旋风除尘器优化设计及分离特性研究

论文摘要

旋风除尘器作为一种重要的气固分离设备,因其结构简单、设备紧凑、制造容易、成本相对较低等优点,被广泛应用于矿山、化工、能源、环保、冶金、建材等众多工业领域。然而往往因其结构设计不当,尺寸匹配不合理等因素限制了除尘效率的提高,并且能耗很大。当前,随着国民经济的不断增长及“节能减排”战略的适时提出,在工业生产中,迫切需要研制高效率低能耗的新型旋风除尘器。为此,本文针对旋风除尘器传统设计方法不够完善,通用性差及其内部三维流场规律认识不全面等问题,采用优化设计和数值模拟相结合的研究方法,首先基于经典的Leith-Licht边界层分离理论,建立了旋风除尘器优化设计数学模型,并借助MATLAB工具得出了设计工况下的结构尺寸;然后以优化出的旋风除尘器为研究对象,通过商业软件FLUENT,采用基于各向异性的RSM雷诺应力模型、QUICK差分格式、PRESTO压力插补格式和SIMPLEC算法对其内部气相流场进行了数值模拟,成功地模拟出旋风除尘器内部的双层旋流结构,并获得了较理想的速度—压力场预报结果;接着在气相流场模拟的基础上,利用相间耦合的DPM离散相模型对旋风除尘器内部的固相颗粒进行了数值模拟研究,考察分析了不同情况下的颗粒运动轨迹及不同入口颗粒浓度、不同排气管插入深度、不同排气管直径、不同排灰口直径和不同直管长度等操作与结构参数对分离性能的影响;最后,基于上述的数值模拟结果,有效地预测了优化型旋风除尘器结构尺寸匹配的合理性及提出的优化设计方法的可行性,从而为今后旋风除尘器的研制提供了一种通用的设计方法。本文在旋风除尘器优化设计和内部流场数值模拟等方面取得的研究成果,不但能更好地反映操作参数、结构参数对其分离性能的影响,又能为进一步优化旋风除尘器的结构提供有意义的参考。因此本文的研究无论是在工程应用,还是在理论研究方面上都具有十分重要的价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 旋风除尘器的发展概况
• 1.3 旋风除尘器结构尺寸设计方法研究概况
• 1.3.1 旋风除尘器结构尺寸传统设计方法
• 1.3.2 旋风除尘器结构尺寸设计方法评价
• 1.4 旋风除尘器气固两相流数值模拟研究进展
• 1.5 论文研究目的与意义
• 1.6 论文研究方法与内容
• 第二章 旋风除尘器的分离理论与性能分析
• 2.1 旋风除尘器的工作过程
• 2.2 旋风除尘器内部的旋流
• 2.3 旋风除尘器的分离理论
• 2.3.1 捕集分离临界粒径
• 2.3.2 捕集分离理论
• 2.4 旋风除尘器的性能评价指标
• 2.5 本章小结
• 第三章 旋风除尘器结构尺寸优化设计研究
• 3.1 优化设计的基本思想
• 3.2 基于MATLAB旋风除尘器结构尺寸优化
• 3.2.1 优化设计数学模型的建立
• 3.2.2 优化设计约束条件的确定
• 3.2.3 基于MATLAB优化设计数学模型的求解
• 3.3 分离性能的初步对比分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 优化型旋风除尘器三维流场数值模拟
• 4.1 CFD技术的发展及特点
• 4.2 湍流模型的选择
• 4.3 物理模型的确定
• 4.3.1 计算模型的几何结构
• 4.3.2 三维计算域的网格划分
• 4.3.3 边界条件的设定
• 4.4 气相流场的数值模拟与分析
• 4.4.1 几何模型与计算方法
• 4.4.2 流场的速度分布
• 4.4.3 流场的压力分布
• 4.5 气固两相流场的数值模拟与分析
• 4.5.1 颗粒粒径分布
• 4.5.2 颗粒相模型计算方法
• 4.5.3 颗粒运动轨迹方程
• 4.5.4 颗粒运动轨迹的研究
• 4.5.5 入口颗粒浓度对分离性能的影响
• 4.6 结构参数对分离性能的影响
• 4.6.1 排气管插入深度对分离性能的影响
• 4.6.2 排气管直径对分离性能的影响
• 4.6.3 排灰口直径对分离性能的影响
• 4.6.4 直管长度对分离性能的影响
• 4.7 理论计算值与模拟值的对比
• 4.8 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果