基于fluent软件的旋风除尘器优化设计.docx

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摘要
旋风除尘器是一种重要的气-固分离设备,因为其结构简单、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正确,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,随着经济增长及国家对环境保护日益重视,工业生产中,迫切需要一种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,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、不同进气口形状、不同直管长度等操作与结构参数对分离性能的影响;釆用Fluent软件进行数值模拟,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。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。
关键词:旋风除尘器;优化设计;数值模拟;Fluent
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ABSTRACT
Cyclonesepaiatorisanimportantgas-solidseparationequipment,whichhasmanyadvantages,suchassmiplestmcture,compactequipment,easytomanufactiiie,relativelylow-,chemicalindustiy,,metalluigy,,becauseofumeasonablestmctuiedesignandsizematcluiigfactors,.
Atpresent,withtherapidgrowthoftheeconomyandpayingmoreattentiontoenvuomnentalpiotection,,,peoplecan',Foiexample,differentinletparticleconcentration,diffeientinseildepthandinletshape,,basedontlieresultsof3Dflowfieldnumeiicalsunulation,,ithassignificantapplicationvaluemtheengineenngapplicationandtheoreticalleseaicli.
KeyWOrdsiCvclonesepaiator;Optimizationdesign;Numericalsmiulation;Fluent
目录
第一章绪论1


第二章旋风除尘器的分离理论与性能分析3





第三章CFD原理15
CFD简介15



CFD中的三维湍流模型18
CFD求解过程18
第四章STAIRMAND型旋风除尘器的流场模拟20
STAIRMAND型旋风除尘器结构尺寸的确定20
FLUENT流畅模拟21
第五章OC型旋风除尘器的结构设计及流场模拟27


OC型旋风除尘器的除尘机理30
OC型结构设计31
OC型旋风除尘器流场模拟34
第六章结论与展望40


致谢43
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第一章绪论
旋风除尘器自从应用于工业生产以來,己将近有百余年的历史。但是因为其结构设计尺寸不合理等因素限制了除尘效率的提高,并且能耗很大。当前,因为国民经济的不断增长,国家提出了“节能减排”战略,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,釆用优化设计和数值模拟优化相结合的研究方法,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,通过经验公式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,对其内部气相流场进行了数值模拟,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直径等对分离性能的影响;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。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。

随着工业的迅猛发展,操作条件变的更为苛刻,工作环境变得更为复杂,对旋风除尘器性能的要求也在一直提高。一方面要求旋风除尘器具有更高的分离效率;另一方面要求旋风除尘器的压力损失进一步减小,以降低能耗。所以,迫切需要研制出高效能且低能耗的新型旋风除尘器。通常是采用具有针对性地开发新结构或优化各部分尺寸的方法,来减少不利因素的影响,以达到高效除尘的目的。但由于旋风除尘器的分离捕集过程是一种极为复杂的三维、气-固湍流运动,致使给理论与试验研究造成很大困难,至今仍无法全面掌握其内部流场的分离规律,更不能从理论上建立一套完整的数学模型来指导旋风除尘器的设计工作,从而使得旋风除尘器在除尘过程中往往因结构设计不当、尺寸匹配不合理、能耗较高等问题影响旋风除尘器的除尘效果。
希望本文的研究能为今后在旋风除尘器的优化设计和分离特性研究等方面,提供一些有意义的参考和理论指导。

本课题以旋风除尘器为研究对象,釆用理论分析、优化设计、数值模拟及对比验证的研究方法,从结构尺寸优化和内部三维强旋转流场数值模拟两方面來进行深入的研究与分析。为此,主要展开以下的研究工作:
针对目前旋风除尘器结构设计中存在的问题,引入优化设计思想,通过变量的选取、
目标函数及约束条件的确定,建立优化设计数学模型。
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(2)以优化出的旋风除尘器为研究对象,利用CFD商业软件FLUENT对其进行三维流场的数值模拟研究,并建立一套适合旋风除尘器内部流场模拟的数值计算方法。
(3)在三维气固两相流场的基础上,重点考察分析入口颗粒浓度参数对旋风除尘器分离性能的影响。
(4)通过对优化型旋风除尘器的数值模拟研究,进一步考察分析优化型旋风除尘器的分离性能及提出的优化设计方法的可行性。
⑴展开。

