（轮机工程专业论文）多级除尘器气动性能分析.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo fd e n g a e r o d y n a m i c s p e r f o r m a n c ea n a l y s i si n m u l t i p l es t a g ed u s tse p a r a t o r c a n d i d a t e ： s u p e r v is o r ： a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ： s p e c i a l i t y ： d a t eo fs u b m is s i o n ： d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： u n i v e r s i t y ： l it i e j u n p r o f s u nh a i o u m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m a r i n ee n g i n e e r i n g j a n u a r y ，2 0 1 0 m a r c h ，2 0 1 0 h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 6洲88帆70 8 哈尔滨工程大学 学位论文原创性l 声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：弄耐 日期：, 2 - o o 年3 月6 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 硪授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口解 密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：辱物衙 导师( 签字) ：0 商假凌舅 日期：d 夕io 年3 月# 日瑚护年多月占日 哈尔滨t 稗大学硕十学何论文 摘要 旋风除尘器是利用含尘气体旋转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，因结构简单，性能稳定等优点，被广泛应用于 化工、冶金、机械等各个领域的除尘过程。然而，由于其流体流动路线长， 压降较高，因此对旋风除尘器内的流场、压降、除尘效率开展进一步的研究， 并开发出新型的旋风除尘器是非常必要的。 本文以某型多级旋风除尘器为研究对象，根据实体测绘其结构尺寸，进 行气动性能数值仿真研究，掌握旋风除尘器的设计及性能预测技术，并分析 原设计思想提出合理的结构改进方案。 本文主要完成了以下几个方面的工作： 1 通过对原模型的数值模拟，获得了原模型的阻力特性和某一工况下不 同颗粒直径的除尘分离效率特性； 2 根据对数值模拟结果的分析，提出了四种改进结构，其数值模拟结果 表明，改进模型在性能上有所提高； 3 对第二级旋风除尘结构中的蜂窝状网孔进行了数值模拟，得到其阻力 特性，并利用多孔介质边界条件代替蜂窝状网孔结构，对除尘器进行整体数 值模拟： 4 利用某型多级旋风除尘器的实体进行实验研究，测量其在同一工况下 对不同颗粒直径沙尘的除尘效率，从而验证数值模拟的可靠性。 关键词：旋风除尘器；数值模拟：阻力损失；除尘效率；实验研究 哈尔滨t 程大学硕+ 学何论文 a b s t r a c t c y c l o n es e p a r a t o r , w h i c hm a k e su s eo ft h ec e n t r i f u g a l f o r c eg e n e r a t e db yt h e d u s t yg a st os e p a r a t et h ed u s tf r o mt h eg a sf l o w , i sd r y - t y p eg a s 。