祝 葉，左 丹，楊曉光，鄢恒飛，龍新平，4，季 斌

（1.武漢大學(xué) 水射流理論與技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；2.武漢大學(xué) 動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，武漢 430072；3.九江 七所精密機(jī)電科技有限公司，江西九江 332000；4.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072）

0 引言

當(dāng)前的除塵設(shè)備主要以電除塵器、袋式除塵器和濾筒除塵器為主。濾筒除塵器是在袋式除塵器的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的，具有體積小、效率高、阻力損失低、維護(hù)和管理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)［1］，廣泛應(yīng)用于食品、電力、冶金、化工、建材等工業(yè)領(lǐng)域，取得了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益［2-6］。

含塵氣體進(jìn)入濾筒除塵器后，粉塵沉積在濾料表面，濾筒除塵器的阻力隨濾料表面粉塵層厚度的增加而增大，當(dāng)阻力達(dá)到某一定值時(shí)就要進(jìn)行清灰過程。清灰過程是濾筒除塵器中最為關(guān)鍵的一步，清灰效果的好壞與濾筒除塵器的效率、運(yùn)行阻力及使用壽命等息息相關(guān)。目前工程上常用的清灰方式主要是脈沖噴吹清灰。針對(duì)濾芯上的灰塵堆積過程，Aroussi A 等［7］通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)合的方式進(jìn)行了研究，并分析了影響灰塵堆積的因素。楊迪等［8］通過正交試驗(yàn)的方法得到脈沖清灰的設(shè)計(jì)參數(shù)如噴吹壓力、噴吹管徑等對(duì)清灰效果的影響。在脈沖噴吹過程中，清灰氣流對(duì)濾筒的沖擊起決定性作用，清灰時(shí)濾筒側(cè)壁的壓差峰值和壓差峰值到達(dá)時(shí)間是衡量清灰效果的重要指標(biāo)［9］。數(shù)值模擬脈沖清灰過程可以直觀觀察到清灰氣流的流場(chǎng)變化，對(duì)濾筒內(nèi)氣流均勻分布設(shè)計(jì)有很好的指導(dǎo)作用［10-11］。

傳統(tǒng)的濾筒一般為圓柱形，不利于反吹清灰。錐形組合式濾筒將2 個(gè)錐形濾筒組合在一起，增大了濾筒上部的清灰面積，可以有效地解決這一問題。但目前關(guān)于錐形組合式濾筒清灰過程的研究還很少見。因此，本文利用Fluent 軟件對(duì)濾筒除塵器脈沖清灰過程進(jìn)行數(shù)值模擬，采用不同的噴嘴形式——無散射器拉法爾噴嘴、帶散射器拉法爾噴嘴，對(duì)組合式濾筒清灰性能進(jìn)行研究，對(duì)比分析不同噴嘴型式的清灰機(jī)理及其清灰效果。

1 物理模型及簡(jiǎn)化

在計(jì)算過程中，將物理問題進(jìn)行了簡(jiǎn)化，只考慮單個(gè)濾筒的噴吹過程。圖1 示出濾筒除塵器脈沖噴吹過程。箭頭代表的是正吹積灰過程，含塵氣流經(jīng)過濾筒過濾，粉塵則被捕集在濾筒外表面。

圖1 脈沖噴吹過程示意（與實(shí)際模擬模型不成比例）

正吹積灰過程中濾筒上不斷積聚灰塵，當(dāng)進(jìn)氣氣流阻力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，由壓差控制儀控制相應(yīng)的電磁閥，打開處于閉合狀態(tài)的脈沖閥，開始進(jìn)行反吹清灰過程。濾筒出氣口反向布置一路壓縮空氣，并在每個(gè)濾筒單元上方安裝一個(gè)噴嘴與散射器，高壓空氣經(jīng)過噴嘴形成高速流體，高速流體進(jìn)入濾筒，與周圍流體發(fā)生卷吸及能量交換，濾筒內(nèi)外壓差的作用將濾筒表面的灰塵振落，完成反吹清灰過程。

圖2示出本文進(jìn)行比較的2種形式噴嘴剖面，噴嘴進(jìn)口直徑為22 mm。兩者主要的不同是帶散射器噴嘴在拉法爾噴嘴下部加了氣流散射器，散射器的結(jié)構(gòu)形狀使得氣流均勻散射，改變了流場(chǎng)分布，進(jìn)而影響清灰效果。圖3 示出組合式濾筒尺寸。

