購買設(shè)計(jì)請(qǐng)充值后下載，，資源目錄下的文件所見即所得，都可以點(diǎn)開預(yù)覽，，資料完整，充值下載可得到資源目錄里的所有文件。。?！咀ⅰ浚篸wg后綴為CAD圖紙，doc,docx為WORD文檔，原稿無水印，可編輯。。。具體請(qǐng)見文件預(yù)覽，有不明白之處，可咨詢QQ:12401814
氣旋的形狀和除塵器對(duì)氣固流場(chǎng)和性能的影響
Kyoungwoo帕克等著,王杰譯
摘要
一個(gè)高效旋風(fēng)除塵器已經(jīng)完成了分離效率和流動(dòng)特性的數(shù)值分析。在觀察了幾個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕A(chǔ)上，提出了一種設(shè)計(jì)目的。然而，這些模型只是在估計(jì)氣旋的性能有限的情況下，對(duì)于所有類型的氣旋很難獲得一個(gè)通用的模型。本研究的目的是找出流動(dòng)特性和分離效率的數(shù)值模擬。雷諾茲應(yīng)力模型（RSM），不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的k-ε或k-ω模型，它適用于各向同性湍流，并且可以很好地預(yù)測(cè)壓力降和蘭金渦。對(duì)于小顆粒，有三個(gè)重要的粒子分離組件（升氣管入口、錐、除塵器）。在目前的工作中，用了相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間觀察粒子從除塵器到旋風(fēng)體的再夾帶現(xiàn)象。這個(gè)再夾帶現(xiàn)象退化的分離效率，是旋風(fēng)給除塵器的分離效率的一個(gè)重要因素。
引言
旋風(fēng)除塵器可以從空氣中分離出顆粒流，已被廣泛用于許多工業(yè)過程，如空氣污染控制和環(huán)境清洗過程，由于其能適應(yīng)惡劣條件，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本低，操作和維護(hù)方便。旋風(fēng)除塵器的設(shè)計(jì)根據(jù)使用的目的，一般可分為直通式，單向流和反向流的旋流器。其中，已知切向進(jìn)口和反向流動(dòng)是最常使用的旋風(fēng)設(shè)計(jì)方式。
由于上述旋風(fēng)除塵器的諸多優(yōu)點(diǎn)，過去幾十年[1-3]在氣旋流域已測(cè)試的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法備受關(guān)注。旋風(fēng)除塵器的性能特征一般在于顆粒的收集效率和通過旋流器的壓力降。許多研究表明，旋風(fēng)除塵器的高度，直徑，形狀（即，圓柱形或矩形），渦旋測(cè)距儀的形狀和直徑以及進(jìn)氣口幾何形狀大大影響了旋流器的性能。
在2006年，[4]通過使用商業(yè)包裝分析了影響氣旋的氣流特性和收集性能的圓筒形狀。他們觀察到長(zhǎng)錐體旋風(fēng)除塵器有一個(gè)不穩(wěn)定的流域和這些特性的結(jié)果，在短的循環(huán)流動(dòng)的渦流探測(cè)器開口流動(dòng)產(chǎn)生了不利于顆粒的收集效率的影響。
[5]評(píng)估渦流探測(cè)器的形狀和直徑對(duì)旋風(fēng)除塵器的性能和流場(chǎng)數(shù)值的影響。為了預(yù)測(cè)粒子跟蹤的氣旋，采用歐拉-拉格朗日方法。他們發(fā)現(xiàn)，再切向速度和分離效率降低時(shí)，旋風(fēng)渦流探測(cè)器直徑增大。
最近，[6]對(duì)流動(dòng)模式的旋流器入口尺寸進(jìn)行了數(shù)值研究，采用雷諾茲應(yīng)力湍流模型（RSM）影響旋風(fēng)除塵器的性能。他們發(fā)現(xiàn)，隨著旋流入口尺寸減小，旋流器的切向速度減小。他們還發(fā)現(xiàn)，改變?nèi)肟趯挾缺雀淖冞M(jìn)口高度對(duì)定點(diǎn)直徑的影響更大，最優(yōu)入口寬度高度的比例為b/a，是從0.5到0.7。
