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1、摘要旋风除尘器是一种重要的气-固分离设备，因为其结构简单、设备紧凑、制造容易、成本相对较低等优点，被广泛应用于矿山、化工、能源、环保、冶金、建材等众多工业领域。然而往往因其结构设计不正确，尺寸匹配不合理等因素限制了除尘效率的提高，并且能耗很大。当前，随着经济增长及国家对环境保护日益重视，工业生产中，迫切需要一种高效率低能耗的新型旋风除尘器。为此，本文针对旋风除尘器传统设计方法不够完善，通用性差及其内部三维流场规律认识不全面等问题，采用优化设计和数值模拟相结合的研究方法，考察分析了不同情况下的颗粒运动轨迹及不同入口颗粒浓度、不同排气管插入深度、不同进气口形状、不同直管长度等操作与结构参数对分离性
2、能的影响；采用Fluent软件进行数值模拟，基于上述的数值模拟结果，有效地预测了优化型旋风除尘器结构尺寸匹配的合理性及提出的优化设计方法的可行性，从而为今后旋风除尘器的研制提供了一种通用的设计方法。因此本文的研究无论是在工程应用，还是在理论研究方面上都具有十分重要的价值。关键词：旋风除尘器；优化设计；数值模拟；FluentABSTRACTCyclone separator is an important gas-solid separation equipment, which has many advantages, such as simple structure, compact equ
3、ipment, easy to manufacture, relatively low-cost and so on. So it has been widely applied in the mining,chemical industry, energy source,environmental protection, metallurgy, building materials and the other industrial fields. However, because of unreasonable structure design and size matchingfactor
4、s, which restrict the efficiency improving, besides it wastes more energy consumption.At present, with the rapid growth of the economy and paying more attention to environmental protection, people urgently need to research a new type cyclone separator that has much higher separation efficiency and l
5、ower consumption. Therefore, in view of the unperfect separation model and the weak prevalence of the traditional design method. In addition, people cant understand accurately the separation theories of cyclone separator. Using numerical simulation and optimal design combination of research methods,
6、 For example, different inlet particle concentration, different insert depth and inlet shape, diffIerent vertical tube length of cyclone separator. Going on the 3D flow field numerical simulation with Fluent, based on theresults of 3D flow field numerical simulation, prove the rationality of the siz
7、e match and the feasibility of the design optimization and propose auniversal design method for the future provision of cyclone separator. Therefore, it has significant application value in the engineering application and theoretical research.Key words:Cyclone separator; Optimization design; Numeric
8、al simulation;Fluent目录第一章 绪论11.1论文研究的目的11.2论文研究方法及内容1第二章 旋风除尘器的分离理论与性能分析32.1 旋风除尘器的工作过程32.2 旋风除尘器内部的旋流42.3 旋风除尘器的分离理论52.4 旋风除尘器的性能评价指标82.5影响除尘器的性能的因素10第三章 CFD原理153.1 CFD简介153.2 常用 CFD 软件153.3 CFD理论基础163.4 常用离散化方法173.5 CFD中的三维湍流模型183.6 CFD求解过程18第四章 STAIRMAND型旋风除尘器的流场模拟204.1 Stairmand型旋风除尘器结构尺寸的确定204.
