旋风除尘器三维流场及结构改进的数值研究

摘要

旋风除尘器是利用旋转气流产生的离心力使尘粒从气流中分离并捕集下来的装置。由于其结构简单，设备紧凑，维修操作方便等优点而被广泛地应用到化工，能源，机械，环保等众多领域。但往往因其结构设计不当，尺寸匹配不合理等因素限制了除尘效率的提高，且耗能较大。随着计算机流体力学的发展，越来越多的研究借助数值模拟来优化除尘器结构，以达到降压除尘的目的。　　 本文借助CFD商业软件FLUENT6.3.26模拟旋风除尘器内的三维流场分布及排气筒插入深度与压力损失的关系，并和实验对比气相场和颗粒相中不同进口速度和压力损失的关系。借鉴前人研究成果并结合自己实验和模拟对比，得出了更适合旋风除尘器数值模拟的数值模型和离散方法。湍流模型采用基于各向异性的RSM模型，压力速度耦合方式采用SIMPLE算法，离散方式采用对流项QUICK格式和压力梯度项的PRESTO格式，得出结论如下：　　 (1)在旋风除尘器内切向速度是主要的分速度，在除尘器内部起主导作用，呈明显的“驼峰”形分布，且轴对称性较好。切向速度75％以上在进口速度的0.7～1.5倍范围内。在分离空间内，最大切向速度值约为入口速度的1.6～1.8倍；靠近壁面的速度值约为入口气速的0.9～1.3倍。轴向速度呈“马鞍形”分布，径向速度值要低一个数量级，且分布呈非轴对称分布。静压和总压的分布规律比较相近，沿半径方向的分布呈现较好的轴对称性。动压和切向速度的分布规律相似。　　 (2)旋风除尘器内除主流外还存在着二次流现象，主要有短路流、纵向涡流、偏心环流等。由于这些二次流的存在使得颗粒进入除尘器后，由于粒径不同，入口位置不同等表现出不同的运动轨迹，并且影响除尘效率。　　 (3)数值模拟排气管插入深度与压力损失的关系，得出当排气管下口末端与除尘器进气口下沿平齐的插入深度时，压力损失最小；排气管插入深度低于或高于进气口下沿时，压降都有所升高。　　 (4)气相场中实验值和模拟值相关系数为0.96，颗粒相中实验值和模拟的相关系数为0.85，均为显著正相关关系，验证了数值模拟的准确性。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1本课题研究的背景与意义

1.2旋风除尘器的发展阶段

1.3旋风除尘器理论模型的研究状况

1.3.1分离理论的研究

1.3.2分离模型的研究

1.4旋风除尘器结构改进的研究

1.4.1新型除尘器的设计

1.4.2进口结构的改进

1.4.3排气管减阻装置的改进

1.4.4安装减阻杆

1.5旋风除尘器数值模拟的研究进展

1.5.1国外的代表性研究

1.5.2国内的研究现状

1.6本文主要研究内容

第二章旋风除尘器除尘机理及性能

2.1除尘器基本结构及工作原理

2.2流场分析

2.2.1速度分析

2.2.1涡流分析

2.2.3压力分析

2.3影响旋风除尘器性能的主要因素

2.3.1几何尺寸因素

2.3.2操作条件因素

2.4本章小结

第三章CFD原理及旋风除尘器数值模拟方法研究

3.1 CFD(计算流体力学)原理及理论基础

3.1.1流体动力学控制方程

3.1.2控制方程离散化方法

3.1.3 CFD中的三维湍流模型

3.1.4离散相数值模拟方法

3.1.5 CFD求解过程

3.2 CFD软件简介

3.2.1常用CFD商用软件

3.2.2 Fluent软件简介及应用领域

3.3本章小结

第四章旋风除尘器气固两相流场的数值模拟

4.1旋风除尘器物理模型

4.1.1旋风除尘器几何结构及尺寸

4.1.2网格划分

4.1.3气相边界条件的设置

4.1.4颗粒相边界条件设置

4.1.5本文用到的部分截面

4.2旋风除尘器数值计算

4.2.1湍流模型的选用

4.2.2算法的选择

4.2.3差分格式的选择

4.3气相流场的模拟结果与分析

4.3.1速度分析

4.3.2压力分析

4.3.3二次流

4.3.4湍动能及湍流耗散率分析

4.3.5雷诺应力分析

4.4固体颗粒运动模拟分析

4.4.1不同入口位置的颗粒运动轨迹

4.4.2不同粒径颗粒运动轨迹

4.5本章小结

第五章结构改进的数值模拟及实验验证

5.1排气管插入深度与压力损失

5.2实验对比

5.2.1实验装置及设备

5.2.2实验方法与步骤

5.2.3实验结果分析

5.3本章小结

第六章结论

6.1数值模拟结论

6.2实验对比结论

第七章展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果