汪倩玉

摘 要：以混凝土搅拌站袋式除尘器为研究目标，在solidworks中建立袋式除尘器的三维实体，利用fluent流体分析软件对内部流场进行数值模拟，得到其内部的速度、压力以及流体轨迹等参数分布，来探究影响除尘器使用寿命的因素，为袋式除尘器的优化提供理论支撑。

关键词：袋式除尘器;流场;数值模拟;Fluent

中图分类号：X513  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）04-112-03

Flow field simulation and result analysis of bag filter

Wang Qianyu

（School of Mechanical Engineering， North China University of Water Resources and Hydropower，Henan Zhengzhou 450045）

Abstract：Taking the bag filter of concrete mixing station as the research goal， the three-dimensional entity of bag filter is built in solidworks， and the internal flow field is numerically simulated by fluent fluid analysis software to obtain the internal velocity， pressure and fluid trajectory. Parameter distribution to explore the factors affecting the service life of the dust collector， providing theoretical support for the optimization of the bag filter.

Keywords： Bag filter; Flow field; Numerical simulation; Fluent

CLC NO.： X513  Document Code： AArticle ID： 1671-7988（2020）04-112-03

前言

混凝土搅拌站是城市建设过程中粉尘排放的重要源头，混凝土设备在拌和过程中，由于其原材料含有砂石骨料以及粉料，不可避免的會出现粉尘泄露问题，对现场操作人员身体健康以及经济效益产生负面影响。因此环保型混凝土搅拌站必须配有可靠的除尘系统来有效控制粉尘排放。袋式除尘器是利用气固分离原理过滤气体中的颗粒物，对工作环境要求极低，其核心部件——滤袋，除尘效率高，经济实用。

袋式除尘器内部流场分布不均匀，容易出现极个别滤袋破损的问题，针对这一现象，严重降低气流运动阻力，除尘效率也随之降低。基于此现象，本文对实际工况下袋式除尘器的内部流场进行数值模拟，探究滤袋破损原因。

1 数值模拟

1.1 袋式除尘器原理

袋式除尘器的工作原理是当含尘气体从进风口进入后，一部分粉尘由于自重作用散落在灰斗内，另一部分的气体被滤袋阻拦，附在滤袋表面。当粉尘积攒到一定厚度后，滤袋的渗透率下降，气流的扰动又会使表面的粉尘脱落。当灰尘内的粉尘积攒到一定量后，下方泄压阀开启，粉尘可以再次回收利用。

1.2 建立模型与网格划分

几何模型参照MC-64袋式除尘器1：1在SolidWorks进行建模，见图1，整个模型进行简化，只对流场进行模拟，分为进口、出口、上箱体、箱体、滤袋、灰斗共六大部分。滤袋排布情况为8列×6排，整体模型尺寸长宽高为1890×1678×3367mm，入出口为圆柱体，截面直径300mm。灰斗高度为500mm，拔模角度25。中箱体高度2000mm，设置6排滤袋，每排8个，滤袋直径120mm，高度2000mm。

本文采用结构与非结构网格共同划分的方式^[1]，其中滤袋和箱体部分采用非结构化网格，其余部分采用结构化网格。

1.3 控制方程

将进风口空气看做是不可压缩气体，利用Fluent仿真软件模拟袋式除尘器时，关于模型的选取，Bourdin^[2]等研究学者采用标准k-ε和realizable k-ε模型进行计算，与实验结果对比后发现前者比后者得出的结果误差更小^[3]。因此本文选择标准湍流模型进行模拟，速度与压力耦合方式为simple算法。控制方程有连续性方程，动量守恒方程，湍动能k方程和耗散率方程。具体的控制方程如下。

（1）连续性方程：

（2）动量守恒方程：

（3）湍动能方程：

（4）耗散率方程：

各项参数的具体含义参见文献^[4]。

1.4 边界条件设定

袋式除尘器内部是极其复杂的三维流场， 模拟工况温度T= 155℃的含尘气体，密度ρ=0.815kg/m³，为方便计算与快速收敛，采用 SIMPLE算法，本研究对边界条件进行最大程度的简化：

