風速均取2.03 m/s,水利直徑為35 cm;為便于后續計算,將壓力出口設置為出口界面,出口壓力設置為0,但實際應為負壓。用多孔跳躍模型替代纖維柵,多孔跳躍邊界的滲透率設為2.87×10-7,壓力跳躍系數設為152,厚度設為1 cm。用Fluent 軟件中的DPM 模型作為顆粒的邊界條件,再選擇入射器類型,調整好位置坐標,并將模型的進出口界面設置為逃逸邊界,長方體管道前壁面均設置為反彈邊界,長方體管體壁面設置為捕獲邊界。

2.2.2 顆粒相設置

顆粒相分為粉塵顆粒相和液滴顆粒相。模擬時應分別設置兩種顆粒相。

(1) 粉塵顆粒相設置:為方便后續使用Fluent軟件模擬,本文將整個除塵系統的所有粉塵顆粒都規定從入口截面入射,將粉塵顆粒的入射方向定為Z軸的負方向,入射后認定粉塵顆粒將在入口截面上均勻分布,且將粉塵顆粒的入射速度定為空氣速度,粉塵密度設置為2 705 kg/m3,粉塵粒徑為10 μm。

(2) 液滴顆粒相設置:在進行液滴相模擬時,噴嘴類型選取壓力旋流霧化噴嘴,噴嘴流量設為7.16 g/s,噴嘴內徑為0.1 cm,霧化角為70°。通過觀察數據將上游壓力設置為0.6 MPa,噴嘴坐標為(82.89,239.49,-67),噴嘴噴霧方向即為沿著Z軸的負方向。

3 模擬結果分析

使用Fluent 模擬軟件構造氣態單相流模型、氣固雙相流模型以及氣液固三相流模型,研究3 種不同模型下除塵系統的作用情況[18]。在3 種模型中分別創建平行于X軸和Z軸的自由面,選取Y=239.486 3 這一坐標面,再對該自由面和整個除塵系統的壓力分布、流場分布以及顆粒運動情況進行對比分析。

3.1 壓力分布分析

3.1.1 靜壓云圖分析

靜壓模擬結果如圖3 所示,在3 種不同的模擬條件下,除塵器內部靜壓分布呈現出明顯的軸對稱性,且大小都具有規律性。除塵器入口處的靜壓最大,在流體到達喉管位置之前,因為受到系統阻力的影響,沿著流體方向系統靜壓值逐步降低,并在喉管位置靜壓達到最小值。在經過喉管之后,除塵系統的靜壓值開始逐漸升高,這是因為經過喉管后,系統內管道的直徑慢慢變大,系統的靜壓值隨之增大,且分布較為均勻。但在纖維柵前面的弧形區域,系統的靜壓值會比相同直徑管道內的靜壓值大;而在其后的弧形區域,系統的靜壓值會比相同直徑管道內的靜壓值小,由此可認為,纖維柵的存在會給整個除塵系統的靜壓分布帶來一定變化。

圖3 Y=239.486 3 截面靜壓分布云圖Fig.3 Cloud map of static pressure distribution in Y=239.486 3 section

對比三種不同模擬條件下的模擬云圖(圖3)可知,在氣態單相流和氣固雙相流這兩種模擬條件下,除塵系統的靜壓分布結果基本相同且系統靜壓的最大值也是相同的,因此得出粉塵顆粒對除塵系統的靜壓分布的影響可以忽略不計。而與氣固液三相流模擬結果對比后發現,在加入液滴后,在喉管后面區域的系統靜壓值較前兩種會稍微呈現下降的趨勢,并且除塵系統的靜壓最大值也比前兩種模擬條件下的大一些,即增加了系統的靜壓差,說明液滴的存在會增加除塵系統的靜壓損失。

3.1.2 動壓云圖分析

動壓模擬結果如圖4 所示。在氣態單向流、氣固兩相流及氣液固三相流3 種不同的模擬條件下,除塵系統內部動壓的分布情況基本相同。3 種不同模擬條件下的除塵系統動壓值都受管徑的影響,隨著管徑大小的變化而變化。根據風量、風速以及管道截面面積三者之間的關系,除塵系統內的風量是保持恒定的,管徑越小,風速越大。當氣流從除塵系統入口進入時,管道的直徑是逐漸減小的,除塵系統的動壓隨著管道內風速的增加而增加,當氣流到達喉管的位置,喉管位置的管道直徑最小,因此風速最大,即此時系統的動壓達到最大。而當氣流離開喉管,此時系統管徑開始逐漸變大,直到氣流到達除塵系統出口處,在這段區域內風速隨管徑的增大而減小,即除塵系統內部的動壓也隨之逐漸減小。

圖4 Y=239.486 3 截面動壓分布云圖Fig.4 Dynamic pressure distribution cloud map of section Y=239.486 3

