宋凱　孫志坤　劉濤　趙子赫（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），北京　100083）

蜂窩式填料礦用除塵風(fēng)機(jī)的CFD模擬

宋凱孫志坤劉濤趙子赫
（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），北京100083）

針對(duì)日益嚴(yán)重的井下煤塵污染，自主設(shè)計(jì)了濕式蜂窩擾流濾芯除塵器。介紹了此新型除塵器的除塵機(jī)理及結(jié)構(gòu)組成，搭建了除塵器的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以便與后續(xù)的仿真模擬做對(duì)比。建立濕式蜂窩擾流濾芯除塵器的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)其進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，針對(duì)各種邊界條件進(jìn)行了分析，模擬了單相氣相、氣液兩相、氣固兩相流中的圖湍能和速度分布，為風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)提供了參考。

濕式除塵蜂窩擾流濾芯CFD模擬

隨著我國(guó)能源工業(yè)的不斷發(fā)展，煤礦開(kāi)采的機(jī)械化程度也越來(lái)越高，功率大、效率高的綜采、綜掘設(shè)備得到了廣泛的使用。由此產(chǎn)生的負(fù)面影響也是顯著的，井下工作面、巷道內(nèi)的粉塵產(chǎn)生量急劇增加。井下粉塵污染不僅會(huì)使勞動(dòng)者患上塵肺病，而且造成設(shè)備磨損，儀器失靈，并在一定條件下引起煤塵爆炸，嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)。

粉塵的危害早已為人們所知，并且采取了很多措施進(jìn)行預(yù)防。比如在開(kāi)采前的煤層注水，增加煤的含水量；在掘進(jìn)機(jī)、采煤機(jī)上安裝內(nèi)外噴霧裝置，進(jìn)行噴霧除塵；利用井下風(fēng)流進(jìn)行通風(fēng)除塵，稀釋空氣中的煤塵含量等等。但是取得的效果有限，空氣中煤塵含量依然遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。這就說(shuō)明需要一種更為高效的，專(zhuān)門(mén)為煤礦井下除塵用的設(shè)備［1］。

近年來(lái)，我國(guó)引進(jìn)了一些除塵設(shè)備，但是因?yàn)轶w積大，功耗高，無(wú)法適應(yīng)我國(guó)的井下環(huán)境。而國(guó)內(nèi)研制的一些除塵設(shè)備，因?yàn)榫滤|(zhì)、粉塵性質(zhì)等各種原因而無(wú)法在井下正常工作。因此，開(kāi)發(fā)一種適于我國(guó)國(guó)情的井下除塵設(shè)備成為改善工人作業(yè)環(huán)境，保障煤礦安全生產(chǎn)的當(dāng)務(wù)之急［2］。

1　蜂窩式填料除塵器簡(jiǎn)介

為了有效去除空氣中的煤塵顆粒，本文提出并設(shè)計(jì)了濕式蜂窩擾流濾芯除塵器。在該除塵器中，最關(guān)鍵的組件是蜂窩擾流濾芯。蜂窩是指濾芯內(nèi)部蜂窩狀的六邊形結(jié)構(gòu)，擾流則是指流體在圓柱后形成的卡門(mén)渦街對(duì)于平板邊界層產(chǎn)生的擾動(dòng)作用，因此又將圓柱稱(chēng)為擾流柱。如圖1所示［3］。

圖1　蜂窩式填料

1.電機(jī)　2.噴頭　3.蜂窩擾流濾芯　4.脫水網(wǎng)　5.導(dǎo)流板　6.集污槽圖2　濕式蜂窩擾流濾芯除塵器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖

圖3　濕式蜂窩擾流濾芯除塵器計(jì)算區(qū)域

圖4　濕式蜂窩擾流濾芯除塵器計(jì)算區(qū)域

圖5　湍動(dòng)能（uin=5.54m/s）Fig.5 Turbulent Kinetic Energy（uin=5.54m/s）

濕式蜂窩擾流濾芯除塵器（蜂窩擾流濾芯除塵器）是一種濕式除塵器，如圖2所示，主要作用介質(zhì)是水。除塵用水通過(guò)噴嘴向蜂窩擾流濾芯器壁表面噴水，在其壁面和濾芯內(nèi)的擾流柱表面形成一層連續(xù)的水膜，當(dāng)含塵空氣通過(guò)蜂窩狀濾芯時(shí)，其中較大粒徑的粉塵顆粒會(huì)因?yàn)閼T性而撞擊到蜂窩濾芯內(nèi)呈交叉分布的擾流柱，被其壁面的液膜被捕獲，而較小的顆粒則由于較好的跟隨性，隨著氣體分子繞過(guò)擾流柱。而在擾流柱后面，卡門(mén)渦街與蜂窩壁表面液膜邊界層形成復(fù)渦黏，強(qiáng)化了渦團(tuán)間的作用，小顆粒的擴(kuò)散作用增強(qiáng)，均勻分布在空氣中。在含塵空氣與濾芯體壁上的液面接觸時(shí)，小顆粒被液膜捕集達(dá)到除塵的效果。此外，濕式蜂窩擾流濾芯除塵器還具有氣體的冷卻和吸收作用，而且蜂窩擾流濾芯方便更換，所以日常的維護(hù)更加容易，使用壽命更長(zhǎng)。

