基于流场特性数值模拟的袋式除尘器关键结构设计研究综述

张珈旗,董忠红

基于流场特性数值模拟的袋式除尘器关键结构设计研究综述

张珈旗,董忠红*

(长安大学,道路施工与装备教育部重点实验室,陕西 西安 710064)

流场特性是影响袋式除尘器净化效果、除尘效率和使用寿命的关键因素,是优化或评价设备设计合理性的依据.本文在袋式除尘器工作原理分析基础上,明确了目前袋式除尘器研发中需要解决的关键问题,阐述了袋式除尘器内部流场数值模拟方法、流场特征评价指标、以及流场分布的关键影响因素,并重点归纳总结了常见结构设计因素对袋式除尘器流场特性的基本影响规律.以期通过该综述,可以为改善袋式除尘器内部流场性能的用户提供可以参考的结构设计方法.

袋式除尘器；流场分析；结构设计；计算流体力学(CFD)

袋式除尘器具有除尘效率高[1-3]、超细粉尘捕集效果佳[4-5]、运行阻力相对较低[6]、颗粒排放浓度低[4]、能够适应不同机组风量范围[7-8],在工业除尘领域得到广泛应用[9].但是在工程应用中,袋式除尘器易发生灰斗二次扬尘[10]、过滤元件寿命低[3]和过滤效率衰减严重等行业共性问题[2].而除尘箱体内气流分布不均匀和工作阻力偏高是产生以上问题的主要原因[5,7,11-15].鉴于此,对袋式除尘器内部流场进行分析研究,提出解决这些问题的结构设计方法,是十分必要的.目前研究袋式除尘器内部流场的主要方法有实验研究法、理论分析法和数值模拟法[16-17].实验方法效率低、成本高,难以深入研究不同因素对流场特征影响规律及多因素耦合效应,理论分析法往往对袋式除尘器模型进行简化处理使结果有较大偏差.随着计算机性能的不断提高,基于CFD数值模拟方法越来越受到重视,能弥补实验研究方法和理论分析方法的不足[3,18-19],在产品研发、优化设计和方案评比中得到广泛应用[16].

袋式除尘器利用过滤元件将含尘气体中的粉尘颗粒、污染物颗粒或液滴进行分离捕集[11].因此,国内外学者往往从过滤元件和设备结构两大方面研究袋式除尘器内部流场特征及其影响规律.对结构设计因素的研究主要从过滤元件的结构及其空间布局、均流导流装置的结构及其空间布局和其他结构等方面进行讨论[2,4,7,12,18,20-31].Croom[32]1996年就已经提出改进袋式除尘器进气口和导流板的结构是提高除尘效率有效途径,为研究除尘器效率提升提供了思路.之后,郑辉[33]采用CFD数值模拟方法研究袋式除尘器内部流场特性,发现改进结构设计和空间布局可以有效改善气流分布均匀性.桑亮等[34]对袋式除尘器气流分布进行模拟实验,以相对均方根值为评价指标,发现梯形和栅格导流板均可以提高除尘设备内部流场均匀性,且梯形导流板较栅格导流板更易于改善除尘器流场性能,建议进行结构优化设计时优先考虑.以上学者,分别采用模拟试验方法和数值模拟方法对除尘器流场进行研究而获得相似结论,一方面说明改进结构设计是改善除尘器流场均匀性,提高除尘效率的有效途径,另一方面也证明CFD数值模拟方法的科学性和可靠性.

为深入了解基于流场特性数值模拟方法的袋式除尘器关键结构设计影响的研究现状,本文对不同结构设计因素对袋式除尘器内部流场性能的基本影响规律研究进行归纳总结.聚焦袋式除尘器研究的主要领域和方法,探讨解决袋式除尘器热点问题的结构设计方法,并对未来的研究工作提出建议和展望.

1 袋式除尘器内部流场问题简述

袋式除尘器基本组成有灰斗、过滤元件和箱体,含尘气体由进风口进入,通过与过滤元件作用后获得清洁气体,由出风口排出,被分离的粉尘颗粒落入灰斗.其中过滤元件是除尘器核心构件,含尘气体通过过滤元件发生筛滤效应[11,35]、碰撞效应[8,12]、钩附效应[8,36]、扩散效应[12]、重力沉降[17]和静电作用[8,35]等复杂作用[37].

