双联旋风除尘器流场数值模拟

陈大伟，李长明，孙建

（秦皇岛烟草机械有限责任公司技术中心，河北秦皇岛 066318）

0 引言

旋风除尘器作为一种有效的除尘设备，被广泛应用于工业生产中。旋风除尘器利用高速旋转的气体产生离心力，将粉尘从气流中分离，并沿壁面排出，其具有结构简单、耐高温、高压、低成本、体积小等优点。在烟草工业生产中，双联旋风除尘器被应用于Airco 模式二氧化碳膨胀烟丝生产线中。由于旋风除尘器涉及许多设计参数，在设计过程中，由于参数设计不合理，引起的涡流、回流，造成除尘器内部压力、速度场分布不均匀，影响了除尘效率。

流场模拟是以流体流动的质量、动量和能量守恒微分方程为基础，通过计算机数值分析计算限定物理模型和边界条件下流体运动情况的模拟方法。人们在旋风除尘器内部流场模拟方面展开了大量研究，随着数值模拟技术的发展，对旋风除尘器内部流场数值模拟已经越来越接近真实的流场情况。本文利用ANSYS Workbench 和CFX，对二氧化碳膨胀烟丝生产线中使用的双联除尘器进行了内部流场模拟。

1 流场数值模拟过程

对流体流动进行数值计算模拟的方法称为计算流体动力学（CFD）。利用ANSYS Workbench 和CFX 进行流体数值模拟的一般步骤如图1 所示。

图1 ANSYS Workbench 分析流程

1.1 数学模型

在进行数值分析前应确定分析对象的数学模型。在除尘器内的气流流动的控制方程可以看成是黏性不可压缩方程［1］。除尘器中的流体可以通过基于雷诺时均N-S方程进行求解，并用湍流模型进行封闭。

目前在工程中应用最广泛的湍流模型是k-ε 模型［2］，利用该方程进行求解，速度快、简单，但对于除尘器来说，内部流场为旋转流，如果利用k-ε 模型进行求解，计算结果偏差较大［3］。在有些研究［4］中，对于旋转流采用RSM 模型获得比较好的结果，因此在本文中采用RSM 湍流模型来对双联除尘器内部流场进行模拟。

1.2 建立物理模型并划分网格

目前，ANSYS Workbench 已经能够很好地兼容其他3D 工程设计软件，在本文中，模型的建立是通过三维绘图软件SolidWorks 来实现的，将SolidWorks 建立的流体模型导入DM 中。

双联旋风除尘器一般可分为进气结构、排气芯管、筒体分离空间、锥体排尘结构、集风斗、排气结构等6 部分，见图2。其中关键尺寸参数如下：直筒分离高度H1，排气芯管插入深度S，锥体高度H2，直筒直径D1，锥体底部直径D2，排风芯管直径D3，除尘器两侧对称。本文中所采用的模型是笔者公司为某卷烟厂膨胀烟丝生产线所设计生产的双联旋风除尘器真实模型。

图2 旋风除尘器结构简图

导入模型后进行网格划分，在本例中，为了方便计算，我们将模型划分为拥有40891 个节点，102347 个四面体单元的网格结构，如图2 所示。

网格划分后，Workbench 自动将网格数据传递给CFX 预处理程序。

1.3 边界条件处理

根据实际生产情况，设定入口风速为18 m/s，压力为常压，出口边界考虑以充分发展。采用无滑移边界条件，壁面附近流动计算采用标准壁面函数。

流体设定后进行灰尘颗粒设定，颗粒直径为6 μm，设定灰尘进口速度为18 m/s，与入口风速相同，均匀分散在入口，对灰尘颗粒分离状况进行模拟。

1.4 计算及结果

以上边界条件设定后，Workbench 将计算参数传递给计算器进行计算。

经计算后，内部流场及灰尘颗粒轨迹如图3 所示。

图3 内部空气流场及灰尘颗粒轨迹

通过观察内部流场及颗粒轨迹，可以看到含尘气体以18 m/s 的较高的速度沿外圆桶切线方向进入后获得旋转气流，直筒处速度增加，该旋转气流沿筒体自上至下旋转做螺旋线运动。含尘气体在旋转过程中产生很大的离心力，由于尘粒惯性比空气大很多倍，因此将大部分尘粒甩向器壁，当尘粒与外壁接触后便失去惯性力而沿壁面下落，与气体分开，经锥体排入集灰斗。旋转下降的外旋气流在圆锥部分运动时随圆锥形的收缩而向除尘体中心靠拢，气流达到锥体下端时便开始旋转上升，形成一股自下而上的螺旋线运动，并经由排气筒向外排出。

图4 界面压力分布曲线及轴向截面压力分布

选取直筒部分某横截面对外旋和内旋气流进行压力分析，沿垂直通过筒体轴线做取样直线。该取样直线压力分布曲线及整个沿筒体轴线截面的压力分布如图4 所示。

由图4 可以看出流体在锥段运动过程中，径向内外压差较大，并且内部始终呈现负压状态，因此，除尘器下部不保持密闭就会有空气渗入，形成气流，将已经分离的粉尘重新卷入内涡旋，影响了除尘效率。

观察轴向截面流体矢量图，见图5。在排气管下端部，出现部分气流运动剧烈，这是由于除尘器出气口处呈负压状态，部分进入的气体在旋转过程中靠近了排气管端部，发生了流体“短路”直接从排气管处排出，影响了除尘效率。

图5 轴向截面流体矢量图

2 结论

通过对除尘器内部流场的数值模拟，使我们对除尘器内部流场有了一个直观的认识，同时通过改变除尘体各个关键尺寸结构，我们可以得到一个分布更合理的流场，从而提高除尘效率。

ANSYS Workbench 中的CFD 软件CFX 是目前流体研究比较活跃的领域，通过的三维软件建立流体模型，进行网格划分和对流体方程的离散化，确定合适的边界条件，可以得到较为直观的模拟结果，该结果可以对工程设计人员的设计提供指导性参数。

［1］Agarwal A T.Design guide for dust collectors ［J］.Chemical Engineering，2005，112（2）：42-49.

［2］王常斌，林建忠，石兴.射流泵湍流场的数值模拟与实验研究［J］.高校化学工程学报，2006，20（2）：175-179.

［3］王海刚，刘石.不同湍流模型在旋风分离器三维数值模拟中的应用和比较［J］.热能动力工程，2003，18（4）：337-342.

［4］Gimbun J，Chuah T G.The influence of temperature and inlet velocity on cyclone pressure drop：A CFD study［J］.Chem.Eng.Process，2005（44）：7-12.