1、 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 I 装 订 线 进风位置对袋式除尘器气流分布影响的数值研究 安全工程 089044056 指导教师： 教授 摘 要 随着重工业不断迅猛的发展，全球环境污染问题日益严重。一些国家和地区为了治理这一环境问题，将颗粒物国家排放标准提高到 50mg/m3，甚至到 30mg/m3以下。袋式除尘器因其高效节能的优点，被广泛应用于空气净化。 本文借助 CFD（ Computational Fluid Dynamics)系列中的 Fluent 软件对同侧下进风、同侧中进风、同侧上进风和异侧下进风袋式除尘器内的速度场和压力场 进行数值模拟。通过对这四种不同进风位置下的袋式
2、除尘器数值模拟结果的对比和分析，选择一种最佳的进风位置。研究结果表明：与其它进风位置相比，同侧下进风袋式除尘器的速度场和压力场分布较均匀，通过每个布袋的流量分配基本均匀，并且，其压力损失最小。所以在这四种进风位置中，同侧下进风是最佳的进风位置。 上述研究结果可以为袋式除尘器的设计和改造提供参考。 关键词： 袋式除尘器 数值模拟 进风位置 气流分布 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 II 装 订 线 ABSTRACT With the rapid development of heavy industry, the global environment has been seriously
3、polluted. To solve this problem, the national standards for particle emission in some countries and regions are increased to 50mg/m3, even below 20mg/m3. The bag filter has been widely used for air purification, due to its high efficiency and energy saving. The velocity and pressure fields with diff
4、erent inlet positions (down inlet, middle inlet and up inlet at the same side, down inlet at another side) were simulated by the Computational Fluid Dynamics (CFD) software-Fluent in the paper. The best inlet position can be chosen through the comparison and analysis of these four numerical simulati
5、on results. The research results show that the bag filter with down inlet at the same side, compared with the other positions, has the more homogeneous velocity and pressure fields and the distribution of flow in all bags is even. Meanwhile, it has the least pressure drop. Therefore, the down inlet
6、at the same side is the best position during the four positions. The results can provide references for designing and reforming the bag filter. Keywords: Bag filter; Numerical simulation; Inlet position; Airflow distribution 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 55 页 第 1 页 装 订 线 1 绪论 1.1 前言 21世纪以来，中国的重工业不断迅猛的发展。随着 科