2　濕式蜂窩擾流濾芯除塵器的CFD建模

從上面的分析可以知道，濕式蜂窩擾流濾芯除塵器內(nèi)流場(chǎng)屬于稀相多相流，本文將采用歐拉—拉格朗日方法對(duì)濕式蜂窩擾流濾芯除塵器內(nèi)的多相流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬。其中先采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型對(duì)連續(xù)相氣流進(jìn)行模擬，再使用RSM對(duì)其進(jìn)行模擬，然后將模擬的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析；使用DPM模型對(duì)實(shí)驗(yàn)中的顆粒相進(jìn)行模擬，氣固相間采用速度與壓力的動(dòng)量耦合，并驗(yàn)證該模型在濕式蜂窩擾流濾芯除塵器內(nèi)多相流數(shù)值模擬的可行性［4］。

2.1模型假設(shè)與簡(jiǎn)化

（1）含塵氣體視為不可壓縮的牛頓流體；

（2）除塵用噴霧液滴為球形；

（3）含塵空氣與液滴間不存在傳質(zhì)、傳熱和化學(xué)反應(yīng)；

（4）忽略噴嘴及其他附件對(duì)流場(chǎng)的影響；

（5）由于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為圓形截面，所以簡(jiǎn)化為二維模型進(jìn)行模擬。

2.2物理模型與網(wǎng)格的劃分

為了驗(yàn)證濕式蜂窩擾流濾芯除塵器除塵機(jī)理的正確性，根據(jù)理論模型搭建了實(shí)驗(yàn)用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的物理模型簡(jiǎn)化后，得到如以下模型，如下圖3所示。

對(duì)濕式蜂窩擾流濾芯除塵器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行簡(jiǎn)化后的模型劃分網(wǎng)格，劃分結(jié)果如圖4?？紤]到流管的對(duì)稱(chēng)性，三維的模型可以通過(guò)有條件的簡(jiǎn)化，生成二維的數(shù)學(xué)模型。

（1）進(jìn)口條件。濕式蜂窩擾流濾芯除塵器進(jìn)風(fēng)口設(shè)定為速度型進(jìn)口，室溫狀態(tài)，進(jìn)口速度u分別取3.0m/s、3.5m/s、4.8m/s、5.5m/ s、6.4m/s，方便與物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。同時(shí)假定進(jìn)風(fēng)口為均勻流速，且在除塵器內(nèi)部流場(chǎng)充分發(fā)展。

圖6　湍動(dòng)能（uin=5.54m/s）

（2）出口條件。出口為外界大氣壓，所以出口邊界設(shè)定為有壓邊界出口。

（3）壁面條件。除塵器壁面均為固體表面，所以進(jìn)行無(wú)滑移邊界條件處理，近壁面使用標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)進(jìn)行模擬。（4）離散相模擬。離散相進(jìn)行如下的假設(shè)后使用隨機(jī)軌道模型：

1）顆粒粒徑：實(shí)驗(yàn)用顆粒為煤塵，所以假定顆粒粒徑符合Rosin-Rammler分布；

2）顆粒數(shù)目：實(shí)驗(yàn)用風(fēng)近似勻速，所以顆粒按照一定的速率釋放；

3）邊界條件：由于采用濕式除塵法，且采用水膜除塵，所以當(dāng)顆粒碰到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)壁面，擾流柱壁面以及蜂窩擾流濾芯壁面時(shí)，都可以認(rèn)為是被捕塵體捕獲，只有出口壁面設(shè)置為逃逸。

3　蜂窩擾流濾芯模型數(shù)值模擬的結(jié)果分析與討論

按照上述方法對(duì)濕式蜂窩擾流濾芯除塵器進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了以下結(jié)果。

3.1單相氣相模擬

氣相的湍能分布如下：

由圖5可以看出，k-ε模型與RSM模型在入口速度為5.54m/ s時(shí)，二者的模擬結(jié)果都能夠反映出濕式蜂窩擾流濾芯除塵器內(nèi)的湍流情況。并且蜂窩擾流濾芯內(nèi)部都出現(xiàn)了強(qiáng)度在1.60m2/s2左右的較強(qiáng)湍流。湍動(dòng)能的提升加劇了粉塵的湍流擴(kuò)散，促進(jìn)了除塵器內(nèi)部各相的混合接觸，對(duì)于提高除塵器的除塵效果起了積極的作用。

3.2氣固兩相流的模擬

單獨(dú)的氣相流場(chǎng)模擬比較簡(jiǎn)單。相較于單獨(dú)的氣相流場(chǎng)，含有固體顆粒的氣、固混合兩相流具有一些特殊的性質(zhì)，下面就氣固兩相流進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的數(shù)值模擬。