1.4.1 进出口边界条件

进口采用速度入口，进口速度设置为常数，出口设置为压力出口，湍流强度与水力直径设置为2.25%和300mm。

1.4.2 滤袋边界条件

本文选用多空跳跃模型来定义滤袋，该模型能够模拟已知速度和压降的具有一定厚度的薄膜其渗透率为1.71xE- llm2，厚度为1mm，压力变化满足达西定律。

1.4.3 壁面边界条件

除尘器箱体及滤袋下方定义为无滑移壁面，XYZ三個方向的速度分量为0。

2 模拟结果与分析

2.1 速度分布

按照上节边界条件设置对袋式除尘器进行数值模拟，选取ZX截面得到各截面上的速度云图以及速度矢量图。

由图2到图5可知，当含有粉尘的气体以8m/s的速度单口直入进气口时，进口和出口的气流速度较大，约为9.7m/s～ 10.4 m/s。气流进入灰斗，由于流动截面积突然增大，X方向出现明显的射流现象，湍流强度增大。射流长度超过灰斗半长以后，速度逐渐降低。后壁面较之前壁面，风速较大，对滤袋下端造成很大冲击。一部分含尘气流沿壁面上升，另一部分气流沿后壁面下降，在灰斗内形成回流和涡流。部分回流沿前壁面上升，并与入口射流相碰撞，使射流方向向上发生偏移，造成二次扬尘，影响粉尘自重下落，同时严重磨损滤袋底部以及靠近后壁面的滤袋，降低其使用寿命。含尘气体通过滤袋后进入上箱体流通面积的迅速减小使得出口的风速达到最大值。

从图5压强分布云图可以看出，滤袋部分引起的压力损失最大，其它结构引起的压降较小。压强在最大在灰斗后壁处。滤袋压强的分布不均匀，中部的压强比要比外周滤袋的压强大。较大的压强会使滤袋表面组织纤维松散，除尘器若长期保持这种工作状态，滤袋表面会出此案针刺小洞，引起粉尘的泄露。

2.2 滤袋质量流量分析

在进行模拟的过程中，在滤袋的下端设置监测点，观测进入个滤袋的质量流量，检测各个滤袋的质量流率能够真实反映出除尘器内部的气流分布情况，具体数值见图6。从图中可以看出，滤袋的质量流率与其位置有很大关系，处于箱体中部的滤袋质量流率比两端稍大，这与进风口位置有关。进风口处在对称位置处，距离中部滤袋的位置近，射流的作用也会使质量流率增大。每排第一个滤袋的质量流量是最大的，往后开始减小。其中第五排第一个滤袋的数值最大，为0.0094364742kg/s。

3 改进建议

含尘气体在除尘器内部流动速度具有不均匀性，其速度变化范围较大，进风口的射流是由于流动面积突然增大造成的，会磨损滤袋下端，因此可以在滤袋下端设置导流板来改善进风口射流的现象，降低对滤袋的冲击作用。

除尘器内部的压力场也具有不均匀性，导致不同滤袋过滤效率不同，若增加进口直径改善射流现象又会受到实际工况进口的限制。因此今后的研究可以考虑改变进口位置，增设导流板来优化袋式除尘器。

4 结论

本文以MC-64袋式除尘器为原型进行流场模拟，得出主要结论如下：

（1）含尘气体流速以及压强分布在除尘器内部就有不均匀性，由于进口的射流作用，导致后壁面滤袋磨损严重，影响其使用寿命。

（2）针对进口射流现象，提出在滤袋底部增设导流板，改变进口位置的建议来降低滤袋底部的磨损。

参考文献

[1] 齐晓娟，李凤瑞，周晓耘.电除尘器进口矩形烟道气流分布改进的CFD模拟[J].环境工程学报，2011，5 （2）：404-08.

[2] P.B.，J.D.Windbreak Aerodynamics： is Computational fluid Dynamics Reliable.[J]. Boundary-Layer Meteorology.2008，126 （2）：181-208.

[3] B.T.，J.L.，Effect of aggregate storage piles configuration on dust emissions.[J].Atmos. Environ.，2007.41： 360-368.

[4] 王福军.计算流体动力学分析：CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社.2004.

[5] 柴旭昇.袋式除尘器气流均匀性及优化的数值模拟研究[D].衡阳：南华大学.2015.

[6] 李为浩.直通式下进风袋式除尘器内流场研究及结构优化[D].太原：太原理工大学.2016.