7、学技术 水平的发展和人民生活水平的提高，环境污染也在增加，特别是在发展中 国家 。环境污染问题越来越成为世界各个国家的共同课题之一。袋式除尘器是治理大气污染的高效除尘设备 ，是一种用于分离细小粉尘的高效分离设备， 对减少气溶胶对大气的污染起重要作用 。 袋式除尘器是利用有机纤维和无机纤维编织物制作的袋式过滤元件将含尘气体中固体颗粒物过滤而出 ,它用于捕集非黏结性、 非纤维性的工业粉尘 , 具有除尘效率高、运行稳定可靠、结构简单及可处理高浓度的含烟尘气等优点 。 袋式除尘器的粉尘排放浓度可达到 10 mg/m3以下 。 在化工、冶金、矿山、机械、水泥、粮食、制药、轻工等行业已得到广泛应用 。 十
8、八世纪 以 前人类主要通过实践经验和试验 来 认识世界，十八世纪牛顿等科学家发明了微积分与力学，从而人 们使用 理论研究探索自然， 即 采用力学与微积分方法把大自然的各种规律归结为一组常微分方程或者偏微分方程。十八世纪至二十世纪，大量的力学家，物理学家和数学家，以毕生的精力投入到这些微分方程的研究及其求解方法 。遗憾的是只有对这些微分方程进行了大量的简化，即在极其理想的条件下，才能得到部分微分方程的解。这种理论研究方法只能获得自然界某些规律的定性认识，因此还不能准确认识这些规律。二十世纪四十年代由于电子计算机的发明和差分方法的提出，以及随后的有限元方法和有限体积法，为数值求解微分方程，准确认识
9、自然规律创造了客观条件。从而产生了数值试验与数值模拟。这种 方法 更优越更没有局限性。但是由于当时计算机能力的限制，人们对自然规律的认识主要还是依靠实践经验和物理实验，数值模拟还只能起到参考与辅助的作用。随着计算机的迅猛发展以及 计算数学与应用数学的长足进步，尤其是以并行计算机和并行计算为基础的高性能计算在二十世纪八十年代的兴起使得计算能力大幅度提高，从而能够精确求解各种复杂的微分方程问题，数值模拟正逐渐成为人类认识自然规律的主要手段，物理实验逐渐变成辅助手段。 本文所采用的就是计算流体动力学数值模拟软件，即 CFD 软件安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 55 页 第 2 页 装 订
10、线 (Computational Fluid Dynamics） ， 简称 CFD。 CFD 是近代流体力 学，数值数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强大生命力的边缘科学。它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。 随着科学技术的不断进步， CFD 软件的种类越来越多，目前 比较好的 CFD 软件有： CFX、 Fluent、 Phoenics、 Star-CD，等等。本文所采用的数值模拟软件是集合了 CFX 和 Fluent的新型软件，即 ANSYS有限元分析软件， ANSYS 是融结构、热、流体、电磁、声
11、学等多物理场于一体的大型通用有限元分析软件，功能强大 ，操作简单。用来模拟袋式除尘器内部流场分布，来分析气流分布的均匀性。 1.2 研究方法 40 年代伴随着计算机技术和数值计算技术的发展，计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics)迅速发展起来，它涉及流体力学、计算方法以及计算机图形学等多种学科。简单的说，就是在计算机上虚拟地做实验，依据流体流动和传热的数学物理模型，将计算区域划分成小的控制体，把控制空气流动和传热的微分方程组离散为非连续的代数方程组，结合实际的边界条件在计算机上数值求解离散所得的代数方程组 。 只要划分的控制体足够小 ，就可以认为离散区域上的离
12、散值代表整个范围内流体分布情况。应用此方法可以研究不同物理条件和不同模型配置下的流体状况，且耗时较少，可极大的降低研究成本。 1933 年，英国人 Thom 首次用手摇计算机数值求解了二维粘性流体偏微分方程，标志着 CFD 的诞生。 1974 年，丹麦的 Nielsen 首次将 CFD 技术用于暖通空调工程领域，对通风房间内的空气流动进行模拟。当时所采用的数学模型较为简单，主要是二维层流等温稳态 Navier-Stokes 方程，我国也于上个世纪七十年代末开始从事此方向研究。八十年代的工作完成了从二维到三维 ，层流到湍流，从稳态到动态，从室内气流到室外建筑绕流的研究。九十年代，随着计算机技术的
