强湍流场的数值模拟及旋风除尘器的结构优化

摘要

本文利用计算流体动力学商业软件FLUNET数值模拟了环流式旋风除尘器的气相流场和气固两相流场，分析了环流式旋风除尘器的流场状况，颗粒运动轨迹及其影响除尘效率，压力损失的因素。在此基础上，对不同环隙尺寸、不同外筒高度的环流式旋风除尘器的流场进行分析研究，总结出环隙尺寸及其外筒高度对环流式旋风除尘器三维流场和分离性能的影响规律，为环流式旋风除尘器的结构优化设计提供进一步的参考，为解决亚微米粉尘的分离问题提供科学的理论依据。所做的主要研究工作有:
　　(1)采用计算流体力学软件FLUENT6.2，基于雷诺应力湍流模型，分析环流式旋风除尘器中的速度场分布，压力场分布和湍流场分布情况。结果表明:旋风除尘器切向速度的对称性比较好，最大切向速度位于内筒壁附近区域，中心速度较小，进气口以上部分，一次分离区轴向速度方向全部向上;静压，动压，总压对称性较好;静压和总压随着半径的减小而减小，在中心涡核处的值达到最低，静压和总压压力梯度沿轴向基本没有变化;在锥体与直筒段相接处湍动能最大。
　　(2)在气相流场的基础上，用相间耦合的随机轨道模型对固体颗粒运动轨迹进行了考察，并把不同粒径颗粒的分离效率的模拟值与实验结果进行比较分析。结果表明:颗粒的运动状态是非常复杂的，并且带有很大的随机性。当粒径较小时，分离效率随着粒径的增大而增大;当粒径较大时，分离效率随着粒径的增大先减小后增大，模拟得到的不同粒径的分离效率曲线与实验值走向相吻合。
　　(3)在相同的操作参数下，分析环隙尺寸和外筒高度的结构参数对环流式旋风除尘器压力损失以及分离效率等性能的影响，结果表明，环隙尺寸和外筒高度在一定范围内存在最优值，可使分离效率较高、压力损失较低，这为环流式旋风除尘器的局部优化设计提供了有力的理论依据。

目录

摘要

符号说明

前言

1 文献综述

1．1 课题背景

1．2 旋风除尘器基本结构及工作原理

1．2．1 普通旋风除尘器的除尘原理

1．2．2 旋风除尘器内的流场分析

1．2．3 旋风除尘器内的次流

1．3 旋风除尘器分离机理研究进展

1．4 旋风除尘器数值模拟的研究进展

1．4．1 湍流模型的研究进展

1．4．2 两相模型的研究进展

1．5 本文的研究目的和主要任务

1．5．1 本文的研究目的

1．5．2 本文的主要任务

2 旋风除尘器的数值模拟方法研究

2．1 前言

2．2 气相流场的模型

2．2．1 湍流模型

2．2．2 离散格式

2．2．3 压力插补格式

2．3 颗粒相随机轨道的模型及求解

2．4 气相与颗粒相的相互作用

2．5 本章总结

3 环流式旋风除尘器的数值模拟

3．1 环流式旋风除尘器概述

3．1．1 环流式旋风除尘器结构及工作原理

3．1．2 环流式旋风除尘器优点

3．2 计算模型与方法

3．2．1 几何结构与网格划分

3．2．2 边界条件的设置

3．2．3 求解过程和收敛判断

3．3 流场的速度分析

3．3．1 切向速度分布

3．3．2 轴向速度分布

3．3．3 径向速度分布

3．4 环流式旋风除尘器压降的研究

3．4．1 压力分布

3．4．2 压降的计算

3．5 流场湍流结构分析

3．5．1 湍动能分布

3．5．2 湍动能耗散率分布

3．6 本章总结

4 环流式旋风除尘器气固两相流场的数值模拟

4．1 前言

4．2 相流模型及数值模拟方法

4．2．1 两相流模型

4．2．2 离散模型的计算策略

4．2．3 颗粒边界条件的设置

4．3 计算结果分析

4．3．1 颗粒轨迹追踪

4．3．2 分离效率

4．4 本章总结

5 结构尺寸对于环流式旋风除尘器性能的影响

5．1 环隙尺寸对环流式旋风除尘器性能的影响

5．1．1 数值计算模型与方法

5．1．2 环隙尺寸对气相流场的影响

5．1．3 环隙尺寸对分离性能的影响

5．2 筒体高度对环流式旋风除尘器性能的影响

5．2．1 数值计算模型与方法

5．2．2 筒体高度对气相流场的影响

5．2．3 筒体高度对分离性能的影响

5．4 本章总结

结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的主要研究成果

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