s o l i ds e p a r a t i o n e q u i p m e n t i ti sc o m m o nu s e di n c h e m i c a li n d u s t r y , m e t a l l u r g yi n d u s t r ya n d m e c h a n i c a le n g i n e e r i n gb e c a u s eo fi t ss i m p l es t r u c t u r ea n ds t a b l ep e r f o r m a n c e n e v e r t h e l e s s ，d u et ot h el o n gd i s t a n c eo ft h eg a sf l o wa n dh i 【g hp r e s s u r ed e s c e n d ， i ti sn e c e s s a r yt oi n v e s t i g a t et h ef l o wf i e l d ，p r e s s u r ed e s c e n da n dd u s ts e p a r a t i n g e f f i c i e n c yi n f u r t h e r a f t e rt h a t ，s o m en e wt y p ec y c l o n es e p a r a t o rc a nb e d e v e l o p e d i nt h i st h e s i s ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fa e r o d y n a m i c sp e r f o r m a n c e f o ra c y c l o n es e p a r a t o ri sc a r r i e do u ta c c o r d i n gt ot h e m e a s u r e m e n t sa n dd i m e n s i o n so f t h es t r u c t u r e t h ed e s i g na n dt h ep e r f o r m a n c ep r e d i c t i o na r ea n a l y z e da n dt h e i m p r o v e m e n to fd e s i g ni d e ai sp r o p o s e d t h ew o r kf i n i s h e df r o mt h et h e s i si sa sf o l l o w ： ( 1 ) t h er e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h ed u s ts e p a r a t ee f f i c i e n c yi nd i f f e r e n td u s t d i a m e t e r si nac e r t a i nw o r k i n gc o n d i t i o na r ea c q u i r e db a s e do nt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o no ft h eo r i g i n a lm o d e l ( 2 ) a c c o r d i n gt or e s u l ta n a l y s i so fo r i g i n a l m o d e ln u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，f o u r i m p r o v e ds t r u c t u r e sa r ep r o p o s e d a n d t h er e s u l to ft h es i m u l a t i o nr e v e a l st h a t t h ep e r f o r m a n c eo ft h ei m p r o v e dm o d e l sb e h a v i o rb e t t e r ( 3 1t h er e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i co ft h ec e l l u l a rn e ta n dh o l e ss y s t e mi ns e c o n d s t a g ec y c l o n ed u s ts e p a r a t i n gs y s t e m i sg o tb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n i n a d d i t i o n ，t h ep o r o n s m e d i u mb o u n d a r yc o n d i t i o n st a k e s t h ep l a c eo ft h e s t r u c t u r eo ft h ec e l l u l a rn e ta n dh o l e ss y s t e mt ob eu s e dt ot h en u m e r i c a l s i m u l a t i o no ft h eo