旋流与拦截机理捕集微细粉尘的研究

论文摘要

旋风除尘器是利用旋转的含尘气体所产生的离心力,将粉尘从气流中分离出来的一种干式气固分离装置。由于它结构简单、无运动部件、制造安装投资较少、操作维护简便、性能稳定、受含尘气体的浓度和温度影响较少、压损中等、动力消耗不大,所以广泛用于工业除尘、空气采样、选粉、热交换等方面。但由于旋风除尘器存在对微细颗粒（10微米以下）捕集效率低的缺陷,其运用受到很大程度的限制。所以采取必要的措施对其减阻增效成为刻不容缓的问题。由于旋风分离器中的含尘气流属于三维强旋转湍流,伴随着两相分离运动,而且涉及到气固两相相互作用以及碰撞、凝聚和静电等许多复杂物理现象,使得理论研究非常困难。而且由于实验条件的限制,单纯通过实验来优化旋风分离器的性能不仅周期长而且费用高。本文利用CFD商业软件FLUENT对旋风分离器进行了数值模拟。通过与特定结构的实验结果对照,在选择了合适的数值模拟方法后,模拟研究了多种情况下的气相速度场、压力场、颗粒运动轨迹、颗粒分级效率、旋风分离器总分离效率等参数。并采用旋流与拦截机理融合设计了一种整体式旋风过滤除尘器,通过大量的数值模拟研究,主要得到了以下结论:1)通过研究选择了一套最适合旋风分离器内部气相流场的数值计算方法:湍流模型采用雷诺应力模型;差分格式采用QUICK格式;压力梯度项插补格式采用PRESTO格式;计算方法采用SIMPLEC算法。2)旋风分离器内的气相主流是双层旋转流,外部是回转向下的外旋转流,而中心是向上旋转的内旋流,且两者的旋转方向相同。切向速度分布呈现了组合涡的特点,中心区域为强制涡,外部区域为准自由涡。3)旋风分离器内静压在径向上随着半径的增大而升高;动压在强制涡和准自由涡的分界面处最大。分离器总压降包括静压降和动压降两部分。模拟与实验所得的静压降结果较吻合。4)旋风分离器中的颗粒运动很复杂,采用DPM模型跟踪其轨迹,总的来说,从入口外侧和下方入射的颗粒分别较从内侧和上方入射的颗粒更容易分离。在旋风分离器的分离空间,在径向方向上可分为中间的低浓度区和近壁处的高浓度区;旋风分离器外壁的颗粒浓度呈螺旋带状分布;在环形空间和灰斗的顶板下方存在顶灰环,且顶灰环不均匀;在升气管的下方有短路流,在分离空间下部排尘口附近有明显的颗粒返混,排尘口上方的强旋流动对颗粒有显著的二次分离作用。采用Rosin-Rammler分布拟合,可以模拟出颗粒相具有不同粒径颗粒时的分离总效率。对大于5微米的颗粒模拟与实验所得的总分离效率结果较吻合。5)旋风分离器的压降及分离效率随着入口速度的增大、排气管直径的减小而增大;不同的入口形式对其性能也有影响,蜗壳式入口性能比切向稍好,不同角度的蜗壳入口性能需进一步研究。6)对设计的整体式旋风过滤除尘器进行模拟与实验,滤布采用多孔介质模型,与普通旋风除尘器相比,总效率至少提高10%,可达95%以上;对5微米的粒子,分级效率可提高20%;入口风速小于25m/s时,其压损增加不超过28%。提高了旋风除尘器对微细颗粒的捕集能力,为旋风除尘器减阻增效提供了新的途径。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 旋风分离器的基本结构与工作原理
• 1.3 旋风分离技术发展概况
• 1.4 旋风分离机理研究的进展
• 1.5 旋风除尘器结构的改进
• 1.6 旋风除尘器内气固两相数值模拟研究的进展
• 1.7 本课题的主要研究内容
• 第二章 旋风分离器数值模拟方法研究
• 2.1 引言
• 2.2 气体相的数值模拟计算方法研究
• 2.2.1 湍流模型
• 2.2.2 离散格式
• 2.2.3 压力差补格式
• 2.2.4 压力与速度的耦合
• 2.3 颗粒相的数值模拟计算方法研究
• 2.3.1 单颗粒运动控制方程
• 2.3.2 颗粒随机轨道模型
• 2.3.3 气体相和颗粒相的相互作用
• 2.3.4 颗粒间的相互作用
• 2.3.5 颗粒与固体壁面间的相互作用
• 2.4 小结
• 第三章 旋风除尘器流场及浓度场实验与模拟
• 3.1 实验装置及测试方法
• 3.2 计算机模拟模型
• 3.3 气相模拟结构与分析
• 3.3.1 气相速度分布的研究
• 3.3.2 旋风分离器压降的研究
• 3.3.3 流场湍流结构的研究
• 3.4 小结
• 3.5 固相模拟结果及分析
• 3.5.1 旋风分离器固相模型与计算方法
• 3.5.2 旋风分离器内颗粒轨迹的研究
• 3.6 旋风分离器分离效率的研究
• 3.7 压力损失及捕集效率模拟与实验结果对比
• 3.8 结论
• 第四章 影响旋风分离器性能的因素及其优化模拟研究
• 4.1 引言
• 4.2 入口速度对旋风分离器性能的影响
• 4.3 排气管管径对旋风分离器性能的影响
• 4.3.1 排气管直径对压力损失的影响
• 4.3.2 排气管管径对分离效率的影响
• 4.4 入口形式对旋风分离器性能的影响
• 4.5 整体式旋风过滤除尘器的模拟与实验研究
• 4.6 结论
• 第五章 旋风除尘器性能评价
• 5.1 引言
• 5.2 旋风除尘器的性能与结构参数
• 5.3 旋风除尘器压力损失
• 5.4 旋风除尘器捕集效率
• 5.4.1 捕集效率模型
• 5.4.2 粉尘负荷浓度的影响
• 5.5 旋风除尘器性能综合评价
• 5.6 压力损失及捕集效率计算与实验对比
• 5.7 结论
• 第六章 本文结论及展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间的研究成果
• 致谢