导流装置对含油雾颗粒气流影响的数值模拟

顾平道姜冠宇 窦中杰 杨彦武

（东华大学环境科学与工程学院）

导流装置对含油雾颗粒气流影响的数值模拟

顾平道*姜冠宇 窦中杰 杨彦武

（东华大学环境科学与工程学院）

使用数值模拟分析的方法，探究在加装角钢和百叶这两种导流装置的情况下，静电式油雾净化器箱体内气流的变化。结果显示，在含油雾颗粒气流质量流量相同的前提下，角钢对箱体四周漩涡具有抑制作用，因而减少了漩涡区对气流造成的能量损耗。

导流装置 油雾颗粒 气流 漩涡区 油雾净化器

0 引言

在金属加工过程中，由于金属切削液的使用，会在空气中形成大量2～10 μm的油雾颗粒，对周围环境和人体健康造成严重影响。目前，利用静电方法去除油雾颗粒是较为高效可行的途径。静电式油雾净化器的原理类似于静电式除尘器，通过使油雾颗粒带电，被极板吸附，从而达到净化空气的目的[1]。

目前市场上主流的静电式油雾净化器其入口与箱体的扩口角度大多为60°左右。如图1所示，由于气体流动中的惯性作用，油雾颗粒的运动轨迹不可能按照管道的形状突然扩大，所以在四周的扩口管壁处形成漩涡区。漩涡区的存在，消耗了主流区的能量；同时，漩涡也加剧了下游的紊流脉动，从而更加大了能量损失[2]。此外，由于气流内含大量油雾颗粒，漩涡的存在使得油雾大量地附着在侧壁，不利于清洁[3]。

图1 箱体入口处的气流

调整入口的角度，虽然能减少相应的能量损失，但同时增加了箱体的长度和材料消耗，有悖于油雾净化器向灵巧、高效、节能方向发展的趋势。据此，可以考虑在箱体扩口处与静电极板之间加装导流装置，调整箱体内含油雾颗粒的气流组织，减少能量损失，同时向极板处提供平缓均匀的气流。李丹等[4]研究了百叶这种最常见的导流装置在空调风口中的阻力特性与几何结构的关系。本研究将分别使用百叶与角钢两种导流装置，利用Fluent软件进行数值模拟分析。

1 数学模型

1.1 连续性方程

流体的连续性方程即质量守恒方程，其微分形式为：

式中 ux——x方向的速度分量，m/s；

uy——y方向的速度分量，m/s；

uz——z方向的速度分量，m/s；

t——时间，s；

ρ——密度，kg/m3[5]。

1.2 湍流模型

在湍流模型中比较常见的有标准（standard）κ-ε模型、可实现（realizable）κ-ε模型和重组化群（RNG）κ-ε模型。其中，标准κ-ε模型只适用于完全湍流的流动过程模拟；可实现κ-ε模型适用的类型比较广泛，但由于所需参数较多，在缺乏足够实验数据支持的情况下，精度不高。相比之下，重组化群κ-ε模型修正了湍流黏度，并且考虑到了平均流动中的情况，在方程中增加了反映主流时均变率的项，可以更好地处理高雷诺数、高应变率以及流线弯曲程度较大的流动[5]。所以，在本研究中，使用重组化群（RNG）κ-ε模型可以更好地计算出箱体内的气流分布情况[6]。其湍动能和耗散率方程如下：

1.3 离散相模型

在离散相模型（discrete phase model）中，油雾被看做离散存在的一个个细小颗粒。首先计算连续相流动，再结合流场变量求解每一个颗粒的受力情况，从而获得颗粒的速度，并追踪每一个颗粒的轨道[7]。

在此模型中，第二相（离散相）非常稀疏，因此可以忽略颗粒与颗粒之间的相互作用，以及颗粒体积分数对连续相的影响。这也就意味着离散相的体积分数必然很低，一般要求小于10%～12%，但是颗粒的质量载荷可以大于这个数值。

2 网格划分与参数设置

静电式油雾净化器的物理模型外观参数为：主箱体740 mm×310 mm×400 mm，入口200 mm×155 mm，扩口角度60°。主箱体内过滤段由于非本文主要研究内容，模型已被简化，仅表示出平行的电极板。加装的角钢尺寸20 mm×20 mm，厚度为4 mm；百叶宽度20 mm，厚度也为4 mm。利用Gambit软件绘制模型，生成计算区域几何体并划分网络，生成的网格为六面体结构的网格。其中，入口与箱体采用Cooper类型，扩口部分则采用TGrid类型。网格总数约为450万个。网格的划分如图2所示。

图2 网格划分（加装百叶）

工程中应用最为广泛的流场计算方法为压力耦合计算法（SIMPLE算法），这也是用于求解不可压流场的常用方法，本研究的计算即采用SIMPLE算法[8]。入口条件为速度入口（velocity inlet），分布均匀，速度设置为15 m/s；出口为自由流出（outflow）。湍流强度为10%，水力直径为