含尘气体与过滤元件之间的过滤作用效果越好,袋式除尘器的除尘效率越高.然而袋式除尘器内部易发生的灰斗二次扬尘[10]和过滤元件寿命降低[3]问题会影响其作用效果[2],使设备工作效率衰减严重.除尘箱体内气流流速高、气流分布不均匀和工作阻力偏高是产生以上问题的主要原因[5,7,11-15],可归纳于表1.

表1 袋式除尘器常见问题的产生原因

工程上评价袋式除尘器性能的指标不仅包括除尘效率,还有设备运行阻力和经济成本等指标在内,具体的见表2.

表2 袋式除尘器性能的工程评价指标

为提高袋式除尘器的除尘效率,降低其运行阻力和经济成本,就有必要改善前文提出的工作阻力偏高、气流均匀性差和流量风速大的缺点.

2 袋式除尘器内部流场数值模拟研究方法简述

2.1 基于CFD的数值模拟方法

计算流体力学(CFD)是利用大型计算机对研究对象进行数学建模,采用设定的数值分析方法来研究流体流动的各类力学问题,从而达到预测整个流场流动状态的目的[16,42-45].

利用数值模拟方法研究除尘器内部流场特性的,较早的有Nielsen[46]建立电除尘器的物理模型,模拟气流分布板对气流组织的影响.Aroussi等[47]利用CFD数值模拟方法研究袋式除尘器中单个滤筒工作时粉尘颗粒的运动,并用实验研究的结果验证CFD数值模拟方法能有效地模拟粉尘颗粒的运动轨迹.Cagna等[48]运用CFD数值模拟方法研究2D条件下袋式除尘器的内部流场分布情况,并用工程中的实际参数验证其数值模拟结果的正确性.郑辉等[49]指出使用实际工程尺寸建立模型是降低结果偏差的有效手段.党小庆等[50]分别利用CFD数值模拟方法和实验研究方法对直通式袋式除尘器进行对比研究,所得的整个箱体的流量分配、每个滤袋单元处理风量、滤袋迎面气流速度大小和分布等数据结果基本相吻合,进一步说明CFD数值模拟方法和软件运用于实际工程中的可行性.

2.2 袋式除尘器内部流场数值模拟模型

2.2.1 湍流模型 根据雷诺数可判断出,大部分实际工况中气流流动状态为湍流,而目前针对湍流流动的数值计算方法有直接数值计算(DNS)和非直接数值计算[11].工程应用中更关注湍流所导致的平均流场变化规律,因此普遍采用非直接的数值计算方法[7].RANS方法是非直接计算方法中最常用的,分为Reynolds应力模型和涡黏性模型[42].因为前者计算工作量较大,所以研究者更多采用涡黏性模型.

其中,两方程模型是目前最常用的涡黏性模型,建立了湍动能与湍流耗散率之间的函数关系[21],包括以下三种形式:

Standard模型具有较好的稳定性、精确性和经济性,较为符合工程计算[7],余欢[7]和孙小云[21]使用该模型进行了一定研究,但是该模型在强旋流和绕弯曲壁面流动中有一定的失真.RNG模型是一种高雷诺数模型,是对第一种模型的修正[21]. Realizable模型是对上述两种方程的补充,被有效用于不同类型流动模拟,如射流和混合流,能更精确地预测尾流扩散和平板射流等问题,任美姚[11]使用该模型进行了研究.

目前为止,没有一种湍流模型适用于任何工况,在建立湍流模型时,需要根据研究问题的特征进行选择,并通过试验验证所建立模型的可靠性.