v e r a l lc y c l o n es e p a r a t o r ( 4 ) t h ed u s ts e p a r a t ee f f i c i e n c i e st od i f f e r e n td u s td i a m e t e r s i nt h es a m ew o r k c o n d i t i o na l em e a s u r e df o ram u l t i p l es t a g ec y c l o n es e p a r a t o r a n di t i s 哈尔滨下程大学硕十学何论文 v e r i f i e dt h er e l i a b i l i t yo ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n k e y w o r d s ：c y c l o n es e p a r a t o r ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；r e s i s t a n c el o s s ；d u s t s e p a r a t ee f f i c i e n c y ；e x c r e m e n t a lr e s e a r c h 哈尔滨t 程大学硕+ 学何论文 皇暑胃暑置i i i 宣暑皇暑暑暑暑暑宣i i i i 置i i i i | 叠萱暑i ；i i i i ；i 昌暑i i i i i i i i i 暑暑置置置i 置暑昌暑暑| i i 宣i i 薯 目录 第l 章绪论1 1 1 引。占1 1 2 旋风除尘器的背景和发展2 1 2 1 旋风除尘器的发展概况2 1 2 2 旋风除尘器国内外研究现状3 1 3 课题研究的目的和意义4 1 4 旋风除尘器的基本结构与工作原理5 1 5 旋风除尘器的性能参数6 1 5 1 分离效率r 6 1 5 2 处理气量q 8 1 5 - 3 压力损失p 9 1 6 本文主要工作1 2 1 6 1 主要任务1 2 1 6 2 研究方法1 2 第2 章控制方程及数值方法1 4 2 1c f d 简介1 4 2 2f l u e n t 简介1 4 2 3 湍流模型15 2 4 数值模拟原理17 2 4 1 质量守恒方程1 7 2 4 2 能量守恒方程l8 2 4 3 动量守恒方程2 l 2 5 网格及生成技术2 3 2 5 1 网格类型2 3 2 5 2 网格单元的分类2 7 2 5 3 网格生成的过程2 7 2 6 控制方程的离散化方法2 8 2 6 1 有限差分法2 8 2 6 2 有限元法2 8 2 6 3 有限体积法2 9 2 7 本章小结3 0 第3 章数值模拟和计算结果分析3l 3 1 引言3l 3 2 实体模型及尺寸数据31 3 2 1 实体模型图片3l 3 2 2 实体模型尺寸数据与性能参数3 3 哈尔滨丁稃大学硕+ 学付论文 3 3 旋风除尘器的计算域结构与刚格划分3 5 3 4 边界条件的设定3 5 3 4 1 进出口边界条件及固壁边界条件3 5 3 4 2 多孔介质设定3 6 3 5 数值模拟结果与分析4 2 3 5 1 截面速度等值线分布4 2 3 5 2 截面总压分布4 5 3 5 3 局部速度及总压分布4 7 3 6 阻力特性与除尘效率5 1 3 6 1 计算结果分析5 l 3 6 2 原模型阻力特性5 l 3 6 3 原模型除尘效率5 2 3 7 本章小结5 5 第4 章模型改进后的数值模拟及结果分析5 6 4 1 改进模型的方案5 6 4 2 改进模型的数值模拟6 l 4 2 1 改进模型1 的计算结果分析6 l 4 2 2 改进模型2 的计算结果分析6 3 4 2 3 改进模型3 的计算结果分析6 4 4 2 4 改进模型4 的计算结果分析6 6 4 3 改进模型的阻力特性6 9 4 4 本章总结7 0 第5 章实验研究7 l 5 1 引言7 1 5 2 实验对象及设备简介7 l 5 3 除尘效率实验步骤及结果7 2 5 3 1 实验的准备7 2 5 3 2 实验的具体方法7 6 5 3 3 实验的结果7 7 5 4 本章小结7 8 结论7 9 参考文献8 0 致谢8 2 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 1 1 引言 第1 章绪论 粉尘是指在生产过程中产生并能较长时间悬浮在空气中的固体颗粒，从 卫生学角度可分为呼吸性粉尘和总粉尘。总粉尘通常是指粒径在1 0 0 1 t m 以下 的粉尘粒子，国际标准化组织在1 9 8 3 年修订的总粉尘浓度测定标准中规定， 粉尘采样器入口流速为1 - - 3 米秒时采集的尘粒均为总粉尘。