圖2 噴嘴剖面示意

圖3 組合式濾筒尺寸示意

2 數(shù)值計(jì)算方法及設(shè)置

2.1 控制方程與湍流模型

控制方程為雷諾平均N-S 方程和質(zhì)量守恒方程，湍流的模擬采用S-A 湍流模型。相對(duì)于兩方程湍流模型，S-A 模型的計(jì)算量較小，穩(wěn)定性較好，計(jì)算網(wǎng)格在物面處不需要很精細(xì)，與代數(shù)模型的網(wǎng)格量級(jí)相當(dāng)即可。同時(shí)它包含了一組新的方程，在該方程組中，不需要計(jì)算與剪切層厚度相關(guān)的長(zhǎng)度尺度，這使得S-A 模型易用于非結(jié)構(gòu)網(wǎng) 格中。

S-A 模型的偏微方程為：

式中 Gv——湍流黏度；

μ ——分子運(yùn)動(dòng)黏性；

Yv——壁面區(qū)域的湍流黏性損失；

σ，Cb2——待定常數(shù)。

2.2 多孔介質(zhì)模型

在計(jì)算過程中，濾筒設(shè)置為多孔介質(zhì)域，其余為流體域。多孔介質(zhì)模型可以應(yīng)用于多種物理問題，包括過濾紙，多孔板及流量分配器等。多孔介質(zhì)的作用是通過在動(dòng)量方程中增加一個(gè)源項(xiàng)來進(jìn)行模擬，源項(xiàng)由兩部分組成：黏性阻力項(xiàng)和慣性阻力項(xiàng)。

式中 Si——i 向（x，y，z）動(dòng)量源項(xiàng)；

D，C ——規(guī)定的矩陣；

v ——速度大小。

2.3 計(jì)算域及邊界條件設(shè)置

圖4 示出數(shù)值模擬計(jì)算確定的計(jì)算域。在濾筒單元上方取長(zhǎng)寬都為0.5H、高為0.2H 的長(zhǎng)方體單元，噴嘴及擴(kuò)散器都位于本單元內(nèi)，H 為組合式濾筒高度。正吹積灰過程時(shí)，反吹管入口設(shè)為壁面，而反吹清灰過程時(shí)，反吹管入口設(shè)置為壓力入口，大小為0.6 MPa，即脈沖噴吹壓力為0.6 MPa。濾筒外表面設(shè)為壓力出口，大小為700 Pa，濾筒上方的長(zhǎng)方體外表面同樣設(shè)為壓力出口，大小均為一個(gè)大氣壓。時(shí)間步長(zhǎng)取1×10-5s，計(jì)算收斂標(biāo)準(zhǔn)為10-5。圖5 示出計(jì)算過程中監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置分布，上濾筒設(shè)置13 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，下濾筒設(shè)置12 個(gè)，無散射器噴嘴模型與帶散射器設(shè)置一致。

圖4 計(jì)算域及邊界條件

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置分布

2.4 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格的劃分對(duì)計(jì)算結(jié)果至關(guān)重要，本文采用笛卡爾CutCell 網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。CutCell 網(wǎng)格采用自動(dòng)修邊的獨(dú)立分片網(wǎng)格劃分方法，能對(duì)單個(gè)零件或多個(gè)零件的流體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格生成效果比四面體網(wǎng)格好。圖6，7 分別示出2 種模型網(wǎng)格劃分示意。經(jīng)計(jì)算與網(wǎng)格無關(guān)性分析，確定最終的網(wǎng)格數(shù)為無散射器噴嘴模型網(wǎng)格數(shù)為265 萬，帶散射器噴嘴模型網(wǎng)格數(shù)為354 萬。

