环流式旋风除尘器的流场测试与湍流度分析

论文摘要

本文采用PIV实验和FUJENT数值模拟两种方法,研究环流式旋风除尘器内的流场和湍流特性,为抑制除尘器内流体湍动和内构件优化提供理论依据。本文主要研究工作如下:采用先进的粒子图像测速技术（PIV）,测量环流式旋风除尘器的二维瞬时速度场,计算湍流强度等湍流特征系数;利用FLUENT前处理软件GAMBIT画出环流式旋风除尘器的模拟模型,根据环流式旋风除尘器自身结构特点和器内流体流动情况,划出质量较高的六面体网格;使用FUJENT提供的Reynolds应力模型（RSM）对环流式旋风除尘器内的流场进行数值模拟。PIV实验结果表明:切向速度在分离区内大致呈M型分布,在r/R=0.35左右出现最大值,锥体内切向速度在r/R=0.2-4).3处达到最大值;环隙上部截面切向速度8m/s高于其它区域的速度（2.5m/s4.5m/s）。轴向速度在内筒及环隙内基本呈轴对称分布,其最大值（11m/s）在轴心附近,沿径向向外逐渐减小。轴向速度在锥体壁面附近先出现负值,然后略有增加。湍流度在除尘器不同截面上呈倒U型分布,具有较好的轴对称性,且变化相对平稳,基本不随轴向高度的改变而变化。FuJENT模拟结果表明:静压和总压呈V型分布,有较好的轴对称性,在中心涡核处较低。静压在旋风分离器排气管的下端中心处最低。环流式旋风除尘器特殊的流路设计,避免了内外旋涡的相互干扰,增强了旋转速度,规整了流形,消除了旋风除尘器易产生的短路流和二次返混,但在直筒段与锥体的连接处气流湍动剧烈,入口处流型紊乱,除尘器内还存在少量纵向旋涡,这些旋涡直接影响除尘器性能。将RSM得到的速度预测值与PIV实验结果进行比较,二者基本吻合,说明RSM能够准确地预测旋风分离器内的强旋流。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 前言
• 第一章 文献综述
• 1.1 旋风除尘器发展简介
• 1.2 旋风除尘器的研究概况
• 1.2.1 旋风除尘器结构及工作原理
• 1.2.2 旋风除尘器内的气体流动
• 1.2.3 旋风除尘器内的次流
• 1.2.4 旋风流场的试验研究
• 1.2.5 旋风除尘器流场的数值模拟
• 1.2.6 湍流度的研究
• 1.3 环流式旋风除尘器简介
• 1.3.1 环流式旋风除尘器的开发思路
• 1.3.2 环流式旋风除尘器的结构及除尘机理
• 1.3.3 环流式旋风除尘器的优点
• 1.4 流场的测试方法
• 1.4.1 五孔球探针和热线/热膜风速仪法
• 1.4.2 激光多普勒测速法（LDV）
• 1.4.3 声学多普勒流速计（ADV）
• 1.4.4 相位多普勒粒子分析仪（PDPA）
• 1.4.5 粒子图像测速技术（PIV）
• 1.5 湍流简述
• 1.6 本文的研究目的和主要任务
• 1.6.1 本文的研究的目的
• 1.6.2 本文的主要任务
• 第二章 旋风除尘器内流场的 PIV 实验测量
• 2.1 PIV 技术简介
• 2.1.1 PIV 测速原理
• 2.1.2 PIV 系统组成
• 2.1.3 PIV 技术的分类
• 2.1.3.1 按其成像介质
• 2.1.3.2 按粒子浓度分
• 2.1.4 数字图像处理算法介绍
• 2.2 PIV 实验装置
• 2.3 实验结果及分析
• 2.3.1 实验数据处理方法
• 2.3.2 速度场
• 2.3.3 湍流度分布
• 2.4 本章小结
• 第三章 除尘器内流场的数值模拟
• 3.1 湍流流动的数值模拟方法
• 3.1.1 直接数值模拟（DNS）
• 3.1.2 大涡模拟（LES）
• 3.1.3 Reynolds 平均法（RANS）
• 3.1.4 常用湍流模型
• 3.2 FLUENT 概述
• 3.2.1 GAMBIT 软件
• 3.2.2 FLUENT 软件
• 3.3 数值模拟
• 3.3.1 模拟方法的选择
• 3.3.2 计算模型与网格划分
• 3.4 边界条件的设置
• 3.4.1 入口边界条件
• 3.4.2 出口边界条件
• 3.4.3 差分格式
• 3.5 求解过程
• 3.6 部分模拟结果
• 3.6.1 速度矢量图
• 3.6.2 压力分布图
• 3.6.3 局部涡分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 数值模拟与实验结果的比较及分析
• 4.1 切向速度比较
• 4.1.1 一次分离区内切向速度比较
• 4.1.2 锥体内切向速度比较
• 4.1.3 环隙切向速度比较
• 4.2 轴向速度比较
• 4.2.1 一次分离区内轴向速度比较
• 4.2.2 锥体内轴向速度比较
• 4.2.3 环隙内轴向速度比较
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读学位期间发表学术论文目录