顆粒相濃度數值研究管理論文

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摘要：本文采用成熟的湍流和顆粒模型,即基于歐拉系下的k-ε雙方程模型和把顆粒相作為連續介質，部分地考慮顆粒相對流體運動影響的無滑移模型，根據這種百葉窗的使用條件設定參數值，模擬出含塵氣流穿過它時的過濾特性。計算了V型百葉窗過濾器中氣固兩相流動，從而揭示了其內部氣相壓力場的分布與顆粒相濃度場的基本特征.并將模擬結果和試驗結果作了初步的比較和誤差分析，從而有力地闡明了利用CFD技術在工程設計實施前或產品生產（改造）前預測方案的實際效果與產品性能的可行性。

關鍵詞：氣固兩相流壓力場濃度場過濾特性CFD

0前言

百葉窗式過濾器是慣性除塵器的一種。它是在含塵空氣通道上裝有許多由葉板組成的傾斜的擋灰柵（其截面如圖1所示），含塵氣流在通過擋灰柵時按葉板間的縫隙數分成多股氣流，每股氣流在通過葉板時會突然改變方向，這時，粉塵顆粒在慣性力的作用下力圖保持原來的流動方向，塵粒掠過擋灰柵的縫隙入口而直接打到后面葉板的表面上，并沿繞過擋灰柵的空氣流動方向相反的方向彈出[1]。本文的研究工作就是根據這種百葉窗的使用條件設定參數值，模擬出含塵氣流穿過它時的過濾特性。

1計算模型及方法

迄今為止，在工程應用中，對氣相流場計算可行而成熟的模型仍然是氣相作為連續介質基于歐拉系下的k-ε雙方程模型[2]。對顆粒相的計算模型很多，本文采用的是基于歐拉系下的，把顆粒相作為連續介質，部分地考慮顆粒相對流體運動影響的無滑移模型[3]。無滑移模型的優點是簡單，可以用較為成熟的處理單相流體的數值解法來處理兩相流，其缺點是不考慮顆粒相對于流體的速度及溫度滑移（滯后）。但是在本文的研究中，只考慮在室溫情況下流體、顆粒的運動情況，不需要考慮其溫度變化，所以可以采用無滑移模型。

本文研究的過濾器是在室溫下使用，內部溫度場穩定，因而流體能量方程不予考慮，則氣相組的基本方程為：

流體連續方程：(1)

流體i方向動量方程：

(2)

流體湍能方程：(3)

流體湍能耗散率方程：(4)

根據無滑移模型的基本假設可知，顆粒相的動量方程及能量方程均不存在，只需給出其質量守恒或連續方程或擴散方程：

(5)

氣相流場計算采用基于SIMPLE方法的改進算法SIMPLEC[4]，該方法具有改善和加快收斂性能。積分區域網格劃分使用交錯網格，對流項離散使用QUICK格式[5]。由于在歐拉場中，無論是流體的控制方程還是顆粒的控制方程，都具有相同的形式，不同的是源項。因而完全可以將原來求解單相流場的數值方法推廣到多相流中。

2模擬結果及分析

2.1氣相壓力場分布

2.1.1壓力分布圖

圖2、圖3、圖4、圖5分別是過濾器迎面風速V=1m/s、V=2m/s、V=3m/s、V=4m/s時氣相壓力場的模擬結果。

圖2v=1m/s時壓力場圖3v=2m/s時壓力場

圖4v=3m/s時壓力場圖5v=4m/s時壓力場

2.1.2壓力場分析

（1）從壓力場可以看出在進口處呈現正壓區，擋板后漩渦區域比較大，它的存在必然使擋板后形成負壓區，擋板前后形成壓差，帶來過濾器阻力損失。且過濾器的壓力損失也是隨著進口速度的加大而增加。