9、2 FLUENT流畅模拟21第五章 OC型旋风除尘器的结构设计及流场模拟275.1 改进思想275.2 改进措施275.3 OC型旋风除尘器的除尘机理305.4 OC型结构设计315.5 OC型旋风除尘器流场模拟34第六章 结论与展望406.1 课题结论406.2 课题展望40致谢4343第一章 绪论旋风除尘器自从应用于工业生产以来，已将近有百余年的历史。但是因为其结构设计尺寸不合理等因素限制了除尘效率的提高，并且能耗很大。当前，因为国民经济的不断增长，国家提出了“节能减排”战略，在工业生产中，迫切需要研制高效率低能耗的新型旋风除尘器。为此，本文针对旋风除尘器传统设计方法不够完善，通用性差及其
10、内部三维流场规律认识不全面等问题，采用优化设计和数值模拟优化相结合的研究方法，首先基于经典的Leith-Licht边界层分离理论，建立了旋风除尘器优化设计数学模型，通过经验公式得出了设计工况下的结构尺寸；然后以优化出的旋风除尘器为研究对象，通过商业软件FLUENT，对其内部气相流场进行了数值模拟，对旋风除尘器内部的固相颗粒进行了数值模拟研究，考察分析了不同情况下的颗粒运动轨迹及不同入口颗粒直径等对分离性能的影响；最后，基于上述的数值模拟结果，有效地预测了优化型旋风除尘器结构尺寸匹配的合理性及提出的优化设计方法的可行性。本文的研究无论是在工程应用，还是在理论研究方面上都具有十分重要的价值。1.1
11、论文研究的目的随着工业的迅猛发展，操作条件变的更为苛刻，工作环境变得更为复杂，对旋风除尘器性能的要求也在一直提高。一方面要求旋风除尘器具有更高的分离效率；另一方面要求旋风除尘器的压力损失进一步减小，以降低能耗。所以，迫切需要研制出高效能且低能耗的新型旋风除尘器。通常是采用具有针对性地开发新结构或优化各部分尺寸的方法，来减少不利因素的影响，以达到高效除尘的目的。但由于旋风除尘器的分离捕集过程是一种极为复杂的三维、气-固湍流运动，致使给理论与试验研究造成很大困难，至今仍无法全面掌握其内部流场的分离规律，更不能从理论上建立一套完整的数学模型来指导旋风除尘器的设计工作，从而使得旋风除尘器在除尘过程中往
12、往因结构设计不当、尺寸匹配不合理、能耗较高等问题影响旋风除尘器的除尘效果。希望本文的研究能为今后在旋风除尘器的优化设计和分离特性研究等方面，提供一些有意义的参考和理论指导。1.2论文研究方法及内容本课题以旋风除尘器为研究对象，采用理论分析、优化设计、数值模拟及对比验证的研究方法，从结构尺寸优化和内部三维强旋转流场数值模拟两方面来进行深入的研究与分析。为此，主要展开以下的研究工作：（1）针对目前旋风除尘器结构设计中存在的问题，引入优化设计思想，通过变量的选取、目标函数及约束条件的确定，建立优化设计数学模型。（2）以优化出的旋风除尘器为研究对象，利用CFD商业软件FLUENT对其进行三维流场的数值
13、模拟研究，并建立一套适合旋风除尘器内部流场模拟的数值计算方法。（3）在三维气固两相流场的基础上，重点考察分析入口颗粒浓度参数对旋风除尘器分离性能的影响。（4）通过对优化型旋风除尘器的数值模拟研究，进一步考察分析优化型旋风除尘器的分离性能及提出的优化设计方法的可行性。本文总的研究分析路线按图1.21展开。对旋风除尘器分离机理及评价性能指标进行理论分析及研究对旋风除尘器结构尺寸进行优化设计研究对优化型旋风除尘器三维流场进行数值模拟研究进一步考察分析优化型旋风除尘器的分离性能及优化设计方法的可行性对优化型旋风除尘器的分离性能进行初步分析进一步揭示旋风除尘器内部流体的运动规律及分离特性图1.1 理论研