2.2.2 离散相模型 含尘气体中气体为连续相,灰尘颗粒物为离散相.故模拟除尘器过滤的颗粒物,需引入离散相模型(DPM).离散相模型对于稳态和非稳态流动,可以考虑离散相多种作用力,预报连续相中由于湍流涡旋的作用对颗粒造成的影响.通过建立离散相模型,可以在后处理中获得颗粒物的轨迹,以辅助分析内部流场流动特征[42].但是DPM忽略了颗粒与颗粒之间的相互作用力和体积分数对连续相的影响.因此当研究的含尘气流中颗粒物之间影响不容忽视时,不适合采用DPM模型[21,42].

也有研究者为简化模拟模型,忽略离散相作用力而直接进行数值模拟的.余欢[7]和任美姚[11]只研究了气流均匀性而未考虑所含粉尘颗粒物及其特性对内部流场的影响,故未使用离散相模型.

2.2.3 多孔介质模型 对过滤元件的数值模拟需建立多孔介质区域和多孔跳跃模型.多孔跳跃模型(Porous Jump)是多孔介质区域的一维简化模型,具有良好的收敛性和鲁棒性,该模型将过滤元件简化为面区域而非体区域.任美姚[11]采用了该模型进行滤袋简化处理,需要考虑的参数有过滤介质的渗透率、厚度和压降系数[11].而余欢[7]使用多孔介质区域模型以简化滤筒装置,需要设置过滤元件的粘性阻尼系数和惯性阻尼系数.

孙小云[21]认为多孔跳跃介质只能反映出滤袋内外的压力跳跃,无法描述对气体通过滤料的速度和形态,因此在研究袋式除尘器整机性能时采用更贴合实际的多孔介质模型来模拟滤袋,而仅在研究单袋室的内部流场分布时采用多孔跳跃介质.

2.3 袋式除尘器数值模拟结果的评价指标

数值模拟不仅可以获得等值线图、矢量图和云图等结果,查看相关物理量分布,还可以获得各节点物理量数值解以进行其他相关计算处理[18,51],评价指标如表3.

表3 气流均匀性的评价指标

3 袋式除尘器结构设计对内部流场性能的影响

袋式除尘器流场性能的结构设计影响因素有过滤元件的结构及其位置布局、均流导流装置的结构及其布局和其他结构等内容,如图1所示.

图1 袋式除尘器影响内部流场性能关键结构设计

3.1 过滤元件结构及其位置布局对袋式除尘器内部流场性能的影响

3.1.1 过滤元件结构 国内外研究者基于数值模拟的方法,对滤袋和滤筒两种过滤元件主要从微观和宏观尺度来研究本体结构对袋式除尘器内部流场特性的作用,以及对过滤效率的影响.

滤袋为柔性元件,对于其滤料结构研究主要集中在微观纤维排列方面,Qian等[53]使用基于CFD– DEM气体-固体流特性的数值模拟模型,过滤元件的单位面积过滤带数量不变前提下,即滤料纤维数量固定,纤维直径增大易形成枝晶结构,滤料介质孔隙率降低.粉尘颗粒沉积在纤维介质表面,在长时间工作下,颗粒物会导致枝晶坍塌,堵塞介质孔隙,导致压降增加.因此,在考虑颗粒沉积和枝晶坍塌时,过滤元件的运行压降随着纤维直径的增加而增加.值得说明的是,当研究条件变化时,即过滤元件单位面积的纤维数量随纤维直径的增大而减小时,纤维之间形成的孔隙尺寸增大,但单位面积孔隙率减小,并且比表面积减小,使颗粒不易与纤维接触而被吸附,虽然减小了运行压降,但是降低了过滤效率.

Wang等[54]在CFD数值模拟的基础上引入Lattice Boltzmann–Cellular Automata(LB–CA)充满粒子流的概率模型进行研究,结果发现纤维交错排列模型的滤袋的过滤性能优于纤维并行排列模型的过滤元件.Li等[55]应用CFD对基于几种不同细度的梯度排列的滤料纤维进行研究,设计了几种不同排列方式,认为并联设计梯度排列相较于交错设计梯度排列,使设备具有较低的过滤效率和运行压降.迎尘面细密排列利于提高过滤效率,而背尘面稀疏排列有利于降低运行压降.总体而言,当改变滤袋纤维结构或者排列方式时,提高过滤元件的过滤效率会增加工作压降,因此在工程应用中不能一味地提高过滤效率,否则工作压降过高会增加能耗,长期工作更会破坏过滤元件至系统失效,反而降低了过滤效率.