油雾颗粒的粒径设置为8 μm，入口速度为15 m/s，质量流量为0.05 kg/s。计算残差设置为10-5，经过2000次的迭代计算，基本达到收敛。

3 结果与分析

为了研究在安装不同导流装置的情况下，油雾净化器内部的气流组织情况，本文分别在平行百叶与角钢这两种导流装置以及无导流装置的工况下进行数值模拟分析。

3.1 速度分布

根据图3中的结果可知，在未安装导流装置的速度矢量图中，产生漩涡的现象非常严重，并且漩涡中心靠近极板一段。这导致了箱体电极板进气极不均衡，两侧极板的气流强度几乎只有中间峰值的一半。在安装角钢的箱体内，由于角钢的压缩，含颗粒气流在流出扩口后，其两端的漩涡区面积明显减小，强度减弱，并且漩涡中心移至扩口壁一侧，减少了对极板处的影响[10]。气流接触角钢时，在局部形成了类似于45°渐缩口的结构。这样使得角钢间缝隙处对应的极板间气流速度显著增加。但是由于角钢本身形状的特点，导致在角钢的后侧局部形成了小型的漩涡，削弱了对应位置的极板间气流速度。而在安装百叶的箱体内，百叶只是将原本的一个漩涡区分割成了前后两块，气流组织情况并未明显改善。反而由于百叶自身的遮挡，使得中间部分原本密集的气流遭到部分削弱。总体来说，加装百叶对箱体内气流无显著影响。

图3 不同导流装置下y=0截面速度矢量图

图4 是根据角钢和百叶两种不同工况下，截取z=0平面中根据x坐标轴而变化的速度最大值与平均值制作而成的。从图4（a）、（b）两图的对比可以看出，在碰撞到导流装置时，角钢的衰减更为明显，但是由于局部渐缩的效果，气流被重新汇聚，到达极板时的气流速度稳定在8 m/s左右；而在加装百叶的箱体中，虽然前部对气流的影响相较于角钢更小一些，更是后部的最大速度与平均速度相差近2 m/s，这说明气流在极板处仍未达到稳定状态，且平均速度也衰减为6 m/s左右。

图4 不同导流装置下最大速度与平均速度沿x坐标变化

3.2 颗粒物轨迹

从图5的对比可以看出，在加装角钢后，颗粒物流动空间分布更加均匀，上下两侧的空间得到有效利用；但同时，颗粒物与壁面以及导流装置碰撞的几率增大，这也就意味着油雾更有可能附着在渐扩口的拐角以及角钢的死角处，增大净化器的清洁难度。而在加装百叶的图中，我们发现颗粒物并未被两侧的漩涡卷吸开来，而基本上仍然沿着原有轨迹行进，上下两侧空间没有得到有效利用。

图5 不同导流装置下颗粒轨迹

4 结论

本文使用数值模拟分析的方法，探究了在加装角钢和百叶这两种导流装置的情况下，静电式油雾净化器箱体内气流的变化。结果显示，在含油雾颗粒气流质量流量相同的前提下，角钢对箱体四周漩涡具有抑制作用，因而减少了漩涡区对气流造成的能量损耗。具体有如下结论。

（1）在无导流装置时，箱体前部两侧的漩涡区面积较大，而且由于漩涡中心靠近极板，对板间气流影响明显。箱体上下两侧的极板，由于靠近漩涡，流量大幅缩小。总而言之，在无导流装置的情况下，气流能量损失较大，分布不均匀。

（2）加装角钢后，漩涡区面积明显减小，强度也有所削弱。同时，角钢对气流进行了较为有效的梳理，使两侧的极板空间得到利用，极板间的气流组织更加均匀。尤为显著的是，由于局部的渐缩效果，缝隙间的气流得到加强。但同时，角钢背部形成的小型漩涡也在一定程度上削弱了部分板间的气流，且油雾易附着在角钢的死角处。在以后的研究中，可以通过改进角钢的结构，即改变其两端长度、减小钢板厚度以及其它可行方法，来进一步改进其导流性能。

（3）加装百叶后，对于60°的渐扩箱体，由于上下两侧的漩涡区较大，百叶将其分割后，前后两侧仍形成较为独立的漩涡区。而与角钢相比，也并未对气流起到局部加强的作用。可见，百叶作为比较常见的导流装置，在加入箱体后，对内部气流组织起到的作用较为有限，并不适用于渐扩口的管内流动。

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Numerical Simulation of the Influence of Guiding Devices on Air Flow Containing Oil Mist Particles

Gu Pingdao Jiang Guanyu Dou Zhongjie Yang Yanwu

By using numerical simulation analysis,investigates the change of air flow in the electrostatic oil mist purifier tank installed with angle steel or shutter as air deflector.It is shown that when the mass flow rates of the air flows containing oil mist particles are equal,the angle steel helps to suppress the vortex flow around the tank, and thereby,the energy loss of air flow caused in the vortex area is reduced.

Guiding device;Oil mist particles;Air flow;Vortex area;Oil mist purifier

TQ 050.2

2014-05-19)

*顾平道，男，1965年生，博士，副教授。上海市，201620。