14、究的步骤第二章 旋风除尘器的分离理论与性能分析2.1 旋风除尘器的工作过程旋风除尘器主要由筒体、圆锥体、进气管、排气管和排灰管等五部分组成，旋风除尘器的工作过程是：图2.1 1.进气口；2.排气口；3.筒体；4.旋流；5.锥体；6.排灰管 当含尘气流从进气口以较高的切向速度(一般为12-25m/s)进入旋风除尘器圆筒部分后，气流将由直线运动变为圆周运动，并沿内外圆筒间的环路空间和锥体部位做自上而下的螺旋线运动，称外旋流。含尘气流在旋转过程中产生很大的离心力，由于尘粒的惯性远大于空气，因此密度大于空气的尘粒会被甩向器壁。尘粒一旦与器壁接触，碰撞，便失去惯性力而靠入口速度的动量和重力沿壁面下落，与
15、气体分离，最后经锥体底部排入灰斗内。旋转下降的外旋气流在圆锥部分运动时，随圆锥形体的收缩向除尘器中心靠拢。根据“旋转矩”不变原理，其切向速度不断提高，尘粒所受离心力也不断加强。当气流到达圆锥体某一位置时，便以同样的旋转方向形成一股由下而上的螺旋线运动，称内旋流。最后净化的气体经排气管排出，一部分未被捕集的尘粒也由此逃逸。旋风除尘器内的实际气流运动是非常复杂的，除了切向和轴向运动外，还有径向运动。如在外旋流有少量气体沿径向运动到中心区域，在内旋流也存在着离心的径向运动现象。图2.2 旋风除尘器实图2.2 旋风除尘器内部的旋流根据旋风除尘器的工作过程，除尘器内部的气体流动可以看成是一个旋涡运动，其
16、内部的气-固两相流运动是非常复杂的。含尘气流在旋风除尘器内作旋转运动时，任何一流体质点的速度矢量均可分解为三个速度分量，即切向速度,径向速度，轴向速度2。对粉尘颗粒捕集分离起主导作用的速度分量是切向速度,径向速度。前者产生径向加速度，使粉尘颗粒在半径方向具有由里向外的离心沉降速度！使得颗粒与圆筒壁而被分离；后者是把粉尘颗粒在半径方向由外向里推到中心涡流，而后随上升流从排气管逃逸。这是旋风除尘器内流场中三个速度分量中的一对主要矛盾，称为主流。另外，径向速度K与轴向速度也构成一对矛盾，也影响着除尘器的除尘效率，称为次流。除了上面描述的主流与次流，还有不少我们不需要的涡流，它们对旋风除尘器的除尘效率
17、和压力损失影响较大，主要有以下几种：(1)短路涡流在旋风除尘器顶盖、排气管外壁与简体内壁之间，由于径向速度与轴向速度的存在，将形成局部上涡流，夹带着相当数量的粉尘颗粒向中心流动，并沿着排气管外表面下降，最后随上升流逃逸排气管，从而降低除尘效率。(2)外旋流中的局部涡流由于除尘器壁面的不光滑，如突起、焊缝等，可产生与主流方向垂直的涡流。尽管强度较小，但这种涡流会使已被甩到壁面的颗粒重新卷到内旋流中去，甚至可使较大的尘粒也被带出排气管，降低了旋风除尘器的分离能力和除尘效率。(3)纵向旋涡流纵向旋涡流是以旋风除尘器内、外旋流分界面为中心的器内再循环而形成的纵向流动。由于排气管内的有效流通横截面积小于
18、排气管下端口的有效横截面积，因此在排气管下端口处产生“节流”效应，从而使气体对大颗粒的拖曳力超过颗粒所受的离心力，造成“短路”，进而影响分离性能。(4)底部夹带涡流外层旋流在锥体底部向上返转时，也可以产生局部涡流将粉尘颗粒重新卷起，形成二次夹带。底部夹带的粉尘量占从排气管带出粉尘总量的20%-30。因此，采用合理的结构设计，以此来减少底部夹带是改善旋风除尘器除尘效率的重要方面。2.3 旋风除尘器的分离理论(1)转圈理论2转圈理论也可以称为沉降分离理论，是在类比重力沉降室的沉降原理的基础上发展起来的。图23为重力沉降示意图。图2.3 重力沉降示意图在沉降室中，粉尘在自身重力作用下以速度向下沉降，
19、同时粉尘又以水平速度向前移动，只要沉降室有足够的长度，则粉尘颗粒就能在到达沉降室出口前，沉降到底板而被分离。即沉降室的长度三与尘粒在沉降室内的沉降高度应满足下列关系式： 0 （2-1）式中，尘粒在沉降室内停留时间，单位s。旋风除尘器也有径向向外的离心沉降速度，也有旋转切向速度，如果旋转圈数足够多，即展开后的长度相当于水平沉降室的长度，则粉尘就能从排气管外壁与圆筒内壁间的环形空间被分离。依据转圈理论，把进入除尘器内的气流假定为等流速(速度分布指数)。而尘粒随气体以恒定的切向速度(与位置变化无关)由内向外克服气流对它的阻力，穿过整个气流宽度，流经一个最大的净水平距离，最后到达器壁被分离。忽略颗粒间