圖6 無散射器噴嘴模型網(wǎng)格劃分

圖7 帶散射器噴嘴模型網(wǎng)格劃分

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 速度分析

圖8 示出無散射器噴嘴模型脈沖噴吹過程速度云圖。圖8（a）（b）所示時(shí)刻，濾筒內(nèi)進(jìn)行的是正吹積灰過程，此時(shí)正吹氣流形成的勢(shì)流核由組合式雙錐形濾筒底部逐漸上升至噴嘴位置，錐形濾筒內(nèi)氣流較為規(guī)律，而在靠近噴嘴位置處，由于濾筒內(nèi)流道變化以及噴嘴周圍壁面對(duì)氣流的反作用，導(dǎo)致靠近噴嘴位置處，氣流較為紊亂。由于正吹過程中濾筒上不斷積聚灰塵，在圖8（c）所示時(shí)刻，進(jìn)氣氣流阻力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，由壓差控制儀控制相應(yīng)的電磁閥，打開處于閉合狀態(tài)的脈沖閥，開始進(jìn)行反吹清灰過程。之后，從圖8（d）～（h）所示時(shí)刻，高壓空氣經(jīng)過噴嘴形成高速流體，高速流體進(jìn)入濾筒具有明顯的流核，呈現(xiàn)出典型的射流特性，且反吹過程中的勢(shì)流核心強(qiáng)度明顯高于正吹過程。在脈沖噴吹過程中，噴吹流體作用于濾筒壁面后，利用內(nèi)外壁面的壓差將正吹過程中附著于濾筒壁面上的灰塵脫落，達(dá)到清灰的 目的。

圖8 無散射器噴嘴模型脈沖噴吹過程速度云圖

圖9示出了帶散射器噴嘴模型脈沖噴吹過程速度云圖。圖9（a）（b）所示時(shí)刻為正吹積灰過程，但由于散射器的存在，噴嘴附近的氣流呈現(xiàn)出與無散射器時(shí)不一致的流場(chǎng)，靠近壁面處出現(xiàn)了旋渦狀氣流，更為復(fù)雜。同樣在所示時(shí)刻，脈沖閥開啟，反吹清灰過程開始。高壓氣流自噴嘴噴出后，散射器的分散作用使得氣流在濾筒上部開始擴(kuò)散，氣流動(dòng)壓轉(zhuǎn)化為靜壓，導(dǎo)致噴吹氣流比無散射器時(shí)較早地作用于錐形濾筒表面，上濾筒的清灰面積變大，且上濾筒側(cè)壁壓差峰值較大。同時(shí)，由于氣流的膨脹伴有能量損失，導(dǎo)致帶散射器時(shí)射流的勢(shì)流核心區(qū)沒有無散射器時(shí)明顯，整體呈現(xiàn)出一個(gè)較為平均的速度場(chǎng)。繼續(xù)發(fā)展，氣流在進(jìn)入下濾筒時(shí)氣流量減小，速度也越來越小，與上濾筒的高速形成一個(gè) 反差。

圖9 帶散射器噴嘴模型脈沖噴吹過程速度云圖

3.2 壓力分析

3.2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力分析

取上濾筒350 mm 和下濾筒950 mm 處作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，錐形組合濾筒脈沖清灰過程中的壁面壓差如圖10 所示。在無散射器和帶散射器噴嘴模型下，進(jìn)入錐形濾筒內(nèi)的氣流壓差隨時(shí)間的變化都呈現(xiàn)出波動(dòng)狀態(tài)，但兩者在壓差峰值以及峰值到達(dá)時(shí)間上有所不同。圖10（a）示出了無散射器噴嘴模型下的壓差隨時(shí)間變化，在350 mm 位置處，脈沖氣流進(jìn)入到錐形濾筒內(nèi)之后，大約6.5 ms 達(dá)到一個(gè)壁面壓差峰值，其大小為258 Pa。隨著脈沖氣流的不斷涌入及在濾筒內(nèi)充分發(fā)展，經(jīng)過24.6 ms 時(shí)間間隔后，氣流到達(dá)下濾筒950 mm位置并產(chǎn)生此處的一個(gè)壁面壓差峰值，其值為 164 Pa。脈沖氣流壓差峰值的相繼達(dá)到，說明峰值氣流的到達(dá)是一個(gè)與時(shí)間相關(guān)的連續(xù)性過程，而在此過程中，由于部分氣流從濾筒排出，導(dǎo)致950 mm 位置處的壓差峰值小于350 mm 處。