我国1 9 9 6 年批 准实施的呼吸性粉尘国家卫生标准中对呼吸性粉尘作了如下定义：呼吸性粉 尘是指空气动力学直径均在7 0 7 9 m 以下，并且空气动力学直径5 p a n 粉尘的 采集效率为5 0 的粉尘。 粉尘的危害主要表现在两个方面：对人体的危害及发生粉尘爆炸事故。 粉尘对人体的危害主要是引起诸如尘肺等呼吸系统疾病，还可引起眼睛及皮 肤的病变；粉尘的爆炸事故是指具有爆炸危险性的粉尘悬浮在空气中，达到 爆炸浓度，当温度达到最小着火温度时发生爆炸的情况。 上世纪5 0 年代以来，随着工业的迅速发展，工业生产中产生的各种粉尘 已成为污染车间、空气和室外大气的主要污染物，也是引起尘肺等职业病的 根源。防尘工作是劳动保护和环境保护工作的主要组成部分，它的任务就是 通过采取措施，对尘源进行有效的控制和治理，不使粉尘散发到室内和室外 大气中，为广大职工和居民创造良好的劳动和生活环境，保障他们的身体健 康是从事防尘工作的科研、设计、工程技术人员和劳动保护、环境保护工作 者的崇高职责。 除尘器是控制和治理粉尘的主要设备，也是除尘系统中的核心设备，是 从含尘气流中将粉尘分离出来并加以捕集的装置。除尘器的发展己有一百多 年的历史，早期的除尘器主要用于回收粉状物料，因此除尘效率不高。2 0 世 纪6 0 年代以后，随着大气污染的日趋严重，生态环境日趋恶化，各国对环境 保护普遍重视，制定了严格的粉尘排放标准，从而促进了除尘技术的进一步 发展，特别是高效、新型除尘器的研制也得到了快速的发展。旋风除尘器是 工业中应用较为广泛的除尘设备之一，具有结构简单、造价低、内部没有活 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 动部件、维修方便以及耐高温、高压等特点，因此一直受到人们的青睐。目 前，旋风除尘器也广泛应用在人们的日常生活中，出现了许多世界知名的生 产企业，例如美国的科沃斯、德国的凯驰等。 1 2 旋风除尘器的背景和发展 旋风除尘器是一种使含有固体或液体颗粒的气体产生旋转，并依靠离心 力达到气固或气液分离的装置。由于它具有分离效率高、结构简单紧凑、操 作维护方便等优点，故被广泛应用于化工、冶金、采矿、轻工等众多领域。 1 2 1 旋风除尘器的发展概况 旋风除尘器自1 8 8 5 年摩尔斯申请专利投入生产到今天已有一百多年的 工业应用历史。在旋风除尘器出现的前半个世纪里，人们对其性能和机理并 未进行过分析研究，一直处于盲目使用阶段，因此其分离的最小粒径也一直 停留在4 0 6 0 岬的水平上。上世纪二十年代末至六十年代初，是广泛对旋 风类除尘器进行科学实验和理论概括阶段，1 9 2 8 年波罗克( p r o c k a c t ) 第一次对 旋风器进行了测定。从此，人们才开始对旋风除尘器进行系统的实验和理论 分析。1 9 4 9 年荷兰人特兰登( t e r - l i n d e n ) 对旋风除尘器内的流场进行了比较系 统的测定，为旋风除尘器理论的发展奠定了基础。罗辛( r o s i n ) 等人于1 9 3 2 年提出的转圈理论和巴特( b a r t h ) 于1 9 5 0 年提出的筛分理论是这一阶段的主 要理论成果1 。3 1 。 从上世纪六十年代初至今，旋风除尘器又进入了一个新的发展时期，人 们在对旋风除尘器内部流场及浓度场进行大量测试的基础上，对旋风除尘器 内部流场形式及除尘过程有了更加全面的认识，这就为旋风除尘器捕集微细 粉尘打下了理论基础。在此期间具有代表性的分离理论主要有以下三种：一 是1 9 7 2 年奈特( l e i t h ) 与李兹特( l i c h o 类比静电除尘器的分离机理，提出的紊 流掺混边界层理论，并提出了由此机理所得出的分级效率公式；二是d i e t z 于1 9 8 1 年将旋风除尘器分成三部分，并假设旋风除尘器各区域径向返混均 匀，得到的有限紊流掺混的三区域模型理论；第三个理论是1 9 8 8 年德国学者 2 哈尔滨下程大学硕十学位论文 m o t h e s 和l o f f l e r 以d i e t z 的三区域理论为基础，考虑了上、下流二区域间径 向紊流扩散以及底部灰斗粉尘返混的影响，从而提出的四区域模型理论。最 近的理论是1 9 8 9 年东北大学李恩良以d i e t z 理论为基础，根据紊流扩散的机 理，提出新的理论模型。以上各种理论，从不同角度出发，为旋风除尘器的 研究提供了理论基础。 目前，旋风除尘器的研究理论主要有转圈理论、筛分理论、边界层理论、 传介质理论等，各个理论都在一定的假设前提下建立了旋风除尘器性能计算 模型。在实际应用中，旋风除尘器在理论发展的基础上，其捕集能力有了很 大的提高。1 9 6 3 年，西德研制出d e l 旋风除尘器，此装置把捕集分离空间 移到旋源迭加的流场内，这种类型的旋风除尘器可捕集0 4 i - t m 的尘粒。