環(huán)流循環(huán)除塵系統(tǒng)分離柱內(nèi)三維強(qiáng)旋湍流流場(chǎng)的研究.pdf

1、旋風(fēng)除塵器是利用含塵氣體旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力將粉塵從氣流中分離出的一種氣固分離設(shè)備，因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、性能穩(wěn)定、投資少、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于化工、采礦、冶金、機(jī)械、輕工、環(huán)保和節(jié)能等各個(gè)領(lǐng)域。然而，普通型旋風(fēng)除塵器對(duì)粒徑大于10μm的粉塵捕集效率較高，但對(duì)5μm以下的粉塵捕集效率很低，從而使旋風(fēng)除塵器的應(yīng)用受到了很大的限制。 環(huán)流循環(huán)除塵系統(tǒng)是一種在旋風(fēng)分離技術(shù)上取得重要突破的新型的旋風(fēng)除塵器，它不僅具有普通旋風(fēng)

2、除塵器的優(yōu)點(diǎn)，而且能夠高效去除含塵氣體中的亞微米粉塵。因此，在工業(yè)工程領(lǐng)域有著十分廣闊的應(yīng)用前景。 分離柱是環(huán)流循環(huán)除塵系統(tǒng)的主要分離元件之一，分離柱的分離效率對(duì)環(huán)流循環(huán)除塵系統(tǒng)的分離效率和整體性能起著決定性作用，而分離柱的分離效率又是由分離柱內(nèi)部流場(chǎng)性能所決定。因此，對(duì)分離柱內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究，對(duì)于了解環(huán)流循環(huán)除塵系統(tǒng)的分離機(jī)理、進(jìn)一步提高環(huán)流循環(huán)除塵系統(tǒng)的除塵效率有著非常重要的意義。 本文針對(duì)分離柱內(nèi)部流場(chǎng)從

3、實(shí)驗(yàn)、理論和數(shù)值模擬三個(gè)方面開(kāi)展了一系列的研究工作，取得了以下重要成果: 1.通過(guò)模擬實(shí)際流動(dòng)情況的實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)環(huán)流循環(huán)除塵系統(tǒng)分離柱內(nèi)部氣體的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)量，給出了在一定的入口氣流速度及回流量時(shí)分離柱內(nèi)不同位置氣體的切向和軸向速度以及壓力的分布規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，分離柱內(nèi)切向速度基本上呈中心對(duì)稱(chēng)分布，為典型的準(zhǔn)強(qiáng)制渦和準(zhǔn)自由渦的組合；分離柱內(nèi)軸向速度除出口附近外基本上呈軸對(duì)稱(chēng)分布，每一截面上在軸心附近達(dá)到最大值

4、，沿徑向向外逐漸減小，到壁面趨于零；靜壓力在軸心附近最低，由下至上存在一個(gè)低壓柱，壓強(qiáng)隨半徑增大而增大。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，分離柱內(nèi)的氣體在做高速旋轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)擺尾現(xiàn)象，渦核的軸線(xiàn)沿幾何軸心左右擺動(dòng)，從而導(dǎo)致了流場(chǎng)的不穩(wěn)定，使分離效率下降。 2.基于柱坐標(biāo)下的Navier-Stokes方程和連續(xù)性方程，采用無(wú)粘流體假設(shè)，對(duì)分離柱內(nèi)流場(chǎng)的流速和壓力分布進(jìn)行了近似分析，給出了三維速度、壓力梯度及靜壓力分布的基本表達(dá)式。該研究一方面為后續(xù)進(jìn)行更深入

5、的流場(chǎng)分析提供必要的理論依據(jù)，同時(shí)也考察了回流比和排氣管尺寸變化對(duì)流場(chǎng)各參數(shù)的影響，還與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了比較。理論研究表明，無(wú)粘流體模型可以近似預(yù)測(cè)分離柱內(nèi)部流場(chǎng)除軸心附近以外區(qū)域的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的基本變化規(guī)律；排氣管尺寸變化對(duì)切向速度、徑向壓力梯度和靜壓力影響很小，但對(duì)軸向速度和徑向速度影響很大；回流比對(duì)速度和壓力均有影響。 3.采用湍流粘性理論及平均速度場(chǎng)模式，基于柱坐標(biāo)系下的雷諾方程和連續(xù)性方程，推導(dǎo)出了環(huán)流循環(huán)除塵系統(tǒng)

6、分離柱內(nèi)強(qiáng)旋轉(zhuǎn)湍流流場(chǎng)的基本方程，給出了湍流模型下分離柱內(nèi)部流場(chǎng)的速度場(chǎng)和靜壓力場(chǎng)的分布規(guī)律，并與流場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較。研究發(fā)現(xiàn)，采用湍流粘性模型可以較好的預(yù)測(cè)分離柱內(nèi)部流場(chǎng)的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)。其中，在壁面邊界層以外的區(qū)域內(nèi)，切向速度、靜壓力的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值不論是大小還是變化規(guī)律都比較吻合，軸向速度的計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值誤差較無(wú)粘性模型明顯減小，且變化規(guī)律與實(shí)驗(yàn)非常一致。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，湍流粘度對(duì)切向速度和靜壓力影響較大，而對(duì)軸向速度影響較小。

7、 4.利用切向速度表達(dá)式直接導(dǎo)出了分離柱內(nèi)部流場(chǎng)中內(nèi)外渦分界面半徑隱含形式的計(jì)算公式，解決了以往用總壓降最小原理來(lái)間接求取內(nèi)外渦分界面半徑的問(wèn)題。 5.應(yīng)用通用大型流體力學(xué)計(jì)算軟件FLUENT6.2，采用雷諾應(yīng)力模型(RSM)對(duì)環(huán)流循環(huán)除塵系統(tǒng)分離柱內(nèi)部三維強(qiáng)旋湍流流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬和分析，給出了分離柱內(nèi)的三維流場(chǎng)的總速度矢量圖、等高線(xiàn)圖、速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的詳細(xì)分布及湍流強(qiáng)度云圖和湍動(dòng)能云圖。經(jīng)與流場(chǎng)實(shí)測(cè)情況比較和分析可以看出，模

8、擬出的流場(chǎng)與實(shí)測(cè)流場(chǎng)的總體趨勢(shì)基本相同。即:切向速度分布基本上呈中心對(duì)稱(chēng)分布，大致為內(nèi)部準(zhǔn)強(qiáng)制渦和外部準(zhǔn)自由渦的組合，與理論分析基本一致；軸向速度在整個(gè)分離柱內(nèi)全部向上，且分布更加均勻和規(guī)整，有利于細(xì)的粉塵到達(dá)分離柱邊壁而被分離；分離柱內(nèi)存在流體的湍動(dòng)，與實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的“擺尾”現(xiàn)象是一致的；靜壓和總壓的分布比較接近，沿半徑方向的分布對(duì)稱(chēng)性較好，分布形態(tài)為在中心渦核處壓力最低，隨著半徑增加壓力也增加，邊壁附近達(dá)到最高；分離柱的中心附近湍動(dòng)能較