13、飞速发展， CFD 技术也获得了长足的进步，主要包括两个方面，一方面是计算方法本身更加完善，如丰富了模型方程，包括标准 k- 模型、修正 k-模型、低雷诺数模型、代数应力方程模型、大涡旋模型等 ;算法研究也取得一些成果，完成了并行算法、区域分解算法、多重网格算法、 SIMPLE 算法等的研究 。 另一安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 55 页 第 3 页 装 订 线 方面，应用也日趋成熟，如解析的对象更全面、更细化，从气流分布到热舒适、空气品质，涉及换气、热辐射、 IAQ (Indoor Air Quality)、自然对流、强制对流、大气扩散、风环境等各个方面 。 应用软件更加多样化，
14、包括 FLUENT、 AIRPAK、PHOENICS、 STAR-CD、 CFX 等。在许多发达国家 CFD 技术已经进入实用阶段，在我国也取得了一些实际工程应用的宝贵经验。 CFD 软件分析的理论基础是有限元分析 （ FEA， Finite Element Analysis） ，利用数学近似的方法对真实 物理系统 （几何 和载荷工况）进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的 (较简单的）近似解，然后推导求解这个
15、域总的满足条件 (如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。 1.3 研究现状及评价 从 1988 年， Fluent 公司成立以后，越来越多的学者使用 Fluent 软件来模拟袋式除尘器中气流流场的分布。起初是使用 Fluent 软件对袋式除尘器中流场分布进行数值模拟分析，给出不同位置上的布袋不同高度上的气流速度图，将模拟结果与实际工程运行情况进行对比，分析其可靠性 1-4。之后诸多学者进行了广泛的模拟分析研究，沈强 2
16、等人的研究结果表明： Fluent 软件可以很好的应用于除尘器的流场模拟。付海明 4等人通过 CFD 软件对袋式除尘器进行数值模拟，研究结果表明：对袋式除尘器流场进行 CFD 模拟计算，将流场速度分布模拟计算结果与实验测试结构对比，试验测试值与模拟值相对误差小于 17.5%。基于 CFD模拟计算结果的高可靠性，计算流体力学软件得到了广泛的应用。 通过袋式除尘器的大量使用，人们发现降低气流流通阻力及延长滤袋的使用寿命，减少振动和噪音，是袋式除尘器现今急需要解决的问题。 袋室是袋式除尘器的执行部分 ， 袋室内的气流分布是决定除尘器工作性能和使用寿命的关键因素 。 气流不均易造成袋室内某个位置的布袋
17、或布袋的某个位置破损 ， 而其他位置安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 55 页 第 4 页 装 订 线 的布袋在除尘过程中所起的作用较小 。 袋式除尘器破损滤袋大部分集中在除尘器下游，这与箱体内部气流状况密切相关。所以合理调整气流分布可以降低运行阻力，延长滤袋的使用寿命，减少振动和噪音。但是 袋式除尘器内气流分布比较复杂 ， 不容易进行试验测试 ， 对袋式除尘器气流均匀性的研究 极其困难。 袋式除尘器有着较为复杂的结构 ， 其内部的多相流场也十分复杂 ， 尤其是湍流更为复杂。由于传统的试验方法受多种条件限制 ， 而数值模拟在这方面有着很大优势 ， 因而研究 主要是使用计算流体动力学软件
18、 对袋式除尘器内部湍流流场 进行数值模拟分析 。 1.3.1 研究动态 近年来 , 许多学者对袋式除尘器气流分布进行了模拟研究 4-13，其中：付海明等人对袋式除尘器进行模型建立，并确定数值计算方法和评价流场分布的基本参数后，对该袋式除尘器进行数值模拟，得到整个袋式除尘器的流场速度分布图。而后，又将整个布袋除尘器中设定十个截面，在这十个截面上进行测点的布置，来进行实验测定布袋上的过滤风速，得到测定位置的气流速度分布图，将实验得到的结果与模拟结果进行对比 4。张广朋等人根据同样的原理，采用数值模拟方法对袋式除尘器的内部流场进行了研究 ， 发现原设计方案存在气流分布不均匀、设备阻力过大、粉尘沉降困