滤筒为刚性元件,对于其结构研究主要集中在滤芯微观结构方面,吴利瑞等[56]分析滤筒的直径、褶数、褶高和褶边夹角之间的关系,认为褶数、褶高和褶边夹角对滤筒的过滤性能影响较大,不能忽略.查文娟等[57]在CFD的数值模拟的基础上结合响应面法分析褶高、褶间距和过滤风速对褶式滤芯阻力的影响,结果表明三者对其均有影响,获得显著性水平从大到小依次为过滤风速、褶间距和褶高.黄乃金等[58]在CFD数值模拟的基础上引入随机多层纤维过滤介质算法进行研究,发现随滤筒的褶尖角增大,过滤元件压力损失先减小后增加;而过滤元件的过滤效率还与颗粒直径、袋式除尘器的过滤机理有关,归纳于表4.

表4 滤筒式过滤元件褶尖角变化对过滤效率的影响

在宏观关结构方面,过滤元件主要分为滤袋和滤筒,其结构差异[7]如表5所示.唐胜卫[59]总结,滤袋式过滤元件除尘效率高、可分离粉尘颗粒种类多和应用范围广,而滤筒式不仅除尘效率高、而且过滤元件运行压力损失较低、入口含尘气体的粉尘颗粒浓度范围广和结构紧凑易安装.

表5 常规式滤袋和滤筒的结构对比

丁瑞星等[60]就滤筒式和横插扁袋式两种不同过滤元件的袋式除尘器进行对比研究.同样工况下前者的除尘效率高于后者,且过滤元件运行阻力较低,设备工作过程更稳定,但是滤筒式的经济成本相对较高.赵欢等[61]获得圆形滤筒和锥形滤筒工作过程中的过滤元件的运行压力损失和流场速度变化,结果表明结构改变后的锥形滤筒工作时气流按表面积分配更加均匀,同时因为一端面直径变大,故使得气流流速降低,压力损失也降低.张亚蕊等[62-63]研究常规圆形式和内部附有锥体结构的新型圆形式滤筒式过滤元件,结果表明新型式的气流分布更加均匀,过滤性能也有所提高,工作运行阻力有所降低,并且随着锥体高度和锥顶半径的增大,滤筒内部的压力分布逐渐变得均匀,压力损失也逐渐减小.

以上几种新结构,虽然改善了内部流场性能,但没有总效率或分级效率的模拟,建议建立离散相模型,添加结构优化后的除尘效率对比分析.

丁倩倩[64]在CFD数值模拟的基础上引入简化的欧拉模型-代数滑移混合模型(Algebraic Slip Mixture Model,ASMM)进行研究发现,随着滤袋长度的增加,除尘器内部流场的均匀性提高,但是滤袋过长时易产生二次扬尘的影响.然而该研究在进行不同袋长模型分析时,并未严格做到控制变量法的要求,不仅袋长参数不同,箱体尺寸等参数也随之变化.余欢等[65]就不同滤筒长度对滤筒除尘器内部流场的影响做了相关研究,发现长滤筒的除尘器在较高风速过滤下,阻力大且增长速度快.其原因在于,随着滤筒长度增加,底部空间减小,不利于风流的均布,而短滤筒下部的大空间更利于风流扩散均布.

过滤元件的底面直径和长度对气流流场的影响不是独立的,以上研究说明只研究长度参数而忽略底面直径参数的影响,在多种不同的工程应用中参考价值较小,故在之后研究中,应考虑两者对气流流场影响的耦合效应,通过模拟研究获得底面直径与长度参数优化匹配.