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第二章旋风除尘器的分离理论与性能分析

旋风除尘器主要由筒体、圆锥体、进气管、排气管和排灰管等五部分组成,旋风除尘器的工作过程是:
•进气口;2•排气口;3•筒体;4•旋流;5•锥体;
当含尘气流从进气口以较高的切向速度(一般为12-2511VS)进入旋风除尘器圆筒部分后,气流将由直线运动变为圆周运动,并沿内外圆筒间的环路空间和锥体部位做自上而下的螺旋线运动,称外旋流。
含尘气流在旋转过程中产生很大的离心力,由于尘粒的惯性远大于空气,因此密度大于空气的尘粒会被甩向器壁。尘粒一旦与器壁接触,碰撞,便失去惯性力而靠入口速度的动量和重力沿壁面下落,与气体分离,最后经锥体底部排入灰斗内。旋转下降的外旋气流在圆锥部分运动时,随圆锥形体的收缩向除尘器中心靠拢。根据“旋转矩”不变原理,其切向速度不断提高,尘粒所受离心力也不断加强。当气流到达圆锥体某一位置时,便以同样的旋转方向形成一股由下而上的螺旋线运动,称内旋流。最后净化的气体经排气管排出,一部分未被捕集的尘粒也由此逃逸。旋风除尘器内的实际气流运动是非常复杂的,除了切向和轴向运动外,还有径向运动。如在外旋流有少量气体沿径向运动到中心区域,在内旋流也存在着离心的径
向运动现象。
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根据旋风除尘器的工作过程,除尘器内部的气体流动可以看成是一个旋涡运动,其内部的气-固两相流运动是非常复杂的。含尘气流在旋风除尘器内作旋转运动时,任何一流体质点的速度矢量均可分解为三个速度分量,即切向速度径向速度%,轴向速度Vj2]o
对粉尘颗粒捕集分离起主导作用的速度分量是切向速度匕,径向速度必。前者产生径向加速度Vr/r,使粉尘颗粒在半径方向具有由里向外的离心沉降速度!使得颗粒与圆筒壁而被分离;后者是把粉尘颗粒在半径方向由外向里推到中心涡流,而后随上升流从排气管逃逸。这是旋风除尘器内流场中三个速度分量中的一对主要矛盾,称为主流。另外,径向速度K与轴向速度也构成一对矛盾,也影响着除尘器的除尘效率,称为次流。除了上面描述的主流与次流,还有不少我们不需要的涡流,它们对旋风除尘器的除尘效率和压力损失影响较大,主要有以下儿种:
短路涡流
在旋风除尘器顶盖、排气管外壁与简体内壁之间,由于径向速度与轴向速度的存在,将形成局部上涡流,夹带着相当数量的粉尘颗粒向中心流动,并沿着排气管外表面下降,最后随上升流逃逸排气管,从而降低除尘效率。
夕卜旋流中的局部涡流
由于除尘器壁面的不光滑,如突起、焊缝等,可产生与主流方向垂直的涡流。尽管强度较小,但这种涡流会使已被甩到壁面的颗粒重新卷到内旋流中去,英至可使较大的尘粒也被带出排气管,降低了旋风除尘器的分离能力和除尘效率。
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纵向旋涡流
纵向旋涡流是以旋风除尘器内、外旋流分界面为中心的器内再循环而形成的纵向流动。由于排气管内的有效流通横截面积小于排气管下端口的有效横截面积,因此在排气管下端口处产生“节流”效应,从而使气体对大颗粒的拖曳力超过颗粒所受的离心力,造成“短路”,进而影响分离性能。
底部夹带涡流
外层旋流在锥体底部向上返转时,也可以产生局部涡流将粉尘颗粒重新卷起,形成二次夹带。底部夹带的粉尘量占从排气管带出粉尘总量的20%-30%。因此,釆用合理的结构设计,以此来减少底部夹带是改善旋风除尘器除尘效率的重要方面。