氣固相互作用在旋風(fēng)除塵的流場(chǎng)和性能中起著重要的作用。有兩種類型的方法來預(yù)測(cè)，即單向和雙向耦合的做法。單向耦合方法的建立在顆粒的存在劑量不影響流場(chǎng)的假設(shè)之上的，因?yàn)樵谛L(fēng)除塵器的顆粒負(fù)載是很小[7]。與此相反，一個(gè)雙向耦合效應(yīng)[8]被認(rèn)為是粒子在氣體流上的作用。在這個(gè)模型中，顆粒源模型一般用于解決粒子兩相流的動(dòng)量方程。
在本研究中，推斷顆粒的大小對(duì)旋風(fēng)除塵器的流場(chǎng)的特點(diǎn)和性能的數(shù)值影響，是通過分析雷諾茲應(yīng)力（RSM）和歐拉-拉格朗日方法來預(yù)測(cè)粒子的運(yùn)動(dòng)。單向耦合效應(yīng)不受氣體流粒子的存在影響，是用來估計(jì)氣固相互作用的。計(jì)算模型可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)二相流的存在，并提供設(shè)計(jì)除塵器存在的概念。
圖1:電路圖的氣旋及其網(wǎng)格系統(tǒng)
二、物理模型
在本工作中旋風(fēng)除塵器的原理圖和所生成的網(wǎng)格系統(tǒng)如圖1，其幾何尺寸如表1所示。在表1中可以看出，所有的尺寸均采用正規(guī)化的旋風(fēng)體直徑（D=290毫米）。根據(jù)旋風(fēng)除塵器的高度，他可分為三個(gè)部分，比如,渦流探測(cè)器（環(huán)形空間），分離空間和灰塵收集部分。入口管安裝切到與旋風(fēng)體的圓柱部分無關(guān)的一側(cè)，工作流體（氣體和顆粒）通過此處的速度為VIN=25米/秒。出口管，被稱為渦流探測(cè)器，固定在旋風(fēng)筒的頂部。
三、理論分析
A.控制方程
氣旋被假定為湍流渦旋流和不可壓縮流體，它可以用雷諾茲應(yīng)力模型（RSM）進(jìn)行合理的預(yù)測(cè)。氣體的湍流流動(dòng)是可以用雷諾茲的N-S（RANS）方程和連續(xù)性方程描述的均值運(yùn)動(dòng)。他們的張量符號(hào)表示如下：
其中Ui為平均速度，xi為坐標(biāo)系統(tǒng)，t為時(shí)間，p為平均壓力，r為氣體密度，n為運(yùn)動(dòng)粘度。ui￠u￠j（=Rij）代表雷諾茲應(yīng)力張量，ui￠=ui-Ui是第i個(gè)流體的脈動(dòng)速度分量。如式（2），雷諾應(yīng)力在目前的工作中使用各種模擬假設(shè)，它由（RSTM）直接計(jì)算。
B.湍流模型
準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)一個(gè)強(qiáng)大的湍流渦旋流通常要使用湍流模型。另外，在目前的工作中，雷諾應(yīng)力湍流模型（RSTM）通過使用差分傳輸方程解決了個(gè)體的雷諾應(yīng)力項(xiàng)（-ui￠u￠j）。傳輸方程的雷諾應(yīng)力可寫為
方程右邊的分別代表應(yīng)力擴(kuò)散、應(yīng)力應(yīng)變、生產(chǎn)壓力、耗散條件，分別定義如下；
這里nt是湍流粘度，p為波動(dòng)動(dòng)能，k為湍流動(dòng)能（=（1/2）ui￠u￠j）和k的耗散率e。證實(shí)常量K=1，C1=1.8，C2=0.6[9]。
傳輸方程湍流耗散率（e）被表示為
常量的值是SE=1.3，CE1=1.44，CE2=1.92。
C.粒子運(yùn)動(dòng)方程
在目前工作的基本假設(shè)模型中粒子的運(yùn)動(dòng)如下；固體（顆粒）完全以球形的形狀分散在氣相中，氣固相互作用，因?yàn)檫@樣，所以分散顆粒的體積分?jǐn)?shù)對(duì)氣相的影響很小。一般來說，在旋流器中的粒子載荷?。?-5%），因此，可以假定，粒子不影響流場(chǎng)（即，單向耦合）。此外，顆粒和旋流器的壁之間的碰撞被認(rèn)為是完全彈性的相互作用，由于流量小，顆粒之間的作用是被忽視的。為了得到旋風(fēng)除塵器中的粒子的運(yùn)動(dòng)模型，離散相模型（DPM），定義為初始位置的速度和大小的單個(gè)顆粒。通過對(duì)粒子的結(jié)合力平衡，由歐拉-拉格朗日方法[10]， 得到了粒子的運(yùn)動(dòng)方程，這里包括非線性阻力和重力的影響。
這里ui和upi分別為氣體和粒子的速度和方向，xpi是粒子的位置，Pp為粒子密度，Dp為粒子的直徑，gi是重力加速度的方向。R,M是氣體的密度和粘度。RER表示相對(duì)的雷諾數(shù)，它被定義為