3.1.2 过滤元件的位置布局 对于过滤元件的位置布局结构的研究一般有优化过滤元件间距、过滤元件与灰斗的间距(即袋底空间)、过滤元件的数量、过滤元件的排列方式等等内容.邓晓飞[66]研究滤袋间距对除尘器内部气流的影响,结果表明小间距的过滤元件表面气流上升速率明显大于较大间距的,而流场流速过高会降低滤袋过滤性能和破坏过滤元件,因此采用的滤袋间距不宜过小.张樱[67]研究滤袋布局问题中袋底空间除尘器内部流场的影响,结果表明适当降低滤袋至灰斗的距离可以使各过滤元件气流处理量均匀分配,并且能够提高远离进风口位置的过滤元件的过滤效率,然而过低的距离会产生二次扬尘的不良现象.唐奇等[68]研究滤袋布局问题中最佳滤袋数量的问题.但是过滤元件的最佳数量问题是过滤元件间距、袋底空间、过滤元件的排列方式等等问题的综合,因此单独研究过滤元件数量而不讨论其主要结构参数的影响规律,缺少实际意义.

余欢[7]鉴于前文已述的滤筒式和滤袋式两种过滤元件的优缺点,提出滤筒滤袋混合装配的改造思路以提高除尘效率和降低经济成本.在使用基于CFD的数值模拟办法进行研究分析,结果表明滤筒滤袋按比例混装时的流量分配系数低于全为滤筒式或全为滤袋式的,并且混装改造的确有利于降低阻力.余欢在提出滤筒滤袋混装改造的同时,还考虑到滤筒滤袋的位置布局对设备过滤性能的影响,结果表明:滤筒靠近出风口位置有利于流量更加均匀分配,同时滤筒滤袋间隔分布也有利于气流均布.对于该结论,虽然余欢的模拟研究和实验研究均证明了该结论的正确性,但是在实际应用工程中,滤筒和滤袋的元件参数相差较大,在同一箱体内所受作用不平衡,在长时间的工作过程中,会使柔性结构的滤袋元件提前发生损坏,而使整个系统失效.所以该结论能否应用到实际工程中还有待商榷,若将该结论应用到实际工程设计中,应当考虑到长期工况下的结果,而不能仅以短期内的数据结果为结论.

安蓉蓉等[69]研究过滤元件常规正方形排列方式和转角正方形排列方式,如图2所示,结果表明转角正方形排布的流量分配系数的波动幅度较小,因此气流分布均匀性较好.分析其原因是该方式可以使气流绕过滤元件后在背风侧的尾流冲刷过滤元件以防止积灰,提高过滤性能.

图2 滤袋的常规正方形排列方式(左)和转角正方形排列方式(右)[69]

因为采用CFD数值模拟方法难以准确建立过滤元件微观的纤维结构模型,所以对其的研究常忽略或简化个别条件,使所得结果有误差.尽管如此,过滤元件结构的优化设计是改善设备流场特性的一个有明显作用的方法,是研究袋式除尘器关键结构设计对内部流场特性影响因素的一个重要领域.

3.2 箱体局部结构设计对袋式除尘器内部流场性能的影响

3.2.1 均流导流装置 导流装置是为改变气流方向,使之沿期望的方向流动.均流装置是为了改变气流流速.除尘器入口高速射流气流不仅使流场气流均匀性变差,影响除尘效率,而且冲刷过滤元件甚至破坏元件结构,降低滤袋或滤筒的使用寿命,使除尘系统过早失效,为了降低这些负面影响,在除尘器入口常常设置相应的均流导流装置.Schroorten等[70-71]在进风口位置添加装置来改善内部气流组织,得到良好的效果.汪家琼等[72]研究在袋式除尘器的进风口增添双八字形导流板结构和挡板结构的设计以避免气流冲刷,实现更均匀的气流分布.李少华等[73]设计几块逐渐下降的导流板,实现对射流的分流以改变气流方向和速度,使箱体内气流分布均匀,有效地减少气流对部分滤袋的冲刷,提高滤袋寿命.黄莺等[74]研究经折流板进风、经气流分布板进风和经导流板下进风的袋式除尘器内部气流分布,建立三种设备的物理模型,如图3所示,借助CFD数值模拟获得速度分布图和涡流速度分布图,结果表明后两者的气流均匀性比第一种方案好,且结构形式简单紧凑.