19、难等问题 ， 提出了增加进风口和在进气通道内添加导流板 的改进措施 5。 赵汝海等人同样对袋式除尘器中的湍流流场进行数值模拟分析，发现袋式除尘器内部有着复杂的湍流流场 ， 形成的漩涡回流易造成尾部滤袋磨损和破坏。通过模拟气相流动 ， 分析了袋式除尘器内部各处速度流场、气体流场轨迹的情况 ， 模拟结果较为真实地反映了实际情况 ， 可为下一步气流道优化提供了理论依据 6。李少华等人采用 Fluent 软件对袋式除尘器内部的流场分布进行数值模拟，分析流场分布的均匀性。结果发现，除尘器内的气流分布不均匀是导致滤袋容易破损的主要原因，在除尘器内加导流板可以改善除尘器内气流分布的均匀性，减少 滤袋的磨损
20、7。 李萌萌等人是对袋式除尘器中的单元气流组织进行数值模拟分析，通过模拟分析得到了沿滤袋高度方向过滤风速的分布，以及袋间隙气流抬升速度在不同高度上的分布特征。结果同样表明过滤风速和气流抬升速度依然分布不均匀，并且得到了气流速度的分布图 8。李勇等人通过 Fluent 软件安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 55 页 第 5 页 装 订 线 模拟，得到了袋式除尘器中的内部流场的静压、气流的速度分布和通过滤袋的气流的质量流量，通过观察和分析模拟得到的气流速度分布图和各滤袋的气流质量流量分布图，预测滤袋的破损情况，进而验证了工况下滤袋破损的现象 9。高广德等人对脉冲袋式 除尘器内部流场进行模拟
21、分析，同样验证了除尘器内部流场的极度不均匀性。并且提出，灰斗中存在明显的射流和回流现象。进而提出了解决措施和改进方案，即在除尘器入口增设导流板或分布板 10。 桑亮等人在除尘器内部没有挂装滤袋况下，对布袋除尘器内部未布置导流板和加有导流板的内部流场分布进行测试，发现安装导流板的气流均布性与没有气流均布装置时相比有很大提高，但其忽略了内部滤袋的影响，试验测试结果不能完全反映袋式除尘器内部流场的实际分布 11。 侯文龙等人针对内滤式袋式除尘器的运行情况 , 分析了气流分布不均的原因 , 并提出 了改进进气口和在下箱体中添加导流板的措施。采用CFD 软件计算得到改进前、后除尘器内的流场、流线分布和粒
22、子轨迹等。改进后气流分布、各部分的烟气处理量、粒子分布都更均匀 , 气流速度变化减小 , 使除尘器各部分都能起到良好的收尘作用 , 也可以有效地减少滤袋的磨损 , 提高除尘效率和运行稳定性 12。胡满银等人对外滤式袋式除尘器滤袋内的流场进行了数值模拟，分析了滤袋出口压力、过滤风速、滤袋尺寸以及入口气流均匀性对滤袋内流场的影响，通过分析模拟得到的速度分布图，提出了使滤袋内流场均匀的合适滤袋尺寸和运行条件，是气流分 布更加均匀 13。 许多学者也对进风位置不同的除尘器进行了数值模拟分析： 高晖 等人研究了下进风式的袋式除尘器内部气固两相流动，并进行数值模拟，得到了流体运动的轨迹图和压力等值线图，通
23、过分析发现，下进风式的袋式除尘器在下箱体中部形成了一个很强的漩涡回流区，使袋式内部流动在总体上形成了回流特征，并且箱体内的压力分布极不均匀 14。 时红梅等人采用 CFD软件，对下进风袋式除尘器进行模拟分析， 分别选取了过滤速度和渗透率的 4种工况对下进风袋式除尘器的流场进行了数值模拟计算 , 研究其对气流稳定性的影响。结果表明 : 随着 过滤风速的增大 , 下进风除尘器内气流分布的不均匀现象反而变得更严重 ; 随着渗透率的增加 , 气流速度变化就越剧烈 , 气流的分配也就越不均匀 15。 高广德等人分别对下进气方式下的直管式和四棱台式两种不同进口结构的袋式除尘器内部流场进行模拟，根据数值模拟
24、的结果，对其进行各自内部流场均匀性的分析研究，在此安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 55 页 第 6 页 装 订 线 基础上对两种不同进口结构的袋式除尘器内部流场的性质进行比较 16。许可等人利用 FLUENT 软件分别对下进式以及中进式这两种不同进风方式的除尘器内部流场进行模拟，根据数值模拟的结果分别对这两种除尘器各自内部流场 的特性进行了分析，并在此基础上对这两种除尘器进行比较，找出两者的优劣 17。黄莺等人对广泛使用的 5种袋式除尘器进风结构型式进行了介绍分析，并分别对其结构建立了简化物理模型，分析了每种结构型式对箱体内气流分布的影响，通过模拟分析的结果发现中箱体进风使气流分布更