20、的相互作用及边界层的效应，则计算出的临界粒径为： (2-2) 式中，临界粒径，m；气流总高度，m；气体粘度，m/s; 旋风除尘器筒体直径，m；切向速度，m/s; 粉尘颗粒密度，kg/m3；气体密度，kg/m3;气体平均旋转半径，m；气体旋转圈数。由于该理论只适用于圆柱段部分，而实际气流旋转要延伸至锥体底部，因此该理论与实际偏差较大。(2)筛分理论2筛分理论又称平衡轨道理论，是一个更为简化的分离模型。其分离机理是：假想在旋风除尘器的排气管下方有一柱面，含尘气流做旋转运动时，在该假想面上的尘粒在径向方向上同时受到方向相反的两种力，即有旋涡流产生的离心力FZ，使尘粒向外移动，又有汇流产生的向心阻力w
21、使尘粒向内漂移。离心力的大小与粉尘颗粒的直径有关，直径越大离心力越大，因而必定存在一临界粒径dc，使得FZ=W，从而使尘粒受力平衡。凡粉尘粒径ddc者，向外推移的力FZ大于向内飘逸的力W，结果被推移到除尘器外壁而被分离出来；相反，凡粒径ddc的粉尘颗粒则被带到上升流的核心部分，随着内涡旋排出除尘器。由于各种原因的存在，平衡状态将随时被破坏。如果上述两种情况出现的概率相等，即尘粒有50%的可能性被捕集分离，也有50%的可能性进入内涡旋而逃逸，此时粉尘颗粒的分离效率为50%。通常把分离效率为50%的分割粒径用d50表示。粒径为dp的粉尘颗粒所受的离心力W为： （2-3）径向向心阻力W可用斯托克斯公
22、式表示：W=3VR2dp （2-4）在内、外涡旋的交界面上有Fz=W，即 （2-5）则分割粒径dc50为： （2-6）式中， p尘颗粒密度，kg/m3。气体粘度Pa.s；r2交界面半径，m；Vi2交界面处气流的切向速度，m/s；Vr2交界面处气流的径向速度，m/s；dc50分割粒径，m。筛分理论虽然考虑了汇流的存在，弥补了转圈理论的缺点，但在计算汇流速度时视为等速，这与实际情况有一定误差。所以该理论也具有一定的局限性。(3)边界层分离理论筛分理论没有考虑紊流扩散等影响，而这种影响对于细粉尘颗粒是不容忽视的。上世纪七十年代，Leith和Licht类比静电除尘器的分离机理提出了紊流横向混掺模型，认
23、为在旋风除尘器的任一横截面上颗粒浓度的分布是均匀的，而在靠近圆筒壁处的分界层内是层流运动，只要颗粒在离心力作用下进入此边界层内就可以被捕集分离下来，这就是边界层分离理论2。由于边界层分离理论考虑了旋风除尘器的几何结构尺寸对除尘性能的影响，2.4 旋风除尘器的性能评价指标(1)除尘效率除尘效率包括总除尘效率和分级除尘效率。对于一般除尘器总除尘效率足以说明除尘器的除尘性能，但在粉尘颗粒密度一定的情况下，除尘效率的高低与颗粒大小和分散度有密切的关系。一般说，粒径越大，除尘效率也越高。 除尘效率指含尘气流通过旋风除尘器时，在同一时间内被捕集的粉尘量与进入除尘器的总粉尘量之比，也称总效率。除尘效率是旋风
24、除尘器的重要技术指标。旋风除尘器的总效率可表示为：=100% （2-7）式中，S1旋风除尘器进进口处的粉尘质量，kg；S2旋风除尘器出口处的粉尘质量，kg。总效率作为衡量除尘器的性能指标受到很大的局限性，它受颗粒直径大小的影响很大，即使在同一除尘器、同一运行条件下，由于尘粒分散度的差异，其性能也有显著的差别。因此，仅用总效率来说明除尘器的除尘性能是不全面的，要正确评价旋风除尘器的除尘效果时，往往需要引入另一评价指标分级除尘效率i。它是指某一粒径或某一粒径范围粉尘的除尘效率，其能够较为客观的反映旋风除尘器对不同粒径尘粒的分离捕集性能。旋风除尘器的分级除尘效率可表示为：=100% （2-8）式中，