氣相的湍能分布如下：

由圖6可以看出，k-ε模型與RSM模型在入口速度為5.54m/ s，空氣含塵濃度9g/m3時(shí)，二者的模擬結(jié)果都能夠反映出濕式蜂窩擾流濾芯除塵器內(nèi)的湍流情況。并且蜂窩擾流濾芯內(nèi)部都出現(xiàn)了強(qiáng)度在1.60m2/s2左右的較強(qiáng)湍流。湍動(dòng)能的提升加劇了粉塵的湍流擴(kuò)散，促進(jìn)了除塵器內(nèi)部各相的混合接觸，對(duì)于提高除塵器的除塵效果起了積極的作用。

圖7　加噴水的速度場(chǎng)

3.3氣液兩相流的模擬

在濕式蜂窩擾流濾芯除塵器的除塵過(guò)程中，要始終保持噴水對(duì)蜂窩擾流濾芯內(nèi)壁表面的噴水過(guò)程，以保證擾流濾芯內(nèi)壁不斷被沖刷，達(dá)到“自清潔”的目的。所以，本文對(duì)氣液兩相也進(jìn)行了模擬，用以表明液氣比對(duì)流場(chǎng)的影響。

氣液兩相流氣相速度場(chǎng)的模擬結(jié)果如下：

如圖9所示，濕式蜂窩擾流濾芯除塵器在噴淋過(guò)程中的氣相速度矢量分布圖和蜂窩擾流濾芯附近速度矢量圖說(shuō)明，相較于無(wú)噴淋的速度場(chǎng)，在氣液兩相流場(chǎng)中氣液兩相發(fā)生強(qiáng)烈的耦合作用，造成擾流柱附近的湍流程度降低，在擾流柱的后方，由于液相的加入，原本清晰的卡門(mén)渦街現(xiàn)象已經(jīng)不那么明顯，速度梯度邊界層更加明顯，但是湍流程度稍微降低，氣相液相間接觸面積有所降低，氣液兩相摻混明顯，粉塵與液滴的碰撞幾率反而增加。所以，過(guò)大的液氣比雖然降低了空氣與液膜接觸層的厚度，但是其除塵效率并沒(méi)有降低。但是從降低消耗，節(jié)約能源的角度來(lái)說(shuō)，需要盡量的減小液氣比，降低消耗，所以還是可以從增加空氣與液膜接觸層厚度的角度來(lái)考慮提高捕集粉塵顆粒的效率。

4　結(jié)語(yǔ)

本章采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)建立了模型，分析了濕式蜂窩擾流濾芯除塵器的性能，對(duì)除塵器內(nèi)空氣的流動(dòng)特性進(jìn)行了模擬，得出以下結(jié)論。

（1）對(duì)濕式蜂窩擾流濾芯除塵器內(nèi)部氣相流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，RSM湍流模型能更精確地反映各項(xiàng)的旋流運(yùn)動(dòng)。模擬結(jié)果以圖形的方式來(lái)觀察濕式除塵器湍動(dòng)能分布，可以指導(dǎo)除塵器的設(shè)計(jì)。

（2）模擬氣固兩相流過(guò)程中假定入口風(fēng)速5.54m/s，空氣含塵濃度9g/m3，采用了RSM和DPM模型，分別對(duì)速度、壓力和DPM濃度等進(jìn)行了模擬。模擬結(jié)果證明，氣體中的顆粒進(jìn)入除塵器后，隨空氣繼續(xù)前進(jìn)，大粒徑的顆粒由于慣性與擾流柱或者除塵器內(nèi)壁表面發(fā)生碰撞或攔截而被捕集，小粒徑的顆粒隨氣流繞過(guò)擾流柱后，在擾流柱后發(fā)生凝聚或者因?yàn)閿U(kuò)散效應(yīng)而被蜂窩擾流濾芯器壁表面水膜被捕獲。同時(shí)經(jīng)過(guò)蜂窩擾流濾芯壓降增加約60Pa；且隨入口速度增加，壓降增加。

（3）當(dāng)入口速度為5.54m/s，液氣比控制在0～0.3L/m2時(shí)，對(duì)除塵器內(nèi)部流場(chǎng)的氣液兩相流進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果說(shuō)明，噴水液滴對(duì)于流場(chǎng)有著整流的作用，使得蜂窩擾流濾芯內(nèi)部的湍流相對(duì)弱化，擾流柱后的渦街減弱，但擾流柱上下兩側(cè)湍流增大，周?chē)俣忍荻燃?jí)別增多；蜂窩擾流濾芯前后的壓降降低；出口液氣比增加，并可能帶有部分液滴。

［1］史興國(guó).煤礦粉塵控制.金屬礦山，2009，11:776～779.

［2］徐景德.礦塵防治.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1992:12.

［3］郭建明.KSWS濕式除塵裝置在石圪節(jié)礦井的應(yīng)用.煤，2009，18（6）: 71～72，76.

［4］歐陽(yáng)潔，李靜海.模擬氣固多相流動(dòng)非均勻結(jié)構(gòu)的顆粒運(yùn)動(dòng)分解軌道模型.中國(guó)科學(xué)（B輯），1999，29（1）:29～38.

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