转圈理论[2】
转圈理论也可以称为沉降分离理论,是在类比重力沉降室的沉降原理的基础上发展起來的。。
在沉降室中,粉尘在自身重力作用下以速度%向下沉降,同时粉尘乂以水平速度V。向前移动,只要沉降室有足够的长度厶,则粉尘颗粒就能在到达沉降室出口前,沉降到底板而被分离。即沉降室的长度三与尘粒在沉降室内的沉降高度力应满足下列关系式:
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(2-1)
0」,
%Vo
式中,f——尘粒在沉降室内停留时间,单位S。
旋风除尘器也有径向向外的离心沉降速度,也有旋转切向速度,如果旋转圈数足够多,即展开后的长度相当于水平沉降室的长度厶,则粉尘就能从排气管外壁与圆筒内壁间的环形空间被分离。依据转圈理论,把进入除尘器内的气流假定为等流速(速度分布指数H=0)o而尘粒随气体以恒定的切向速度(与位置变化无关)由内向外克服气流对它的阻力,穿过整个气流宽度,流经一个最大的净水平距离,最后到达器壁被分离。忽略颗粒间的相互作用及边界层的效应,则计算出的临界粒径丛。。为:
dioo=
nNV^-p)=3
叭Do—R)
nNViDo(pP-p)
(2-2)
式中,dioo临界粒径,m;Ls气流总高度,m;
戸气体粘度,nVs;Do旋风除尘器筒体直径,m;
V,——切向速度,ni/s;Pp——粉尘颗粒密度,kg/i£;
p——气体密度,kg/m3;R——气体平均旋转半径,m:
N——气体旋转圈数。
由于该理论只适用于圆柱段部分,而实际气流旋转要延伸至锥体底部,因此该理论与实际偏差较大。
(2)筛分理论⑵
筛分理论乂称平衡轨道理论,是一个更为简化的分离模型。其分离机理是:假想在旋风除尘器的排气管下方有一柱面,含尘气流做旋转运动时,在该假想面上的尘粒在径向方向上同时受到方向相反的两种力,即有旋涡流产生的离心力Fz,使尘粒向外移动,乂有汇流产生的向心阻力w使尘粒向内漂移。离心力的大小与粉尘颗粒的直径有关,直径越大离心力越大,因而必定存在一临界粒径尔,使得Fz二W,从而使尘粒受力平衡。凡粉尘粒径d〉dc•者,向外推移的力Fz大于向内飘逸的力W,结果被推移到除尘器外壁而被分离出來;相反,凡粒径dVdr的粉尘颗粒则被带到上升流的核心部分,随着内涡旋排出除尘器。由于各种原因的存在,平衡状态将随时被破坏。如果上述两种情况出现的概率相等,即尘粒有50%的可能性被捕集分离,也有50%的可能性进入内涡旋而逃逸,此时粉尘颗粒的分离效率为50%o通常把分离效
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率为50%的分割粒径用竝表示。
粒径为的粉尘颗粒所受的离心力W为:
兀Ppd肌
Fz=
6厂2径向向心阻力W可用斯托克斯公式表示:
W=3兀卩VR?dp
在内、外涡旋的交界面上有Fz=W,即
(2-3)
(2-4)
则分割粒径dc50为:
=3njnVrdc
(2-5)
_卩8“匕上
讦F
式中,pP尘颗粒密度,kg-ln3o
“;
/2交界面半径,m;
V/2交界面处气流的切向速度,m/s;
Vr2交界面处气流的径向速度,111/s;
dc50分割粒径,m。
(2-6)
筛分理论虽然考虑了汇流的存在,弥补了转圈理论的缺点,但在计算汇流速度时视为等速,这与实际情况有一定误差。所以该理论也具有一定的局限性。
(3)边界层分离理论
筛分理论没有考虑紊流扩散等影响,而这种影响对于细粉尘颗粒是不容忽视的。上世纪七十年代,LeithftLicht类比静电除尘器的分离机理提出了紊流横向混掺模型,认为在旋风除尘器的任一横截面上颗粒浓度的分布是均匀的,而在靠近圆筒壁处的分界层内是层流运动,只要颗粒在离心力作用下进入此边界层内就可以被捕集分离下來,这就是边界层分离理论【I
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