25、 S1i、S2i旋风除尘器进口和出口处某一粒径的粉尘质量流量，kg/s；g1i、g2i旋风除尘器进口和出口处某一粒径的粉尘质量分数，%。(2)压力损失旋风除尘器的压力损失是评定除尘器性能的又一重要技术指标，同时也是衡量除尘设备能耗大小的指标。其大小不仅与除尘器的种类和形体结构有关之外，还与处理气体通过时的流速大小有关。旋风除尘器的压力损失主要包括以下几个方面组成34：口管与排气管之间的静压能的损失；进口管的摩擦损失；气体在旋风除尘器中与器壁的摩擦所引起的能量损失；旋风除尘器内气体因旋转而产生的动能损耗；排气管内摩擦损失等。压力损失P应用旋风除尘器进、出口全压来表示，即P=Pq1-Pq2 （2-
26、9）而全压Pq由静压PZ与动压Pd之和求得： Pq=Pz+Pd （2-10）又因动压Pd= ，则=Pz1+-Pz2+ （2-11）式中，Pz1、Pz2旋风除尘器进、出口静压，Pa；气体密度，kg/m3；V1旋风除尘器进口速度，m/s；V2旋风除尘器出口速度，m/s。在压力损失计算中，常引入一个流体阻力系数，因而可以将旋风除尘器压力损失P表示为进气口气流动压的指数形式，即 P= （2-12）式中，Vi气流进口处的平均速度，m/s； 流体阻力系数。旋风除尘器的流体阻力系数随着结构的不同而变化，相同结构形式的旋风除尘器可以视为具有相同的流体阻力系数。一般来讲，旋风除尘器的流体阻力系数是通过实验来测定
27、的。(3)处理气体流量率为Q处理气体流量是表示除尘器在单位时间内所能处理气体能力大小的指标，一般用体积流量表示124。实际运行的除尘器往往由于不严密而漏气，使得旋风除尘器的进出El气体流量不一致。因此用两者的平均值作为处理气体流量，即Q= (2-13)式中，Q一处理气体流量，m3/s；Q1一旋风除尘器进口气体流量，m3/s；Q2一旋风除尘器出口气体流量，m3/s。在设计旋风除尘器时，其处理气体流量Q是指除尘器进口的气体流量Q1；在选择风机时，其处理气体流量对正压系统(风机在除尘器之前)是指除尘器进口的气体流量Q1，对负压系统(风机在除尘器之后)则是指除尘器出口气体流量Q2。2.5影响除尘器的性
28、能的因素2.5.1 几何尺寸因素 影响除尘器性能的主要因素5如下：1.旋风除尘器的直径D0一般旋风除尘器的直径越小，气流旋转半径越小，粉尘颗粒所受离心力越大，旋风除尘器的除尘效率也就越高。如果筒体直径过小，由于旋风除尘器器壁与排气管太近，造成较大直径颗粒有可能反弹至中心气流而被带走，使除尘效率降低。另外，筒体太小容易引起堵塞，尤其是对于黏性物料。因此，一般筒体直径不宜小于 5075mm，工程上常用的旋风除尘器的直径一般是在 200mm 以上。如今，旋风除尘器的直径也日趋大型化，已出现大于1000mm 的大型旋风除尘器。旋风除尘器在一定的几何形状和操作条件下，因直径的改变而引起除尘效率变化，可以
29、近似用下面方法进行修正，即将原给定的分级效率曲线的横坐标值，乘以比值以后，按等效原则，进行平移，就可得到新的分级效率曲线。2.旋风除尘器高度H 通常，较高除尘效率的旋风除尘器，都有较大的长度比例。它不但使进入筒体的尘粒停留时间增长，有利于颗粒分离，且能使尚未到达排气管中的颗粒，有更多的机会从旋流中分离出来，减少二次夹带。足够长的旋风除尘器，还可以避免旋转气流对灰斗顶部的磨损。但是过长的旋风除尘器，会占据较大的空间，尤其对于内置旋风除尘器来说，更受到设备内部空间的限制，因此，提出了旋风除尘器自然长度l这一概念，即从排气管下端至旋风除尘器自然旋转顶端的距离： （2-14）式中，de为排气管直径，m
30、；De为筒体直径，m；a、b分别为旋风除尘器进口的高度、宽度，m。在设计中，旋风除尘器的高度H，应保证有足够的自然长度，但大于自然长度的过长旋风除尘器显然是不经济的。3.旋风除尘器进口(1)进口形式旋风除尘器的进口形式主要有轴向进口和切向进口两种。切向进口又分为螺旋面进口、渐开线进口、切向进口。切向进口为最普通的一种进口形式，制造简单，用得比较多，这种进口形式的旋风除尘器外形尺寸紧凑。气流通过螺旋面进口，进入旋风除尘器后，以与水平呈近似10的倾斜角度，向下做螺旋运动。采用这种进口有利于气流向下做倾斜的螺旋运动，同时也可以避免相邻两螺旋气流的相互干扰。渐开线进口可以减少进口气流对筒体内气流的撞击
