大尺度阵发性尘源控制的气流组织实验及模拟研究

论文摘要

在港运码头,卸料机在翻卸物料过程中产生大量的含尘气体,严重污染作业环境,影响工人健康,阻碍了港运的快速发展。由于港运卸料机具有粉尘产生量较大,粉尘产生时间不连续及地点变化的特点。由于卸料机粉尘属于开放性尘源及其具有空间大、阵发性、移动性等特点,而且这方面没有成熟的通风除尘设计理论,在以往的港运卸料机设计中,仅凭经验进行设计,往往达不到预期的效果。加之,国内多年以来重视不够,其粉尘控制一直存在问题。如何采用合理的气流组织来控制粉尘扩散,从而减少对环境的污染,是本课题的主要研究内容。本文针对卸料机装置及其工作特点,提出采用双侧吹吸式通风技术来控制类似卸料机的大尺度阵发性尘源。本课题以卸料机为研究对象,并将研究成果应用于类似装置的通风除尘工程设计中。通过优化气流组织、控制和优化气流速度参数,可以达到节省能耗,增强控制粉尘的效果。本文主要通过相似理论建立卸料机模型实验台进行实验研究,并辅以数值模拟手段进行模拟研究。实验研究方面,分析影响卸料机粉尘捕集效率的各种因素,并进行正交实验研究,得到捕集效率与各影响因素的经验公式。利用烟雾发生器模拟卸料机工作时产生的污染气流,并在特定工况下对经验公式进行了验证。利用流量比的方法,并根据π定理,分析得到极限流量比KL关于无量纲因素的函数表达式。根据实验数据及得到的捕集效率经验公式,利用SPSS V13.0统计软件,进行多元回归分析,得到极限流量比KL的多元回归关联式。根据KL的表达式,分两种情况考虑了经济流量的问题,分别得到卸料机用双侧吹吸式通风装置经济设计式。最后,提出了卸料机用双侧吹吸式通风装置的基本设计程序。模拟研究方面,本文采用FLUENT软件进行数值模拟研究。其中,对洁净流场典型断面的模拟值与实验测量值进行比较,发现两者基本吻合,说明数值模拟选取的湍流模型是正确的。对气固两相流场进行模拟研究时分两种情况。对单一粉尘粒径模拟时,得到不同粒径粉尘的分级效率。其模拟结果表明;在研究范围内,粉尘粒径越大,分级效率越高。在粒径为Rosin-Rammler分布的模拟中,对不同工况进行了研究与分析。本文的研究成果,尤其是回归的关于极限流量比KL的无量纲多元关联式以及分两种情况得到的卸料机用双侧吹吸式通风装置经济设计式可以用于港运卸料机通风除尘工程设计计算,并对类似大尺度阵发性尘源控制提供工程设计参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 吹吸式通风技术的最新研究进展及现状分析
• 1.2.1 吹吸式通风设计方法
• 1.2.2 吹吸式通风的实验研究
• 1.2.3 吹吸式通风数值模拟研究
• 1.2.4 吹吸式通风研究现状分析
• 1.3 本课题的研究内容与方法
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 研究方法
• 第二章 吹吸气流研究理论及数值模拟研究理论
• 2.1 吹吸气流研究理论
• 2.1.1 速度控制法
• 2.1.2 流量比法
• 2.1.3 临界断面法
• 2.1.4 海米昂方法
• 2.1.5 孙一坚方法
• 2.1.6 各种计算方法的比较
• 2.2 射流与汇流的运动特性分析
• 2.2.1 射流的运动特性分析
• 2.2.2 汇流的运动特性分析
• 2.3 数值模拟研究理论与方法
• 2.3.1 气相场的计算模型
• 2.3.2 气固两相湍流模型
• 第三章 卸料机模型实验设计
• 3.1 模型实验台的来历
• 3.1.1 港运卸料机简介
• 3.1.2 粉尘捕集方式的提出与确定
• 3.2 实验台的设计
• 3.2.1 相似的基本条件
• 3.2.2 模型实验台系统设计
• 3.3 实验台部件及测试仪器的选择
• 3.3.1 实验台部件
• 3.3.2 主要测试仪器
• 3.4 流场显示技术简介及其应用
• 3.4.1 流场显示简介
• 3.4.2 流场显示技术的现状与发展
• 3.4.3 流场显示技术在本课题中的应用
• 3.5 本文实验的研究内容
• 3.6 本章小结
• 第四章 卸料机模型实验研究
• 4.1 实验准备工作
• 4.1.1 多孔气流分布板的制作
• 4.1.2 气流均匀性的测量
• 4.2 洁净流场的测试
• 4.3 模型实验过程
• 4.3.1 模型实验研究的技术路线
• 4.3.2 正交试验设计与方差分析
• 4.4 实验数据处理与分析
• 4.4.1 捕集效率经验公式的建立
• 4.4.2 模型实验无量纲分析
• L回归公式的建立'>4.4.3 卸料机吹吸气流的流动特性研究及K_L回归公式的建立
• L多元关联式的验证'>4.4.4 关于K_L多元关联式的验证
• 4.5 卸料机用双侧吹吸式通风装置设计式的探讨
• 4.5.1 卸料机用双侧吹吸式通风装置经济设计式的探讨
• 4.5.2 卸料机用双侧吹吸式通风装置的基本设计程序
• L的回归多元关联式的应用范围'>4.5.3 关于K_L的回归多元关联式的应用范围
• 4.6 卸料机原型吹吸式通风装置的设计计算
• 4.7 本章小结
• 第五章 数值模拟研究与分析
• 5.1 数值模拟研究准备工作
• 5.1.1 模型假设
• 5.1.2 湍流模型的选择
• 5.1.3 多相流模型的选择
• 5.1.4 离散格式及收敛问题
• 5.1.5 颗粒相的简化与假设
• 5.1.6 粉尘的粒径分布
• 5.1.7 边界条件和参数的确定
• 5.2 洁净流场的模拟
• 5.2.1 计算区域和网格
• 5.2.2 模拟结果与验证分析
• 5.3 气固两相流场的模拟
• 5.3.1 单一粉尘粒径的气固两相流场模拟
• 5.3.2 粒径为Rosin-Rammler分布的气固两相流场模拟
• 5.3.3 洁净与含尘工况流场模拟结果的对比分析
• 5.4 数值模拟在卸料机粉尘控制中的作用
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 研究结论
• 6.2 研究的前景与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文
• 致谢