CD是環(huán)形顆粒的風(fēng)阻系數(shù)，通過使用希德[11]提出的相關(guān)性對(duì)球形顆粒進(jìn)行計(jì)算。
式（9）右側(cè)的第一項(xiàng)（RHS）是每單位質(zhì)量的粒子的阻力，由于粒子和流體之間的相對(duì)滑動(dòng)，它一般是占主導(dǎo)地位的。
D.數(shù)值方法
通過解決RNS方程與湍流模型，氣相被看作連續(xù)的，而固相（或分散）的相位是通過跟蹤大量的顆粒計(jì)算出來的。分散相是可以交換質(zhì)量、動(dòng)量和能量的流體相。在這項(xiàng)工作中進(jìn)行數(shù)值模擬STAR-CCM+[12]，這是一般商業(yè)用途的S/Ws手段。壓力速度耦合是通過簡(jiǎn)單的算法[13]解決問題的。該非穩(wěn)態(tài)的RSTM用時(shí)為0.0001S。由于難以達(dá)到的收斂模擬標(biāo)準(zhǔn)，首先使用K-E模型計(jì)算湍流的屬性，然后通過RSTM取得最終結(jié)果。當(dāng)正規(guī)的剩余總和少于0.00001時(shí)，解決方案被視為聚集的。
在不同入口速度，氣旋氣流速度在邊界入口處被假設(shè)為均勻的。在出口應(yīng)用壓力邊界條件。在旋風(fēng)除塵器的壁上采用無滑移邊界條件施加速度。
四、結(jié)果與討論
A.旋風(fēng)除塵器在CFD模型中的驗(yàn)證
圖2給出旋風(fēng)除塵器壓力降在不同的入口速度，通過比較實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果[14]驗(yàn)證目前的CFD模型。如該圖所示，在目前的工作中，計(jì)算壓降與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示良好的協(xié)議。這也可以看出，隨著入口速度的增加，壓力下降是與泵功率密切相關(guān)的。
B.湍流模型的比較
比較使用RSTM和標(biāo)準(zhǔn)K-E模型圖3中在y=-0.4米的切向速度，可以看出，RSTM相比其他模型更好預(yù)測(cè)。高渦流，在一般情況下，生成一個(gè)很強(qiáng)的各向異流，使標(biāo)準(zhǔn)的K-E模型提供預(yù)測(cè)的兩個(gè)位置的最大速度不準(zhǔn)確，蘭金漩渦是由一個(gè)強(qiáng)制渦（內(nèi)區(qū)域附近的旋風(fēng)軸）和自由渦（壁附近的）組成的。它明確的顯示了RSTM模型能非常好的預(yù)測(cè)rankin類型的切向速度。
C.分離效率
分離效率（η），這是一種旋風(fēng)分離器的性能，被定義為如下[15]，
Tres是在旋風(fēng)除塵器中的停留時(shí)間，并且包括以下兩個(gè)部分：
在方程（15）的右邊，第一項(xiàng)和第二項(xiàng)分別代表入口區(qū)和外旋流的氣體平均停留時(shí)間。VIN是低于入口管和Q的中心線，整個(gè)區(qū)域的體積表示氣體體積。特別是，VS事實(shí)上表示大約90%的整個(gè)進(jìn)氣氣體體積流量從外渦渦核到氣旋內(nèi)壁渦核核心。在目前的工作中，粒子滯留時(shí)間為三種情況，用于預(yù)測(cè)分離效率，入口速度為25米/秒。
圖6給出入口的分離效率的速度。如圖6所示，h的增加與入口速度。
它還可以從圖中看出，多種多樣的粒子直徑。
其中VT，CS是內(nèi)部核心半徑處的氣體的切向速度，HT代表旋流器總高度。
五、結(jié)論
為了取得旋風(fēng)除塵器設(shè)計(jì)變量的最佳解決方法，溢流口直徑和錐尖直徑對(duì)其分離效率和壓力降的數(shù)值產(chǎn)生了影響。對(duì)于這一點(diǎn)，使用了RANS和STAR-CD。RSTM通過模擬各向異性湍流流動(dòng)的氣旋，擁有一個(gè)很好地實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)?？梢园l(fā)現(xiàn)尖端的直徑對(duì)效率有明顯的影響，而且它沒有影響壓力降。由此可看出尖端直徑是一個(gè)較顯著的參數(shù)。為了使旋風(fēng)除塵器的形狀最優(yōu)化，必須進(jìn)行進(jìn)一步的研究。