31、和干扰。由于从蜗壳形进口进入筒体的气流宽度逐渐变窄，使颗粒向壁面移动的距离减小，而且加大了进口气体和排气管的距离，从而有利于颗粒分离。与其它进口形式相比蜗壳形进口处理气流量大，压力损失小，是比较理想的一种进口形式。轴向进口是最好的进口型式，它可以最大限度地避免进入气体与旋转气流之间的干扰，但因气体均匀分布于进口截面，使靠近中心处的颗粒分离效果很差。轴向进口常用于多管式旋风除尘器，为使进口气体产生旋转，一般多在进口处设置各种形式的叶片。(2)进口的形式与位置进口截面可以为矩形和圆形两种形式。但由于圆形进口管与旋风除尘器器壁相切面积要小于矩形进口的相切面积，故一般采用矩形进口。矩形宽度b和高度a的
32、比例要适当，通常长而窄的进口管与器壁有着更大的接触面。在一定进气量的前提下，宽度b越小，临界粒径越小，除尘效率越高，但过长而窄的进口也是不利的。因为进口太长，为了要保持一定的气体旋转圈数N，必须加长筒体，否则除尘效率仍不能提高。进口的位置有两种方式：一种与旋风除尘器的顶盖相平，这有利于消除上旋流；另一种与顶盖有一段距离，这可使细粉尘聚集在顶盖下面的上旋流中，这就增加了气流短路的机会。4.排气管排气管有两种形式如图，如下：图2.4 圆柱形排气管图2.5 圆锥形排气管在相同的排气管直径de下，下端采用收缩形式，既不影响除尘效率，又可以降低阻力损失。所以，在设计分离较细粉尘的旋风除尘器时，可以考虑设
33、计成这种形式的排气管。在一定范围内，排气管直径越小，则旋风除尘器的除尘效率越高，压力损失也越大，反之，除尘器的效率越低，压力损失也越小。5.灰斗灰斗是旋风除尘器设计中最容易被忽略的部分。一般都把它仅看作是排除粉尘的装置。在实际应用中，除尘器锥底处气流非常接近高湍流，而粉尘也正是由此排出，因此，二次扬尘的机会也就更多。此外，旋流核心为负压，如果设计不当，造成灰斗漏气，就会使粉尘二次飞扬加剧，严重影响除尘器效率。2.5.2 操作条件因素1.进口气速vj在一定范围内，进口气速越高，除尘效率越高。进口气流速度vj越大，临界粒径dc100越小，分离性能越好。但气流速度过高，粉尘微粒与器壁的摩擦就会加剧，
34、粗颗粒粉碎变成细颗粒，使细粉尘含量增加。此外，过高的气流速度，对具有凝聚性质的粉尘也会起分散作用，这些对颗粒分离是不利的。气体通过旋风除尘器的压力损失和气体的进口速度的平方成正比，所以，进口气流速度过大虽然会略微提高除尘效率，但压力损失却会急剧上升。其次，进口气速过大，也会加速旋风除尘器本身的磨损，降低旋风除尘器的使用寿命。2.气体的密度、黏度、压力p、温度T气体的密度对除尘效率的影响可以在临界粒径计算公式中得以体现，即气体密度越大，临界粒径越大，故除尘效率下降。但是，气体的密度和固体密度相比，特别是在低压下几乎可以忽略，所以，其对分离效率的影响与固体密度相比较来说，可以忽略不计。通常温度越高
35、，旋风除尘器压力损失越小；气体密度增加，压力损失也增加。黏度的影响在计算压力损失时常忽略不计，但从临界粒径得计算公式中知道，临界粒径与黏度的平方根成正比，所以分离效率随着气体得黏度得增加而降低。由于温度升高，气体黏度增加，当进口气速等条件保持不变时，温度升高除尘效率略有下降。3.气体含尘浓度旋风除尘器的除尘效率，随着粉尘浓度的增加而提高。这是因为含尘浓度大时，粉尘的凝聚性能提高，使较小的尘粒凝聚在一起而被捕集。另外，在含尘浓度增大时，大颗粒对小颗粒的撞击也使小颗粒有可能被捕集。但值得注意的是，含尘浓度增加后除尘效率虽有提高，可是排出气流的含尘绝对量也会大大增加。粉尘浓度对旋风除尘器的压力损失有
