文_陈金凤 苗治国 冯志永

1 山西省阳泉生态环境监测中心 2 山西工程技术学院

旋风除尘器可以有效地降低污染物废气中的细小颗粒物，是烟气净化的重要除尘设备。压降和除尘效率是评价旋风除尘器性能的两个重要参数。

入口结构参数是影响旋风除尘器除尘效率的重要影响因素。李振才等和Hideto Yoshida 等对比了带有双入口的旋风除尘器和带有单入口的旋风除尘器的除尘效率，发现双入口结构除尘效率要好很多。Zhao 等数值模拟了螺旋双入口旋风除尘器的除尘性能，结果表明，螺旋双入口气道提高了气流的流型对称性和颗粒的除尘效率。Movafaghian 等研究了两种不同的单入口和一种双入口结构对气液柱状旋流除尘器的流体力学性能，结果表明，只有在接近操作包络线的条件下，双入口结构的流体力学性能才优于单一入口。

目前关于旋风除尘器的研究大部分集中于单入口或双入口旋风除尘器。本文基于常见的单入口旋风除尘器模型，分别建立了一种常规四入口结构和一种新型四入口结构的旋风除尘器三维物理模型。基于CFD 数值模拟，结合k-e 湍流模型和DPM 模型，考虑入口速度、粒径大小和颗粒密度因素的影响，对比了三种不同结构旋风除尘器的除尘性能。

1 数理模型

参考Le 等的文献内容，采用Solidworks 三维制图软件，分别建立了单入口结构（S1）、常用四入口结构（C4）和新型四入口结构（N4）三种不同的旋风除尘器三维模型，如图1和图2 所示。其具体的结构尺寸如图1 和表1 所示，其中表1 中主体的直径D 为290mm。

图1 S1 结构及尺寸示意图

图2 C4 结构和N4 结构

表1 具体结构尺寸

将三种模型导入至ANSYS ICEM 软件中，进行结构化网格划分。其中，对边界层进行了加密处理。同时，为了保证计算准确度，对N4 模型在入口速度20m/s、颗粒粒径3μm、颗粒密度2700kg/m3条件下的网格进行了网格无关性验证，如表2 所示，选用网格总数1708928 的模型进行后续的模拟。

总网格数 除尘效率 相对误差1087691 70.34% -1708928 72.83% 3.53%2375893 72.96% 0.18%

采用稳态计算，开启竖直向下方向的重力加速度。连续相为气体，采用标准k-e 湍流模型；离散相为固体颗粒，选用DPM 模型，不考虑颗粒对流体的作用，曳力方程选用球形颗粒，湍流扩散选用随机漫步模型。入口选用速度入口，出口选用压力出口，中心主体的壁面边界条件设置为reflect，主体下方圆筒出口的壁面边界条件设置为trap，排尘出口的壁面边界条件设置为escape。选用的入口速度参数分别为10m/s、20m/s、30m/s，颗粒粒径大小分别为2μm、3μm、4μm、6μm、8μm、10μm，颗粒的密度分别为700kg/m3、1700kg/m3、2700kg/m3、3700kg/m3。压力速度耦合选用SIMPLE 算法，连续方程、动量方程的残差收敛标准为10-5。

2 结果讨论

2.1 模型验证

对S1 模型在入口速度16.34m/s、颗粒粒径2 ～7μm、颗粒密度2700kg/m3条件下的结果进行了对比，最大误差在33%以内，在工程应用的可接受范围内。

2.2 入口结构

在入口速度20m/s，颗粒密度2700kg/m3条件下除尘效率如图3 所示，本文所建立的新型N4 结构的除尘效率较S1结构、C4 结构有明显提高，尤其是对于粒径低于7μm 的细小粉尘。该结果说明，新型N4 结构在捕集细小粒径的粉尘颗粒有较好的优势。

图3 不同入口结构的除尘效率

2.3 入口速度

针对新型N4 结构，颗粒密度2700kg/m3条件下的除尘效率如图4 所示。随着入口速度的增加，除尘效率也逐渐增加。其原因是，随着入口速度的增加，颗粒所受的离心力越大，气固两相流中的固体颗粒更容易被分离出来，被壁面捕集。当然，在实际工程应用中，入口速度不宜过大。

图4 不同入口速度的除尘效率

2.4 颗粒密度

针对新型N4结构，入口速度20m/s条件下的除尘效率如图5 所示。随着颗粒密度的增加，除尘效率也逐渐增加。颗粒密度的增加会导致颗粒的惯性力增加，其所受的离心力也会增加，气体中的固体颗粒更容易被分离出来，被壁面捕集。

图5 不同颗粒密度的除尘效率

3 结语

本文基于常见的单入口旋风除尘器模型，分别建立了一种常规四入口结构和一种新型四入口结构的旋风除尘器三维物理模型。基于ANSYS FLUENT 模拟，结合湍流模型和DPM模型，考虑入口速度、颗粒粒径、颗粒密度因素的影响，对比了三种不同结构的旋风除尘器的除尘性能。结果表明，新型四入口结构的旋风除尘器均比单入口结构和常规四入口模型有更高的除尘效率，尤其是针对细小粒径的固体颗粒（2～7μm）。