25、为均匀，下箱体进风易在箱体下部形成大型剧烈涡流，增加气流分布板有助于减轻高速气流和涡流造成的二次扬尘影响18。 1.3.2 现状评价 以上有的学者只是根据下进风式除尘器内部的流场分布进行模拟分析，考虑了除尘器内部的静压，入口气流的均匀性、过滤风速、 风速沿高度的分布、出口的压力和灰斗中的射流和回流等对气流分布的影响，从而提出了增加导流板或分布板等改进措施。有的学者对于不同进风结构型式的袋式除尘器内部气流分布进行模拟分析，对不同进风结构下的气流分布进行比较。但是上述研究均没有考虑除尘器进风位置的不同对于气流分布的影响。由于进口位置可以有很多种，并且进口位置的不同会对流场分布有极大的影响，影响入口
26、气流的均匀性和气流在除尘器中的流线，是否会产生回流和涡流等等。 有极少数的学者对 两种不同进风位置的袋式除尘器内部气流分布进行分析，但是除了下进风和中进风以外还有上 进风式需要分析。 1.3.3 研究内容、目的及意义 通过大量的文献阅读工作、查阅资料和思考分析，本课题将对不同进风位置下的袋式除尘器进行数值模拟分析，包括对同侧下进风、同侧中进风、同侧上进风和异侧下进风四种不同的进风位置进行模拟。通过模拟得到除尘器内部的流场分布图，对于不同进风位置下的流场分布进行对比，分析不同的进风位置对流场分布的影响。其次，通过模拟得到的速度分布和速度矢量图，对除尘器内部的流场分布是否均匀进行分析，并且通过模拟
27、得到的布袋出口的速度值，对通过每个安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 55 页 第 7 页 装 订 线 布袋的流量进行计算及分析，检验通过每个布袋的 流量是否均匀。最后，通过计算除尘器内的压力损失，来确定哪种进风位置的压降最小，并且根据上述的模拟和分析结果对每个布袋的寿命进行对比，预测哪个布袋预先破损。通过上述的分析结果，进行综合评估，找到最佳的进风位置，为除尘器的设计和改进提供依据。 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 55 页 第 8 页 装 订 线 2 CFD软件的简介及应用 2.1 CFD简介 CFD是英文 Computational Fluid Dynamics（ 计算流
28、体动力学 ） 的简称。它是伴随着计算机技术、数值计算技术的发展而发展的。简单地说， CFD相当于 “虚拟 “地在计算机做实验，用以模拟仿真实际的流体流动情 况。而其基本原理则是数值求解控制流体流动的微分方程，得出流体流动的流场在连续区域上的离散分布，从而近似模拟流体流动情况。可以认为 CFD是现代模拟仿真技术的一种。 2.1.1 CFD的产生 1933年，英国人 Thom首次用手摇计算机数值求解了二维粘性流体偏微分方程， CFD由此而生。 1974年， 丹麦 的 Nielsen首次将 CFD用于暖通空调工程领域，对通风房间内的空气流动进行模拟。之后短短的 20多年内， CFD技术 在暖通空调工
29、程中的研究和应用进行得如火如荼。如今， CFD技术逐渐成为广大空调工程师和建筑师解决分析工程问题的有力工具。 CFD是一种模拟仿真技术，在暖通空调工程中的应用主要在于模拟预测室内外或设备内的空气或其他工质流体的流动情况。以预测室内空气分布为例，目前在暖通空调工程中采用的方法主要有四种：射流公式， Zonal model， CFD以及模型实验。 由于 建筑空间 越来越向复杂化、多样化和大型化发展，实际空 调通风房间的气流组织形式变化多样，而传统的射流理论分析方法采用的是基于某些标准或理想条件理论分析或试验得到的射流公式对空调送风流的轴心速度和温度、射流轨迹等进行预测，势必会带来较大的误差。并且，射流分析方法只能给出室内的一些集总参数性的信息，不能给出设计人员所需的详细资料，无法满足设计者详细了解室内空气分布情况的要求 。 Zonal model是将房间划分为一些有限的宏观区域，认为区域内的相关参数如温度、浓度相等，而区域间存在热质交换，通过建立质量和能量守恒方程并充分考虑了区域间压差和流动的关系来研究房间内的 温度分布以及流动情况，因此模