19 7 5 年东德的一些科研部门采用电算的方法，把无量纲的量编成计算机程序，以 力求达到最佳的捕尘效果。此后，各种能捕集微细粉尘的旋风除尘器相继问 世。例如，美国的c o l l e c t r o n 日本的j e l e l o n e 以及r o l c o n e 等等，这些都说明， 已经把旋风除尘器的捕集分离能力推向超微细粒子1 4 - 5 1 。 1 2 2 旋风除尘器国内外研究现状 目前国内外的研究多数侧重于对其结构进行改进以改变旋风除尘器流场 的变化，或者是采用两种不同的除尘原理进行组合，再就是研究旋风除尘器 各结构参数对压力损失、除尘效率的影响。 国内学者的研究有：华北理工大学的张颖和高志采用c f d 软件中的商业 软件f l u e n t 6 1 2 2 分别对直切单双进口旋风除尘器进行数值模拟，表明 颗粒进口位置对颗粒的轨道有较大影响 6 1 。而且对直切单双切口旋风除尘 器的分级粒径分离效率作了对比，实验表明，直切双进口旋风除尘器分离效 果比直切单进口旋风除尘器分离效率高5 1 5 ；安徽工业大学建筑工程学 院的钱付平和东南大学的章明耀基于边界层理论改进了旋风除尘器分离效率 模型 t i 。浙江大学的易林和王灿星对旋风除尘器进行两项流场的三维数值模 拟，得出旋风除尘器内部的流场分为两部分：螺旋通道内比较稳定的流场和 通体中心区域的复合涡结构流场，计算出颗粒在入口处的初始位置对颗粒分 离有比较显著的影响，以及得到不同入口速度下颗粒的分级效率曲线，显示 哈尔滨丁程大学硕十学何论文 出气体流量的增加会提高除尘效率但同时导致压力损失的急剧增加【s 】。青岛 科技大学的曾伍兰，王伟文，王立新等，研制的环流式旋风除尘器，改变旋 风除尘器的结构，也改变了气流的路径【9 j 。内蒙古工业大学的王清华提出了 旋风除尘器结构改进的发展趋势- o 】。 1 3 课题研究的目的和意义 旋风除尘器发展已有一百多年的历史，在此期间，人们进行了大量的理 论分析与实验研究工作，但到目前为止，旋风除尘器在诸多方面仍需进一步 的研究。其原因主要是：第一，由于旋风除尘器内流场及粒子运动的复杂性， 使对旋风除尘器的研究尚未形成完整的理论，旋风除尘器的设计与性能的改 进依赖实验和经验，没有严格的数学模型可依据；第二，旋风除尘器的一些 主要缺点还没有得到圆满的解决，例如内旋涡气流所造成的能量损失、内旋 涡与外旋涡的掺混所造成的摩擦损失、撞击损失和掺混引起的粉尘的二次夹 带与返混；第三，旋风除尘器性能指标对其结构要求部分是相对独立的。总 之，其研究目的就是提高旋风除尘器的除尘效率和减少压力损失，而两者又 是旋风除尘器的一对主要矛盾，提高除尘效率往往伴随着压力损失的增加， 减少除尘器压力损失常常又伴随着除尘效率的降低。目前，已研制出了许多 性能良好的旋风除尘器，但这些研究对其结构本身没有做较大的改进，故除 尘器的压力损耗无明显改观，虽然也研制出了各种结构形式的减阻装置，但 大部分减阻装置由于其带来的各种负面效应而失去实际意义。 当前，我国能源及原材料供应日趋紧张，人们的环保意识也越来越强， 为了进一步实施可持续发展的战略，我们国家已经采取了一系列措施来严格 控制工业生产部门的颗粒物排放。虽然工业排放气的除尘方式主要有旋风除 尘器、静电除尘器、文丘里水膜除尘器和布袋除尘器等，但是后三种方式全 面推广却并不可行，除了经济上的原因外，技术上也有一定的困难，例如， 湿式除尘器的水处理问题，布袋除尘器内易发生的结露和糊袋问题，静电除 尘投资费用高，且不宜用于易燃易爆场所问题等，都限制了它们的推广应用。 所以随着应用场合特殊化( 例如在高温高压的环境下) 和结构微型化( 例如可吸 入颗粒物的采样) 等的发展趋势t i t ，旋风除尘器已显示了独特的不可替代的作 4 集微细粉尘( 5 岬) 的效率仍然不高，而有些微细粉尘如粒径大约为o 3 m 0 8 9 i n 的粉尘颗粒能沉积于人体肺部、支气管或血管中，导致人体病变，同 时在工业领域也产生一些细小颗粒，如洗涤机制造过程中的颗粒、高压流态 化中煤燃烧时产生的飞灰等。目前广泛应用的各种形式的旋风除尘器还难于 收集这种超细颗粒，而且日益严重的环境污染和资源浪费又迫使旋风除尘器 向高效低阻方向发展，因此研究开发小切割粒径的高效旋风除尘器的需要更 为突出。 日益严重的能源危机和环保问题迫使除尘器向低阻高效的方向发展。目 前广泛应用的各种结构的旋风除尘器其实际运行性能指标还远不能满足上述 要求，因此研制一种低阻高效的除尘器是当前环境科学研究的一项重要课题。 基于此，以目前已有的理论及实验研究为基础，本课题对某型旋风除尘器主 体结构进行研究，分析它的阻力特性和除尘效率的情况，并应用计算流体软 件模拟该除尘器在不同工况下的阻力特性和不同颗粒直径的除尘效率，然后 根据原模型结构的设计思想提出合理的改进方案，建立改进的模型并计算它 们的除尘效率和阻力损失，以达到高效降阻的目的，其中改进模型的最后一 个模型为改进模型的优点综合。 