张相亮[75]设计了15°夹角的斜向导流板结构,研究获得气流均布板的结构参数对进气均匀性的影响显著性水平从大到小依次为板长、偏角、板数、导流板上部至灰斗平面高度和均布板递增长度,该研究对结构设计有指导意义,为实际工程中除尘器均流导流装置的优化指明了方向.

Lima等[76]研究不同气流均布板偏角对袋式除尘器进风口高速射流影响的改善效果影响,获得其工况下最佳结构参数为20°.虽然该文章在进风管道口中增加了挡板以改变气流方向并降低流速,使气流对袋底冲刷影响明显减弱,但是该结构是否会加深流场紊乱程度并未通过速度云图或流线图进行说明.

王宪[77]提出增添垂向双导流板的结构,随着导流板距进风口底部高度的减小,综合流量不均系数先减小后增加.张彦婷等[78]也研究袋式除尘器入口导流板排列角度对设备内部流场的影响,随着角度的调节,导流板角度从上到下增大,气流均匀性得到改善.郭志勇[79]研究散射装置的大小对滤筒除尘器内部流场特性的影响:随着散射装置底面直径由小增大,综合流量不均系数先减小后增加.以上根据工况不同,存在一个最佳值使得袋式除尘器内部气流分布更加均匀.

孙小云[21]对于分风装置进行研究,指出分风屏开孔率的大小对袋室运行阻力、袋室分风均匀性和滤袋表面速度没有显著影响,但是开孔率增加会提高袋间气流的上升速度.焦伟俊[80-81]研究四种类型的袋式除尘器箱体分风屏结构(T字型方孔分风屏、I字型方孔分风屏、L字型方孔分风屏、T字型百叶窗分风屏)对内部流场的影响,该分风屏适用于大型集成袋式除尘器箱体内,将对内部流场特性的研究从单个小箱体提升到多个大箱体层面,为之后的研究提供了新思路.

值得注意均流导流装置降低气流速度和改变气流方向的同时,也会造成流体能量损失,因此,所设计结构的科学性往往需要根据其对设备压降阻力的影响进行模拟研究.不仅要按照上述研究获得气流均匀性系数,分析流场均匀性,还要进行压力场分析,综合评价结构优化后的性能.

图3 经折流板进风(左)、经气流分布板进风(中)和经导流板下进风(右)示意图[74]

3.2.2 进风方式 胡峰[82]研究下进风式、侧进风式和上进风式三种传统进风方式的大型袋式除尘设备,并提出改进建议:对于下进风式的应该降低进口风速以使得袋式除尘器内部流场更加均匀;对于侧进风式的应该在气流入口处添加气流渐扩装置.陈红超[83]对比在相同条件下传统侧进风方式和侧下进风方式对除尘设备的影响,结果表明侧下进风式的气流分布较为均匀,但是会在灰斗处产生涡流而产生二次扬尘现象.

谭志洪等[84]对比在相同条件下灰斗进风方式和传统侧进风式袋式除尘器内部流场,综合得出侧进风式的气流分布较为均匀,而灰斗进风式袋式除尘器容易产生二次扬尘等问题.对于该文章提出的灰斗进风方式缺少科学研究价值,因为灰斗作为收集被过滤后的颗粒物的装置,若同时进行进风工作,必然会引起干涉,发生二次扬尘等问题.因此类似于此研究是为了模拟而模拟,缺少研究价值.

Pereira等[85]提出侧切向进风和双重反向进风方式,如图4所示,研究表明单下进风式和双重反向进风方式的袋式除尘器的内部流场较为均匀.最后作者又指出,袋式除尘器内部中心位置的过滤元件的质量流量受进风位置和方向结构变化的影响较小.Rocha等[86]研究进气口数对袋式除尘设备内部流场的影响,如图5所示,结果指出三重进风口相比于传统的单进风口可以使设备内部流场气流分布均匀,降低气流流速和设备的运行压力损失.总而言之,袋式除尘器进风方式的优化设计是改善设备内部流场特性的重要部分,除了研究传统的三种进风方式,还有将进风结构优化设计与新型进风方式联合研究,进行多因素耦合数值模拟,探索更优的改善方式.

