基于CFD的旋风除尘器分离效率的数值模型研究

摘要

旋风除尘器作为一种干式气-固分离设备，广泛用于化工、石油、冶金、建筑等工业部门。工业水平的发展和环保要求的提高对旋风除尘器的效率和能耗方面提出了更高的要求。在以实验和经验公式为主的传统研究方法不能满足设计要求的前提下，基于计算流体动力学(简称CFD)的研究方法已成为开发高效除尘器的重要途径。但目前应用CFD对旋风除尘器的分离性能所做的具体研究还不成熟，国内外也没有统一、系统的分析计算方法。鉴于此，本文对旋风除尘器内部流场进行了数值模拟，并将计算得出的速度流场与实验数据进行了比较，在获取可靠流场后，详细分析了除尘器入口气流的运动轨迹，得出了旋风除尘器顶部“尘环”产生的机理；总结出粉尘在进气口的不同进入位置对除尘器分离性能的影响，并进行了实验分析，提出了相关的改进措施：采用确定轨道模型对分离器内固体颗粒的运动进行了模拟，提出了计算除尘器分离效率的“集群算法”的概念：在考虑颗粒与壁面的碰撞效果上，运用CFD数值模拟技术并结合正交数值实验方法，分析并确定了除尘器内粉尘与壁面碰撞作用最为剧烈的部位，继而提出了“壁面因子集群算法”并与前者的计算结果进行了比较；采用随机轨道模型对颗粒在湍流作用下的运动进行了模拟，通过分析湍流对颗粒的脉动作用以及概率因素，提出了“概率加权算法”并进行效率的计算；结合实验所测分离效率，对以上三种方法得出的效率进行了误差分析，并总结出其运用的范围、所需条件及发展方向。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1旋风除尘器的发展概况

1.1.1旋风除尘器理论模型的发展

1.1.2旋风除尘器结构的改进

1.2 CFD技术在旋风分离器中的发展及研究现状

1.2.1 CFD的概念及特点

1.2.2旋风分离器中CFD技术的发展

1.2.3旋风除尘器数字模拟的研究现状

1.3本文研究的目的和主要任务

1.3.1本文研究的目的

1.3.2主要任务

1.4本章小节

第二章旋风除尘器概述

2.1旋风除尘器的工作原理和气体流动概况

2.1.1工作原理

2.1.2旋风除尘器的气流流动

2.2.旋风除尘器的临界粒径与分离理论

2.2.1旋风除尘器的临界粒径

2.2.2沉降分离理论

2.2.3筛分理论临界粒径公式

2.2.4边界层理论临界粒径公式

2.3旋风除尘器的除尘效率

2.3.1分级除尘效率

2.3.2总除尘效率

2.4旋风除尘器的压力损失

2.5影响旋风除尘器性能的主要因素

2.5.1几何尺寸因素

2.5.2操作条件因素

2.5.3固体粉尘的物理性质因素

2.6本章小结

第三章CFD原理及软件简介

3.1 CFD原理

3.1.1CFD概述

3.1.2 CFD控制方程

3.1.3控制方程的离散

3.1.4数值计算

3.1.5 CFD求解过程

3.1.7 CFD特点及应用

3.2 CFD软件简介

3.2.1常用CFD软件

3.2.1 FLUENT软件简介

3.3本章小结

第四章旋风除尘器流场的数值模拟及可靠性验证

4.1计算模型的确定

4.2网格的划分

4.3边界条件

4.3.1入口边界

4.3.2出口边界

4.3.3壁面设置

4.4数值计算方法

4.5数值模拟结果分析

4.5.1模拟结果可靠性验证

4.5.2涡流分析

4.5.3气流运动分析

4.4本章小结

第五章颗粒运动轨迹的数值模拟计算

5.1单颗粒的确定轨迹方程

5.2颗粒随机轨道模型

5.3颗粒与壁面之间的碰撞

5.4壁面边界设定

5.5颗粒确定运动模拟计算

5.5.1颗粒运动轨迹分析

5.5.2理论分离效率计算

5.5.3分离效率的集群算法

5.5.4集群算法的壁面因子修正

5.5.5集群算法小结

5.6颗粒的随机运动模拟计算

5.6.1颗粒在湍流作用下的脉动现象

5.6.2分离效率的概率加权算法

5.7本章小结

第六章实验分析

6.1实验目的

6.2实验原理

6.3实验装置

6.4实验方案

6.5实验结果分析

6.5.1系统运行参数

6.5.2分离效率计算

6.5本章小结

第七章结论及创新展望

7.1本文结论

7.2创新点

7.3展望

致谢

参考文献

附录 各粒径单区效率统计表

发表论文清单