36、影响。实践证明旋风除尘器处理含尘气体的压力损失要比处理清洁空气时小，当进口浓度为12g/m3(标准状态下)时，压力损失可以降低到近清洁气体的60，浓度增大到250 g/m3(标准状态下)时，压力损失又迅速下降。2.5.3 固体粉尘的物理性质因素1.固体颗粒直径d对旋风除尘器性能影响较大粒径的颗粒在旋风除尘器中会产生较大的离心力，有利于分离，所以，在粉尘筛分组成中，大颗粒所占有的百分数越大，总分离效率越高。2.颗粒密度c对旋风除尘器性能的影响粉尘单颗粒密度c对分离效率有着重要影响。临界粒径计算式中dc50或dc100和颗粒密度k的平方根成反比，k越大，Dc50或dc100越小，颗粒分离效率越高。
37、影响旋风除尘器性能的因素，除上述外，分离器内壁粗糙度也会影响旋风除尘器的性能。浓缩在壁面附近的粉尘颗粒，可因粗糙的表面引起局部涡流，使一些粉尘微粒被抛入上升的气流，进入排气管，降低了除尘效率。旋风除尘器轴心处具有很高的负压，所以此处的泄漏程度对除尘效率有着一定的影响。在旋风除尘器设计时，应考虑排灰口的密封。另外，气体的湿度过大将会引起粉尘黏壁，甚至堵塞。以致大大的降低旋风除尘器的性能。2.5.4 旋风除尘器的分类与典型结构目前，工矿企业使用的旋风除尘器可以分为以下几类：1.按其性能分类：高效旋风除尘器，其筒体直径较小，用来分离较细的粉尘，除尘效率在 95以上；高流量旋风除尘器，筒体直径较大，由
38、于处理很大的气体流量，其除尘效率为 5080；通用旋风除尘器，用于处理适当的中等气体流量，除尘效率为 8095。2.按结构分类：长锥体旋风除尘器、圆筒体旋风除尘器、扩散式旋风除尘器、旁通式旋风除尘器。3.按组合、安装分类：立式旋风除尘器、卧式旋风除尘器、单管旋风除尘器、多管旋风除尘器。4.按气流导入情况分类：切向导入、轴向导入。切流反转式旋风除尘器是旋风除尘器最常用的形式，除尘效率一般较高。由于受进口风道的限制，处理风量较小。轴流式旋风除尘器利用导流叶片使气流在旋风除尘器内旋转，除尘效率比切流旋风除尘器低，但处理流量较大。此外，人们对旋风除尘器的结构改进，以及内部的气流状态与固体颗粒的运动规律
39、做过大量的工作，取得了不少进展，研制出许多性能良好的典型旋风除尘器，如：XLT 型旋风除尘器；XLT/A 型旋风除尘器；D 型旋风除尘器；B 型旋风除尘器；E 型旋风除尘器。第三章 CFD原理3.1 CFD简介CFD67 (Computational Fluid Dynamics)技术是在二十世纪七十年代，随着流体力学，数值分析及计算机技术等学科的发展，而逐渐兴起的一门针对流场模拟的数值仿真技术。其基本思想可归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量(如速度、压力、温度、浓度)的场，用一系列有限个离散点上的变量值集合来代替，并按照一定的原则和方式建立起关于这些离散变量之间关系的代数方程组，然
40、后选择适当的模型加以封闭，最后通过电子计算机求解这些代数方程组，得到流场中各物理量在离散点上的数值解。通过图像显示方法，观察流场内这些物理量的分布及随时间的变化规律，从而达到对物理问题研究的目的。CFD 特点及应用。CFD方法与传统的理论分析方法、试验测量方法组成了研究流体流动问题的完整体系。理论分析方法的优点在于所得结果具有普遍性，各种影响因素清晰可见，是指导试验研究和验证新的数值计算方法的理论基础，但是，它往往要求对计算进行抽象和简化，才有可能得出理论解。对于线性情况，只有少数流动才能给出解析结果。试验测量方法所得到的试验结果真实可信，它是理论分析和数值方法的基础，其重要性不容低估。然而，
41、试验往往受到模型尺寸、流场扰动、人身安全和测量精度的限制，有时可能很难通过试验方法得到结果。此外，试验还会遇到经费投入、人力和物力的巨大耗费及周期长等许多困难。而CFD方法恰好克服了理论分析和试验方法存在的弱点，选择适当的计算模型和边界条件在计算机上实现特定数值计算，数值模拟可以形象地表现流动情景，与做试验没有什么区别，通过计算并将其结果在屏幕上显示，就可以看到流场的各种细节。3.2 常用 CFD 软件为了完成 CFD 计算，许多用户是自己编写计算程序，但由于 CFD 的复杂性及计算机软硬件的多样性，使得用户各自的应用程序往往缺乏通用性，而 CFD本身又有鲜明的系统性和规律性，因此，比较适合制