圖10 監(jiān)測(cè)點(diǎn)處無散射器和帶散射器噴嘴模型的壓差隨時(shí)間變化

圖10（b）示出了帶散射器噴嘴模型的壓差隨時(shí)間變化情況，在上濾筒350 mm 處，脈沖氣流達(dá)到此處的一個(gè)壓差峰值需要1.8 ms，其值為 379 Pa。擴(kuò)散器的作用使得峰值到達(dá)時(shí)間比無散射器噴嘴模型小，壓差峰值大。而隨著脈沖氣流向下不斷擴(kuò)散，達(dá)到950 mm 處的壓差峰值需要 33 ms 的時(shí)間間隔。脈沖氣流經(jīng)過相同距離，帶散射器噴嘴模型要比無散射器時(shí)所需時(shí)間長(zhǎng)，氣流不再呈現(xiàn)出一個(gè)均勻連續(xù)態(tài)勢(shì)。在下濾筒950 mm 處，壓差峰值為134 Pa，其值比無散射器情況小。因此，通過對(duì)固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓差峰值及峰值到達(dá)時(shí)間的比較，認(rèn)為帶散射器噴嘴模型對(duì)上濾筒的清灰效果較好，下濾筒較差，上下濾筒的壓差峰值的差異較大，同時(shí)帶散射器噴嘴模型的噴吹氣流在時(shí)間連續(xù)性上沒有無散射器噴嘴模型好。

3.2.2 沿流向壓力分析

圖11 示出了反吹壓力為0.6 MPa 條件下，無散射器噴嘴模型濾筒側(cè)壁壓差峰值及峰值到達(dá)時(shí)間分布情況。從圖可以看到，濾筒側(cè)壁的壓差峰值沿濾筒長(zhǎng)度方向呈減小的趨勢(shì)，除了兩濾筒組合（650 mm）處由于氣流的集聚導(dǎo)致靜壓升高，但上濾筒壓差峰值與下濾筒整體相差不大，導(dǎo)致清灰力度較均勻。同時(shí)，可以看到沿濾筒長(zhǎng)度方向測(cè)點(diǎn)的壓差峰值到達(dá)時(shí)間增長(zhǎng)呈線性關(guān)系，可近似認(rèn)為進(jìn)入濾筒的峰值氣流作用于濾筒壁面是一個(gè)連續(xù)傳遞的過程，這樣使濾筒壁面負(fù)荷較均勻，有助于提高清灰效率，延長(zhǎng)濾筒的使用壽命。

圖11 無散射器噴嘴模型的流向變化

圖12示出了帶散射器噴嘴模型濾筒側(cè)壁壓差峰值及峰值到達(dá)時(shí)間分布情況。對(duì)于帶散射器噴嘴模型，脈沖氣流由于散射器的作用在濾筒上部開始擴(kuò)散，氣流動(dòng)壓轉(zhuǎn)化為靜壓，使得上濾筒側(cè)壁壓差峰值較大。從圖中可以看出，帶散射器噴嘴模型濾筒上部壓差峰值明顯比無散射器噴嘴模型大，而下濾筒壓差峰值大小相似，這就導(dǎo)致帶散射器噴嘴模型上濾筒壓差峰值與下濾筒整體相差較大，清灰壓力不均。同時(shí)，可以看到上濾筒峰值壓力到達(dá)時(shí)間與下濾筒差距較大，不能看作一個(gè)連續(xù)的過程。由于散射器對(duì)氣流的散射作用，氣流在進(jìn)入下濾筒時(shí)氣流量減小，速度也會(huì)越來越小，下濾筒的壓差峰值是由于氣流到達(dá)濾筒底部后形成的反吹氣流的作用。這再次說明上濾筒與下濾筒壁面負(fù)荷不均勻，不利于提高清灰效率。

圖12 帶散射器噴嘴模型的流向變化

因此，對(duì)于無散射器噴嘴模型，脈沖清灰氣流沿濾筒長(zhǎng)度方向從上而下作用，清灰力度較均勻，受力時(shí)間連續(xù)，清灰效果較好。而對(duì)于帶散射器噴嘴模型，上濾筒與下濾筒清灰受力時(shí)間不連續(xù)，導(dǎo)致清灰力度不均勻，清灰效果較差。

4 結(jié)論

（1）利用S-A 湍流模型及多孔介質(zhì)模型，對(duì)2 種不同噴嘴型式的組合式濾筒進(jìn)行了脈沖反吹清灰過程的數(shù)值模擬。將清灰時(shí)濾筒側(cè)壁的壓差峰值和壓差峰值到達(dá)時(shí)間作為清灰效果的重要指標(biāo)，從固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)和沿流向2 個(gè)方向分析了2 種模型的清灰效果。

（2）無散射器拉法爾噴嘴模型對(duì)組合式濾筒清灰效果良好，而帶散射器拉法爾噴嘴模型對(duì)上濾筒清灰效果較好，下濾筒清灰效果較差。