1 4 旋风除尘器的基本结构与工作原理 一般旋风除尘器的结构如图1 1 所示，图中显示了其内部的流动状态。 当含尘气体由进气口以较高的速度沿圆筒切线方向进入，气流由直线运动变 为圆周运动，产生旋流运动。向上的气流被顶盖阻挡返回，向下的气流沿除 尘器内壁呈螺旋形、朝向锥体自上而下的螺旋运动，通常称此为外旋气流。 含尘气体在旋转过程中产生惯性离心力，由于尘粒产生的离心力比空气黏性 阻力大很多倍，使尘粒产生径向远离旋转中心的运动，因此将尘粒甩向除尘 器壁面，粉尘粒子一旦与除尘器壁面接触便失去径向惯性力，而与气体相分 离靠向下的动量和重力沿器壁经锥体排入集灰箱内。旋转下降的外旋气流在 圆锥部分运动时随圆锥形收缩而向除尘器中心靠拢，根据旋矩不变原理，其 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 切向速度不断提高，粉尘粒子所受惯性离心力也不断加强。当气流到达锥体 下端某一位置时，即以同样的旋转方向从除尘器中部由下反转向上，继续做 螺旋形运动，构成内旋气流。最后净化气体经排气管排出，小部分未被捕集 的粉尘粒子也随之排出。 1 进气口、2 排气口、3 顶盖、4 圆筒体、5 圆锥体、6 集尘口 图1 1 一般旋风除尘器结构示意图 自进气口流入的另- d , 部分气体则向除尘器顶盖流动，然后沿排气管外 侧向下流动。当到达排气管下端时，即反转向上、随上升的内旋气流一同从 排气管排出。分散在这一部分气流中的粉尘粒子也随同被带走。 1 5 旋风除尘器的性能参数 评价一个旋风除尘器的性能主要从除尘效率、压力损失、处理气体流量 等方面进行综合考虑，但着重的评价指标是除尘效率和压力损失，即所谓的 “高效低阻 【1 2 l ，但在旋风除尘器的实际除尘过程中，除尘效率和压力损失 却是矛盾的，除尘效率的提高往往要以压力损失的增加为代价。 旋风除尘器的主要性能参数：表示分离效果的分离效率印，表示生产能 力的处理气量q ，表示能耗指标的压降p 。下面，将分别给予详细介绍： 1 5 1 分离效率叩 旋风除尘器的一个重要参数就是除尘效率，用于表征旋风除尘器的除尘 6 哈尔滨t 稗大学硕十学何论文 性能，除尘效率通常采用总除尘效率叩和分级效率似两种。旋风分离器的总 除尘效率瑁可表示为 ：ci一co100(1-r 1 0 0 1 ) 2 ，1 i ) 乙f 式中：g 为旋风分离器进口颗粒浓度，m g m 3 c o 为旋风分离器出口颗粒浓度，m g m 3 总除尘效率作为除尘器性能衡量指标受到很大局限性，它受尘粒大小的 影响很大，即使在同一装置、同一运行条件下，由于尘粒分散度的不同。其 性能也有显著的差别，而分级除尘效率是按粒径的不同分别表示的除尘效率， 是说明除尘器分离能力的一个比较确切的指标，能够更好的反映除尘器的性 能，对同一灰尘粒径的分级效率越高，除尘效果就越好。 现在已有的几种理论公式或半径公式可以计算分级效率，不过都存在一 定的局限性，常用的分级除尘效率似和粒径d 的经验关系式为l e i t h l i c h t 除 尘效率计算式。该计算是l e i t h 和l i c h t 通过分析前人的方法，基于径向返混 假设，以严密的数学理论推导出的。 其计算公式表示为： 1 ：1 - e x p i 一2 ) 击l ( 1 - 2 ) 式中：q 为修正的惯性系数，且： = 铬) 其中p c 为粉尘密度，单位k g m 3 r d 。为粒子直径，单位mr a 为气体粘度， 单位只s ；d o 为旋风除尘器简体直径，单位m r 刀为速度分布指数。 删一( 1 - 0 6 6 8 矿：( 爿3 m 3 ， 其中t 为旋风除尘器内空气的绝对温度，单位k ；c 为旋风除尘器形状 特性数，经推导得： 7 c = 制- 谢陪h e 射故警糟倒 + 去一( 去) 2 去一每) m 4 ， ，为旋风除尘器的自然长度；m 为即螺旋气流在芯管下面延伸至旋风除 尘器锥部气流自然返转处的距离，亚历山大( a l e x a n d e r ) 曾测定： m 埘。旧 ( 1 - 5 ) 虽然该计算公式几乎考虑了旋风除尘器所有几何参数对性能的影响，与 实测值比较符合，且理论性较强，但是它也存在一定的局限性，不能精确的 确定各种旋风除尘器的实际分级效率。所以，目前实际中多依靠试验给出具 体分级效率曲线。 根据大量试验测定，不管是旋风或其它除尘器，其分级效率均可表示为： r ，= 1 - e x p ( - 吐”j ( 1 - 6 ) 式中：a 为特性系数：d e 为粉尘粒径，单位m ；m 为旋风除尘器的特性 指数。 当r ，= 5 0 ，畋= d c ，o 代入式( 1 - 6 ) 中，经推导可得： a = i n 2 以o = 0 6 9 3 2 碟。 式中：吐，。为分割粒径，单位m 。 