（2）漩渦的存在使擋板間氣流繞流通道呈多次折向的弧形狀，這樣的流場分布特點極有利于增強氣固在此分離。

2.2粉塵顆粒的濃度場

2.2.1顆粒相濃度場的基本特征

作者在數值模擬中選取的模擬顆粒的粒徑為50μm、15μm的實驗用標準滑石粉，其密度為2750Kg/m3。

圖6、圖7采用滑石粉粒徑為50μm，V=3m/s，進口粉塵濃度分別為60mg/m3和100mg/m3。

2.2.2濃度場分析

（1）從四個模擬結果可以看出，在過濾器的進口處粉塵濃度基本成平行水平線；在擋板的夾角處出現粉塵高濃度區，并且粉塵濃度的最大值出現在迎風面的擋板夾角處。

（2）由于在擋板夾角區域存在渦流區，使得粉塵顆粒受到慣性作用易于沉積在擋板上。并且在迎風面的擋板處出現氣流流速最小值，使得顆粒濃度最大值出現在此處。

（3）從擋板積灰效果圖可以看出擋板夾角內壁面的攔截效果最明顯，但在夾角外壁面還是有一部分顆粒沉積。

3模擬結果與試驗結果比較及分析

3.1過濾器壓力損失比較

把模擬和試驗所得的數據通過最小二乘法擬合成曲線，如圖10所示。

圖10壓力損失曲線比較圖

可以看出兩者的壓力損失都是隨著過濾風速的增加而增加，這個基本的變化趨勢是正確的，并且曲線形狀有一定的相似度，都是按開口向上的拋物線變化。但模擬預測值比試驗測試值偏大。

3.2過濾效率比較

試驗測試時采用中位徑為15μm試驗用，的標準滑石粉，3m/s的過濾風速。

圖11過濾效率曲線比較圖（d=15μm）

3.3誤差分析

經過分析，作者認為模擬值與實測值之間的誤差來源主要有以下幾個方面：

（1）本文中顆粒相選用的是無滑移模型（單流體模型），不考慮其相對于流體的速度及溫度滑移（滯后），與實際差別較大（預報的過程的發展大大超前于實際），因而通過該模型模擬出的結果必然與實際值之間存在誤差。

（2）障礙物固壁邊界上的速度、紊流動能、紊流動能耗散率都近似取為零，與實際情況相比存在著誤差。

（3）試驗平臺也存在著一定的系統誤差，測量、讀數、計算及修正過程中又存在著隨機誤差，這都將會導致模擬值與測試值之間的誤差加大。

4結論

（1）本文結合過濾器的實際使用情況，建立適合的數學模型，采用無滑移模型研究了V型百葉窗過濾器內特定的流動問題，其氣相壓力場和顆粒相濃度場分布基本上都是符合流場定性分析的結果和實際運行情況的特征。

（2）利用數值模擬結果，計算出過濾器的壓力損失，并與試驗測試值進行比較和分析，就可以對模擬結果和試驗測試值做雙向的檢驗，以期分別對這兩種方法提出更為合理和有效的改進方案。

（3）在工程設計及產品開發中應用CFD技術，可改變傳統的設計程序，由于CFD軟件可以相對準確地給出流體流動的細節，如速度場、壓力場、溫度場或濃度場分布的時變特性（不定常特性），因而不僅可以準確預測流體產品的整體性能，而且很容易從流場的分析中發現產品或工程設計中的問題，據此提出改進方案[6]。在本文中所研究的V型百葉窗過濾器，如對其擋板的形狀、排列順序、擋板的夾角進行一系列的變化，模擬出它在不同情況下的壓力損失、過濾效率、氣粒分離特性，就可為該系列過濾器的設計，改進提供強有力的技術支持。

符號說明：

xj張量坐標k紊流動能

ρ空氣密度Gk紊能產生項

v空氣流速ε紊能耗散項

p空氣壓力f混合物分數

μe有效粘性系數s顆粒源項

g重力加速度

模型中各通用常數據經驗可取為：

c1=1.44c2=1.92σk=1σε=1.33σp=0.09

參考文獻：

[1]吳杰，楊海霞，王淑玲.石化技術,2002,8(1):45～48

[2]湯廣發,呂文瑚，王漢青.室內氣流數值模擬與模型實驗.長沙：湖南大學出版社，1989

[3]周力行.湍流兩相流動與燃燒的數值模擬.北京：清華大學出版社，1991

[4]S.V.帕坦卡.傳熱與流體流動的數值計算.北京：科學出版社，1984.

[5]陶文銓.計算流體力學與傳熱學.北京：中國建筑工業出版社，1991.

[6]龔光彩.暖通空調，1999,29(6):25～27