42、成通用的商用软件。自 1981年以来，出现了如：PHOENICS、CFX、STAR-CD、FIDIP、FLUENT 等多个商用 CFD 软件，这些软件的显著特点是：（1）功能比较全面、适用性强，几乎可以求解工程界中的各种复杂问题。（2）具有比较易用的前后处理系统和与其它 CAD 及 CFD 软件的接口能力，便于用户快速完成造型、网格划分等工作，还可以让用户扩展自己的开发模块。（3）具有比较完备的容错机制和操作界面，稳定性高。（4）可在多种计算机、多种操作系统，包括并行环境下运行。随着计算机技术的快速发展，这些商用软件在工程界正在发挥着越来越大的作用。这里我们使用Fluent软件来进行数值模拟。
43、FLUENT软件是由美国FLUENT公司于1983年推出的CFD软件。目前，FLUENT软件是功能最全面、适用性最广、国内使用最广泛的CFD软件之一。它是由Fluent.inc利用C语言开发的一种适用于分析流体流动、热传导的模拟计算软件FLUENT的软件设计基于“CFD计算机软件群的概念”,针对每一种流动的物理问题的特点,采用适合于它的数值解法在计算速度、稳定性和精度等各方面达到最佳。FLUENT提供了非常灵活的网格特性，让用户可以使用非结构网格，包括三角形、四边形、四面体、六面体网格来解决具有复杂外形的流动，甚至可以用混合型非结构网络。FLUENT使用GAMBIT作为前处理软件，它可读入多种
44、CAD软件的三位几何模型和多种CAE软件网格模型。同时，Fluent软件推出多种优化的模型,针对每一种物理问题的流动特点,有适合它的数值解法。在FLUENT中，计算过程和结果分析可以通过交互式的用户界面来完成。FLUENT求解的主要问题包括：可压缩与不可压缩流动问题；稳态和瞬态流动问题；无黏流、层流及湍流问题；牛顿流体及非牛顿流体；对流热交换问题；导热与对流换热耦合问题；辐射换热；惯性坐标系和非惯性坐标系下的流动问题；两相流问题；复杂表面形状下额自由面流动问题。3.3 CFD理论基础旋风除尘器虽然结构简单，但其内部流动时及其复杂的三维、气-固两相旋转湍流运动，对其流场进行数值模拟就必然涉及到湍
45、流模型的选择。从目前发表的文献来看8910，工程应用中对旋风除尘器内复杂流场的数值模拟，基本上仍是基于求解Reynolds时均方程及关联量输运方程的湍流模拟方法，即引入湍流模型，利用某些假设，将Reynolds时均方程或者湍流特征量的输运方程中高阶的未知关联项用低阶关联项或者时均量来表达，从而使Reynolds时均方程封闭，然后进行求解。1.湍流控制方程111213湍流基本控制方程组包括连续性方程、N-S方程、雷诺应力方程、湍动能方程及耗散率方程。假定旋风除尘器内进行的是一个等温、不可压缩流动过程，则旋风除尘器内部的气体流动可以由下述不可压缩流体的连续方程和N-S方程来描述：（1）连续性方程（
46、质量守恒方程） （3-1）（2）N-S方程（动量守恒方程） （3-2）式中i、j、k为常数，且i、j、k=1、2、3；ug为气体粘滞系数，g为气体密度，p为压力，ij为雷诺应力相。N-S方程比较准确地描述了实际的流动，黏性流体的流动分析均可归结为对此方程的研究。由于其形式复杂，实际上只有极少量情况可以求出精确解，故产生了通过数值求解的研究。该方程也是计算流体力学计算的最基本方程，可以这么说，所有的流体流动问题，都是围绕N-S方程求解进行的。3.4 常用离散化方法在对指定问题进行CFD计算之前，首先要将计算区域离散化，即对空间上连续的计算区域进行划分，把它划分为许多子区域，并确定每个区域的节点生成网格。然