将式( 1 7 ) 代入式( 1 - 6 ) 即得： r ，= 1 - e x p 一0 6 9 3 2 伍吐如) m l ( 1 - 7 ) ( 1 8 ) 一般，旋风除尘器的a 值越大，其除尘效率越高；聊值越大，反映出粒 径大小对其相应的分级效率的波动影响越大( 即分级效率曲线越陡) 。因此， 指数a 和川是衡量旋风除尘器技术性能的重要参数。 1 5 2 处理气量q 处理气体流量是代表旋风除尘器处理气体能力大小的指标，一般以体积 8 哈尔滨丁稃大学硕+ 学何论文 流量表示。实际运行的分离装置，由于漏气等原因，旋风分离器的进口和出 i ：1 的气体流量往往不同，因此，宜用两者的平均值代表处理气体流量，用q 表示【1 3 l ，即： q ：毕( 1 - 9 ) z 式中：q 为旋风除尘器处理气体流量，m 3 1 1 ； q 为旋风除尘器进口气体流量，m 3 l l ； q d 为旋风除尘器出口气体流量，m 3 h 。 旋风除尘器的漏风率万可用下式计算： 艿：q , - 0 0 1 0 0 ( 1 - 1 0 ) 1 5 3 压力损失p 旋风分离器的压力损失是评定其性能的另一个重要技术指标，它表示气 流通过旋风分离器时的压力损失，是衡量分离器能耗和运转费用的一个重要 指标。 它主要包括以下几个方面： 1 在旋风分离器进口，气体与导流叶片及叶轴摩擦所产生的能量损失； 2 在旋风分离器内部，气体与器壁摩擦所产生的能量损失； 3 在旋风分离器内部，气体自身旋转所产生的动能耗损； 4 气体进入旋风除尘器内，因膨胀或压缩而造成的能量损失； 5 进出口的静势能损失； 6 排气口内摩擦损失等。 通常，压力损失用分离器进、出口平均总压之差来表示，即 p = 只一只( 1 1 1 ) 式中：只为旋风分离器进口平均总压，p a ； 为旋风分离器出口平均总压，p a 。 全压( p ) = 静压( p z ) + 动压( p d ) ( 1 1 2 ) 9 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 其中，静压是单位体积气体所具有的势能，是趋于将气体加压或减压的 一种力的作用；另一方面静压又表现为气体在各个方向上作用于管壁上的压 力。静压与空气流动无关，它可以高于周围的大气压( 正压) ，也可以低于大 气压( 负压) 。 动压是单位体积气体所具有的动能，是趋于使气体由静止加速到给定的 流速或使气体由运动趋于静止的力的作用，动压仅作用于气体的流动方向。 恒为正值。动压是以流速的形式表现的，因而又称速度压，它与流速的关系 为： 匕；兰y ( 1 1 3 )匕= y( 1 一1 3 ) 凹- 【( 胁+ 丢删跣+ 丢小嘞也) o 】+ ( 警) 厂 ( 1 - 1 4 ) 式中：只、艺为旋风除尘器进、出口全压( m m h 2 0 ) ； ( 芝) ，、( 巴) 。为旋风除尘器进、出口静压( m m h 2 0 ) ； ( 易) 。、( 尸d ) 。为旋风除尘器进、出口动压( m m h 2 0 ) ； u 、为旋风除尘器进、出口速度( r i l s ) ； ，为气体重度( k g m 3 ) ； g 为重力加速度( m 2 s ) 。 对于进、出口截面相等的旋风除尘器，1 ，= v 。，所以 a p = ( p z ) ，一( p z ) 。( 1 - 1 5 ) 即压力损失可用进、出口静压差来表示。 在压力损失的计算中，常引进一个阻力系数号。定义为旋风除尘器的压 力损失与进口动压头之比。即： 善= 而a p ( 1 - 1 6 ) 所以 凹：善芝y ( 1 - 1 7 ) 式中： 孝为阻力系数；p 为旋风除尘器压力损失( m m h 2 0 ) i 其它符号同 哈尔滨下程大学硕十学位论文 1 日uo 由于旋风除尘器内的流场非常复杂，虽然不断的有许多科学家提出有关 阻力系数的计算公式( 见表1 1 ，为非常典型的阻力系数计算公式) ，但这些 理论或经验的压力损失系数计算公式均具有一定的局限性，为此，目前旋风 除尘器的压力损失系数均通过实验确定。 表1 1阻力系数计算公式 作者公式 孝“等 s h e p h e r d 标准切向进口k = 1 6 有进口叶片k = 7 5 螺旋面进口 k = 1 2 ， 。 口b f i r s t 孝= 一 d 。2 心、 掣r a l e x a n d e r 纠舶剐时一+ 偿丌 s t a i r m a n d 纠叫2 掣 + 2 ( 射 b a r t h 善= 訾始4 a b ：2 也训 表中：口为入口高度( m ) ；6 为入口宽度( m ) ；h 为总高度( m ) ；h 为筒体 高度( m ) ；d o 为简体直径( m ) ；d 。为排气芯管直径( m ) ；1 1 为速度分布指数。 哈尔滨t 程大学硕+ 学何论文 1 6 本文主要工作 1 6 1 主要任务 目前广泛使用的各种结构的旋风除尘器实际运行的性能指标还远不能满 足上述要求，因此研制一种低阻高效的除尘器是当前环境科学研究的一项重 要课题，对旋风除尘器的发展有着极为深远的意义。