在3 種不同的模擬條件下,除塵器內部的壓力場呈現較為均勻的分布,但觀察發現,在除塵系統纖維柵后面有一個類似陀形的區域,在該區域內的系統動壓明顯分布不均勻;再對比與其管道直徑相同的位置,該陀形區域的動壓要略大些,主要原因是纖維柵的聲凝聚作用,即纖維絲在氣流的作用下發生振動,產生的能量會影響周圍流場的分布,造成纖維柵后面的陀形區域風速增大。由圖4 可知,三相流模擬結果的陀形區域要比單相流、兩相流模擬的小,主要是加入的水霧在風速的作用下與纖維絲接觸,纖維絲振動形成水膜,消耗能量,減輕了纖維柵對風速的影響。

3.1.3 系統阻力損失分析

除塵系統的阻力損失隨著模擬條件的不同而發生變化。使用Fluent 軟件中的Report 功能,對不同條件下的除塵系統阻力損失、文丘里管阻力損失以及纖維柵阻力損失進行模擬計算。壓力分布結果見表2。

表2 各位置靜壓、動壓和總壓值Table 2 Static pressure,dynamic pressure,and total pressure values at each positionPa

分析表2 靜壓值發現,在氣固液三相流模擬時,除塵系統及文丘里管的靜壓損耗都大于其他兩種條件下模擬的,據此可知,加入液滴會使得除塵系統與文丘里管內的靜壓損耗變大。

分析表2 動壓值發現,3 種不同模擬條件下除塵系統的動壓變化規律基本相同,這說明粉塵顆粒對系統流場基本沒有影響;三相流模擬結果的文丘里動壓差值比其他兩種情況小,其原因是液滴的加入會消耗一部分能量;但三相流模擬結果的除塵系統入口與出口的動壓差值比其他兩種情況大,其原因是氣液固三相在文丘里喉管發生劇烈霧化,細水流變成水霧或類似水蒸氣與空氣混合物,使空氣的密度增加、動能也增加。

分析表2 總壓值發現,在氣態單相流和氣固兩相流兩種模擬條件下,除塵系統各區域阻力損失相同,但在氣固液三相流模擬條件下,除塵系統的阻力以及文丘里管的阻力相比其他兩種情況是增大的。

結合動壓值和總壓值進行分析可得出結論:除塵系統靜壓是三相流模擬條件下阻力增加的主要來源。

3.2 流場分布分析

3.2.1 湍動能云圖分析

圖5 是Y=239.486 3 截面的3 幅湍動能云圖。由圖5 發現,在3 種不同的模擬條件下,除塵系統各個截面上的湍動能變化規律基本相同。在流體進入除塵器時,從入口位置到喉管位置,湍動能隨著流體流動方向不斷增大,在喉管位置湍動能達到最大值,喉管至除塵器出口這段區域,湍動能減小。系統的湍動能分布正常,只在喉管、文丘里擴散管和長方體除塵器管體交接部位的湍動能較大,這是由于這三個位置的氣流雜亂復雜,導致除塵系統能量損失。

對比圖5 中3 幅云圖發現,三相流在文丘里擴散管與長方體除塵器管體交接部位的系統湍動能值,比另外兩種模擬條件下的系統湍動能值略小。在加入噴霧后,液滴會消耗部分能量,使除塵系統受到凌亂氣流的干擾變小。

3.2.2 流場分布分析

圖6 是入口方式2.03 m/s 除塵器的流場分布圖。由圖6 發現,3 種模擬條件下除塵系統的流場分布情況基本相同。整體上看,3 種模擬情況下除塵系統流場中流線分布比較均勻、流暢,只有在文丘里擴散管與長方體除塵器管體相接的4 個位置出現了渦流現象,說明這4 個位置的流場穩定性較差。此外,3 種模擬條件下的運動時間基本一致,但產生渦流的4 個位置的氣流運動時間都比較長。由此可知,加入的粉塵顆粒物以及液滴對氣流的作用不大,對流場分布規律的影響也不大。因此,對除塵器流場分布有影響的主要因素還是除塵器自身的結構。

圖6 入口方式2.03 m/s 除塵器流場分布Fig.6 Streamline distribution of 2.03 m/s dust collector in inlet mode

3.3 顆粒運動分析

3.3.1 氣固兩相流顆粒運動分析

圖7 為在氣固兩相流的模擬條件下除塵器內粉塵顆粒的運動軌跡。由圖7 可知,在氣固兩相流模擬條件下,顆粒物從除塵器入口進入管道,在到達文丘里管之前,顆粒物的運動主要是隨氣流的變化而變化;進入文丘里管之后,顆粒物的運動出現明顯的抖動,運動軌跡發生了改變,且在喉管處出現明顯的偏移。但在進入除塵器后方的長方體箱體的位置,粉塵顆粒物的運動軌跡開始變得凌亂且上下劇烈波動;在除塵器的文丘里管與長方體筒體相接處以及纖維柵之間的區域,粉塵顆粒運動最為凌亂無序的。

