粉尘在通风除尘管道内沉积行为的研究

摘要

粉尘输送系统已经得到了广泛的应用，其技术研究也已经得到越来越广泛的重视，但是由于输送过程中流体运动的复杂性，在粉尘输送的研究中存在很多目前尚无法克服的困难。实验研究和理论研究是当前粉尘输送研究的两种方法。这两种方法都存在局限性，例如在实验研究中，许多参数的计算都依靠实验建立的经验公式，因而得到的结论具有局限性，一般只比较适用于某种特定实验条件，很难得到普遍的计算公式。而在理论研究中，由于推导过程中采用了大量的简化而缺乏精确性。因此，本文在理论研究的基础上对固体颗粒在管道中的输送过程进行了模拟研究，揭示固体颗粒的运动规律及在管中沉积率，寻找减少降低固体颗粒在粉尘运输中沉积率和预防管道堵塞的办法。 本文介绍了采用数值模拟方法所需要的计算流体力学的理论知识和计算程序，建立了计算所用的管道几何模型，在流体计算域中划分了结构性网格，然后讨论了湍流模型的选用，成功地将雷诺应力模型应用于大量颗粒在管道中运动的计算，计算结果与相关实验文献比较一致，比实验更加生动地展示了颗粒的运动轨迹。 为了完成管道内气固两相流的模拟和沉积率的预测，文中采用了处理气固两相流的基本模型—DPM离散相模型。利用CFD商业计算软件在拉格朗日坐标系中，用离散相模型计算了两种不同的颗粒群运动轨迹，并利用软件外端接口C语言编程来计算沉积率。数值计算结果显示，输送过程中的压力分布图、浓度分布图和速度矢量图等直观地显示了粉尘输送过程中的流场变化情况。将模拟结果和相关文献实验结果作了对比，发现两者吻合较好，说明该模型具有较好的准确性和预测能力。同时本文对管道层流支层中二次扬尘临界粒子直径与输送风速的关系做了理论推导。 气固两相流动理论是本文基础，利用计算流体力学方法对粉尘输送中固体颗粒的颗粒群运动轨迹及两相的流体力学特性进行了一些探讨，得到了一些有意义的结果。研究结果表明，研究粉尘输送过程中颗粒沉积的数值模拟是成功的，能够补充实验研究和理论研究的不足，对提高粉尘输送技术水平具有积极作用。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题背景

1.2研究现状及发展

1.3课题的提出及主要研究内容

1.4文献综述

第二章除尘系统中的粉尘输送及粉尘沉积机理

2.1工业建筑通风除尘系统的组成

2.2粉尘的分离机理

2.2.1重力沉降

2.2.2阻力系数

2.2.3离心沉降

2.2.4离心沉降速度

2.2.5粉尘的惯性分离

2.2.6粉尘的静电(力)分离

2.2.7扩散分离

2.2.8热力沉淀作用

2.2.9凝聚作用

2.3影响沉降速度的因素

第三章气固两相研究

3.1气固两相流动模拟

3.2颗粒轨道模型

3.3双流体模型

3.4气固两相间的作用力

3.5颗粒间相互作用

第四章计算流体力学的应用

4.1计算流体力学的发展

4.2 CFD计算软件介绍

4.3.ANSYS CFX软件简介

4.4 CFD的求解过程

4.5本章小结

第五章湍流模型

5.1气固两相的时均方程组

5.2气固两相的时均方程组

5.3湍流能和湍动能耗散率方程

5.3.1 Reynolds应力输运方程

5.3.2气相湍流能和耗散率方程

5.3.3颗粒相湍动能和耗散率方程

5.4模型相关项的计算

5.5控制方程组

5.5.1气相通用控制方程

5.5.2颗粒相通用控制方程

5.6确定湍流参数

5.6.1湍流参数的计算式

5.7方程的离散化

5.8基于SIMPLE算法的流场数值计算

5.9本章小结

第六章离散相模型

6.1 DPM离散相模型简介

6.2离散相模型的求解过程

6.2.1稳态问题的求解步骤

6.2.2非稳态问题的求解步骤

6.3颗粒运动方程

6.3颗粒所受的其它作用力

6.3.1旋转参考坐标系下颗粒受到的作用力

6.3.2 Saffman升力

6.4湍流流动中颗粒的随机轨道跟踪

6.4.1湍流流动的颗粒群跟踪

6.5轨道方程的积分

6.6颗粒的湍流扩散

6.6.1随机轨道模型

6.6.2积分时间

6.6.4随机游走模型(Discrete Random Walk(DRW))

6.6.5颗粒群(颗粒云)模型

6.7颗粒磨蚀与沉积

第七章数值模拟及分析

7.1网格的划分

7.2设定边界条件

7.3模拟结果

7.3.1碳酸钙细粉末模拟

7.3.2碳酸钙粉末输运过程中压力变化

7.3.3碳酸钙微粒在管道中的运动

7.3.4碳酸钙粉在管道中的沉积

7.3.5钢屑模拟结果

7.3.6钢屑粉末输运过程中压力变化

7.3.7钢屑颗粒在管道中的运动

7.3.8钢屑粉末在管道中的沉积率

7.4粗颗粒碳酸钙粉尘运动规律

7.5达拉法里(Dalla Valle)实验的模拟

7.6粉尘沉积浓度的分布

7.6.1粉尘高浓度沉积点的分布规律

7.7关于管道内二次扬尘研究

7.8本章结论

第八章结论和创新点

8.1本文结论

8.2本文创新点

参考文献

致谢

附录