本文的具体工作如下： 1 以某型多级旋风除尘器为例，对旋风除尘器的内部流场进行模拟，同 时对原模型进行不同颗粒直径的沙尘分离效率计算； 2 并根据计算结果对内部结构进行相应优化改进：并通过数值计算绘制 各模型在不同工况下的阻力特性曲线； 3 利用多孔介质边界条件对内部较复杂的蜂窝网孔结构进行简化，以对 旋风除尘器进行整体数值仿真； 4 对某型多级旋风除尘器进行沙尘分离效率实验，测量其在同一工况下 对不同颗粒直径沙尘的分离效率。 1 6 2 研究方法 从1 7 世纪末到1 9 世纪末，在实验研究的基础上，流体力学理论得到了 极大的丰富和发展，建立了流体运动所遵循的、普遍而精确的n a v i e r - s t o k e s 方程( 简称n s 方程) 。2 0 世纪初，理论流体力学和实验流体力学都获得了极 大的发展1 1 1 。 但是由于n s 方程是非线性方程，实际的流动问题又极其复杂，单纯凭 借理论研究，只有极少数的问题可以得到解答：另外，实验流体力学在方法 和技术迅速发展的同时，也遇到了实验研究费用高昂和场地、安全等要求限 制的问题。在这种情况下，解决流动问题的实际需要促成了计算流体力学的 诞生和发展。 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 所谓计算流体力学就是利用数值方法通过计算机求解描述流体运动的数 学方程，揭示流体运动的时空物理特征。计算流体力学的兴起促进了理论分 析方法和实验研究的发展，为简化流动模型的建立提供了更多的依据，使很 多分析方法得到发展和完善，而且尤为重要的是计算流体力学采用它独有的 研究方法数值模拟方法研究流体运动的基本物理特性1 1 5 1 。 计算流体力学方法的特点如下： 1 它给出的是流体运动区域内的离散解，而不是解析解； 2 计算流体力学的发展与计算机技术的发展直接相关； 3 如果能够正确的给出实际物理问题的数学提法( 如数学方程及其相应 的边界条件) ，就可以在较广泛的流动参数( 如马赫数、雷诺数等) 范围内研究 流体力学问题，并且能给出流场参数的定量结果。这是风洞实验和理论分析 难以做到的，当然，要建立正确的数学方程还必须与实验研究相结合。 1 3 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 第2 章控制方程及数值方法 旋风除尘器内部流场具有非均匀性和各项异性的特点，国内外研究人员 对旋风除尘器数值模拟研究大多采用雷诺时均的k - e 模型，但是也有少数使 用r s m 模型获得令人满意的计算结果。在研究过程中，采用合理的假设有 利于简化计算、节省人力、物力资源。除尘器内部存在着两相流动，由于颗 粒相的体积浓度很低，颗粒相对气相作用往往被忽略掉。求解两相流常用的 方法就是首先求解气相运动方程，然后在此基础上求解颗粒运动方程，也就 是常说的欧拉拉格朗日模型。 2 1c f d 简介 计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 是采用数 值方法直接求解描述流体运动基本规律的非线性数学方程组，通过数值模拟 方法研究流体运动规律。c f d 的基本思想可以表述为：把原来在时间域及空 间域上连续物理量的场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替， 通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间的关系代数方程 组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。c f d 可以看成是在流动基本 方程控制下对流体的数值模拟。通过这种数值模拟，可以得到极其复杂问题 的流场内各个位置上基本物理量的分布，以及这些物理量随时间的变化情况， 可以据此算出其他相关物理量，还可以将c f d 技术与c a d 技术相结合进行 结构优化设计等。 2 2f l u e n t 简介 f l u e n t 软件是由美国f l u e n t 公司于1 9 8 3 年推出的c f d 软件。目前，f l u e n t 软件是功能最全面、适用性最广、国内使用最广泛的c f d 软件之一。它是由 1 4 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 f l u e n t i n e 利用c 语言开发的一种适用于分析流体流动、热传导的模拟计算软 件c f d 软件。f l u e n t 的软件设计基于“c f d 计算机软件群的概念 ，针对每 一种流动的物理问题的特点，采用适合于它的数值解法在