图4 单下进风式、侧进风式、双重反向进风式和侧切向进风式示意[85]

图5 传统的单进风口与三重进风口[86]

3.2.3 其他结构 除了改变袋式除尘器的进风方式和增添导流板的结构设计,改变进气口结构和箱体结构也是一种提高设备内部流场性能的方式.高广德等[87]针对下进风式袋式除尘器的四棱台式进口和直管式进口的进口结构进行研究,发现同样条件下四棱台式进口结构的袋式除尘器内部射流现象明显减轻,气流分布较均匀,压力损失较小.郭志勇[79]针对上进风式滤筒除尘器将方形箱体改变成圆形箱体,指出改成圆形结构可以提高滤筒的利用率,流量分配也较为均匀,解决了方形箱体空间利用率低和过滤元件气体处理量分配不均的问题.孙小云[21]研究发现随着进风管道口的长与高的比值增大,袋式分风就越均匀,但是加宽进风管道会增大除尘设备的占地空间.吴维峰[88]对侧进风式袋式除尘器增添入口喇叭口和双层气流均布板装置,研究双层气流均布板在喇叭口中的相对位置对设备内部气流分布的影响,结果表明:第二层均布板更靠近入口方向,会使入射气流最大速度降低;减小两个均布板间的间距,会使袋式除尘器内每个滤袋的气流分布更加均匀,也会使整体的滤袋磨损减小.总之,影响袋式除尘内部流场特性的关键结构设计并不局限于箱体内部,特殊情况下箱体外附件结构设计也是重要研究方向.

4 结语

综上,各类关键结构设计均能不同程度地改善袋式除尘器内部流场特性,但是作用机理和改善对象等各有不同.在过滤元件结构方面,可通过改变物理参数和排列模型,以减小元件过滤阻力,从而改善流场特性.在均流导流装置方面,可通过优化结构、位置布局和组合模型,以降低射流速度,实现气流流量分配均匀,从而降低压降并改善流场.在进气结构方面,带渐扩装置的侧进风方式优于下进风方式,新型进风方式优于传统进风方式,多重进风口结构优于单进风口结构.在其他结构方面,也有诸如圆形箱体代替方形箱体的优化设计.

总而言之,各种结构设计是围绕着均匀气流分布、减小工作阻力和降低风速来改善流场特性,以提高除尘效率和降低成本,实现解决袋式除尘器卡脖子问题的目标.

基于目前流场特性分析的袋式除尘器关键结构设计相关研究,存在以下问题并提出研究建议:

一是过滤元件滤料微观结构的物理模型和材料的化学反应过程难以精确模拟,该问题是构建精准CFD模型的前提条件,尤其是对进行过滤元件附件的细观尺度流场分析,具有决定性影响.

二是均流导流装置结构设计类同化严重,与除尘器局部流场特征相关性不足.可引入熵产分析理论进行局部能量损失评估研究,以更好的分析均流导流装置的优化性能.

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Review on key structure design of bag filter based on numerical simulation of flow field characteristics.

ZHANG Jia-qi, DONG Zhong-hong*

(Key Laboratory of Road Construction and Equipment , Ministry of Education, Chang’an University, Xi’an 710064, China)., 2022,42(6)：2530～2540

Flow field characteristics are the key factors affecting the purification effect, dust removal efficiency and service life of bag filter, and are the basis for optimizing or evaluating the rationality of equipment design. Based on the analysis of the working principle of the bag filter, this paper clarifies the key problems to be solved in the current research and development of the bag filter, expounds the numerical simulation method of the internal flow field of the bag filter, the evaluation index of the flow field characteristics, and the key influencing factors of the flow field distribution, and emphatically summarizes the basic influence law of the common structural design factors on the flow field characteristics of the bag filter. It is hoped that this review can provide reference structural design methods for users to improve the internal flow field performance of bag filter.

bag filter；flow field analysis；structure design；computational fluid dynamics(CFD)

A

1000-6923(2022)06-2530-11

张珈旗(1998-),男, 陕西汉中人,长安大学硕士研究生,研究方向为气体流场仿真分析.

2021-11-18

* 责任作者, 教授, dzhong@chd.edu.cn