圖7 氣固兩相流顆粒運動軌跡Fig.7 Particle trajectory of gas-solid two-phase flow

結合前文的分析及圖8 可以發現,粉塵顆粒從入口進入除塵器到流經文丘里管之前,粉塵顆粒的運動比較穩定,這是因為在該區域內除塵系統的管徑變化不大,風速保持穩定,粉塵顆粒間的相互作用較弱;顆粒物隨氣流到達文丘里管之后,管徑發生變化(先變小后變大),引起除塵系統內風速的變化,粉塵顆粒物間的相互作用增大,粉塵顆粒的運動軌跡發生偏移,但由于文丘里管的截面是圓形,粉塵顆粒的徑向速度和切向速度變化不大,因此在文丘里管內粉塵顆粒物的運動變化不明顯;之后粉塵隨著氣流流經到長方體筒體,此時粉塵顆粒作用的截面從圓形變成了矩形,出現了渦流,顆粒物的徑向速度和切向速度發生強烈變化,直接導致粉塵顆粒物的運動軌跡變得無序,流體穩定性也急劇下降。

圖8 除塵器軸線方向不同位置粉塵速度分布Fig.8 Velocity distribution at different positions along the axis of the dust collector

3.3.2 氣固液三相流顆粒運動分析

圖9 為氣固液三相流除塵系統內粉塵顆粒運動軌跡。對比圖9 和圖7 可知,氣固液三相流模擬和氣固兩相模擬除塵系統內顆粒運動規律相似。氣固液三相流模擬時顆粒運動軌跡同樣是在文丘里喉管之后至纖維柵區域波動明顯,其他位置分布較為分布均勻且穩定。通過對比分析可知,氣液固三相流模擬在喉管區域和文丘里管與長方體管體交接位置,粉塵顆粒物運動軌跡的波動要比氣固雙相流模擬時較大。纖維柵后部區域由于與大氣相連,粉塵顆粒的運動軌跡變化又趨于穩定。

圖9 氣固液三相流顆粒運動軌跡Fig.9 Particle trajectory of gas-solid-liquid three-phase flow

圖10 為除塵系統軸線方向不同位置徑向速度和切向分布。觀察圖10 發現,粉塵顆粒的徑向速度和切向速度在喉管位置和文丘里管與長方體管體交接處至纖維柵位置都明顯凌亂。主要原因是喉管處的氣流速度大,導致粉塵與霧滴顆粒之間會產生碰撞,促使各個方向上的脈動能量發生變化,粉塵顆粒的徑向、切向速度變化被加劇,導致粉塵顆粒的運動軌跡逐漸凌亂;同時,將圖10 和圖8 對比發現,氣液固三相流模擬時粉塵顆粒物的運動會比氣固兩相流模擬時更加凌亂[19]。這是因為在三相流模擬時,纖維柵周圍存在渦流,導致粉塵顆粒物與液滴之間的相互作用加強,造成各個方向上速度發生的變化要比氣固兩相流模擬時更劇烈。

圖10 除塵器軸線方向不同位置速度分布Fig.10 Velocity distribution at different positions along the axis of the dust collector

在加入液滴后的除塵系統,粉塵與霧滴碰撞作用加強,在凝并作用下更容易形成含塵水霧而被纖維柵上的水膜捕獲,提高了除塵效率,但水霧的存在也在一定程度上增加系統阻力損失。

4 結 論

本文的物理模型是基于實驗室低阻文丘里振弦柵除塵系統實物建立的,再用Fluent 軟件進行模擬,設置了3 種不同的模擬條件(氣態單相流、氣固雙相流、氣液固三相流),對比研究了3 種模擬結果,得到以下結論:

(1) 在3 種不同的模擬條件下,除塵系統的靜壓和動壓分布結果基本相同,且粉塵顆粒的存在對除塵系統的靜壓、動壓分布情況并無影響;而液滴的加入會使系統的靜壓損耗有所增大,但液滴的加入對系統動壓分布結果無太大影響,且在加入液滴后可減緩纖維柵對系統風速的影響。在氣液固三相流模擬時,除塵系統增加的阻力主要來自靜壓。

(2) 除塵系統的湍動能以及流線分布結果在三種不同的模擬條件下基本相同,都在喉管位置、文丘里擴散管區域以及長方體除塵器管體交接處發生湍動能異常大的現象。且在氣液固三相流模擬時發現,液滴的加入會降低除塵系統內雜亂氣流所造成的能量損耗。

(3) 氣固兩相流和氣固液三相流的顆粒運動軌跡分布相似,均是在除塵器文丘里段與纖維柵之間區域出現顆粒運動軌跡凌亂的現象。且在氣液固三相流模擬時發現,液滴的加入會一定程度上增強系統的除塵效率,同時影響除塵系統的流場分布,并會導致除塵系統的阻力損耗有所增大。