基于Fluent对井下湿式除尘器的流场分析

王云龙，王宝中，李民主

（1.河北联合大学 机械工程学院，河北 唐山 063000；2.唐山开滦广汇设备制造有限公司，河北 唐山 063000）

0 引言

我国是产煤大国，在煤矿生产过程中产生了大量的煤矿粉尘。粉尘危害主要有两方面：一是对人体健康的危害，二是煤尘爆炸危害。研究井下除尘技术，遏制粉尘危害，保证矿工生命安全，具有十分重要的意义。本文对湿式除尘器的结构、工作原理进行深入分析研究，并利用Fluent软件对除尘器内部流场进行数值模拟，分析除尘器内部是否出现由于设计不合理而引起的涡流、回流以及内部压力场、速度场分布的不均匀，进而采取有效措施避免出现这类问题，提高除尘器除尘效率，降低设备运行阻力。

1 井下湿式除尘器结构及工作原理

图1为KCS复合型矿用湿式除尘器结构。它主要由除尘器箱体、过滤装置、脱水百叶窗3部分组成，其中过滤装置上装有喷水装置。其工作原理是：首先含尘气流进入除尘器后经过过滤装置，由于喷头不断向过滤网喷水，含尘气体经过过滤装置变成含尘液滴，尘粒因此被捕获，其中一部分含尘液滴因水幕的加厚或其自重而随水流下降，同时自动清洗过滤装置上的积尘，由排污口排出；另一部分含尘液滴随后进入脱水器，百叶窗脱水器是由多块折流板构成的，在折流板构成的通道的每个拐弯处都装有收集钩，液滴将碰撞到对面板壁上或百叶窗拐弯处的收集钩内，并积聚形成液膜，液膜逐渐加厚会顺着百叶窗壁面往下流，从排污口流出；最后，由排污口流出的液滴经过过滤、脱水处理得到的洁净气体直接排入巷道，达到了空气净化的目的。

2 除尘器模型的建立及网格划分

除尘器结构为非对称结构，建立除尘器的三维模型时把不影响除尘器流场的部件和材料去除，如除尘器倒圆角和边角部分以及除尘器的污水舱、排污口、进风口组件、出风口组件。除尘器的过滤装置内填充不锈钢丝纤维，其三维建模难度极大且不宜划分网格，可以把过滤网看作多孔介质域。本文采用Pro/E软件创建除尘器的几何模型，利用ICEM软件进行网格划分，建立的三维模型网格划分结果如图2所示。

图1 KCS复合型矿用湿式除尘器结构

图2 除尘器网格划分

3 数学模型与物理模型

3.1 湍流模型

根据井下湿式除尘器正常运行状态下的工况参数计算出除尘器内部流场的雷诺数，从而确定内部流场为湍流流场。湍流流场分析采用标准k－ε湍流模型，标准k－ε模型的湍动能k方程为：

其中：xi为气、液、固三相中某一相的坐标分量；ui为气、液、固三相中某一相的速度矢量；ρ为密度；μ为分子黏性系数；μi为湍流黏性系数；Gk为由于速度梯度引起的应力生成项；σk为湍动能普朗特数，σk＝1。

耗散率ε方程为：

其中：σε为耗散率普朗特数，σε＝1.3；C1ε和C2ε为常数，C1ε＝1.44，C2ε＝1.92。

3.2 多相流模型

采用欧拉－欧拉方法的混合模型是一种简化的多相流模型，它用于模拟各相有不同速度的多相流，但是假定了在较短空间尺度上局部的平衡，其各个相之间的耦合很强；它也用于模拟有强烈耦合的各向同性多相流和各相以相同速度运动的多相流。在模拟除尘器流场特性和粉尘颗粒运动轨迹时一般选多相流模型，采用k－ε湍流模型求解混合相的动量方程、第二相的体积率方程以及相对速度的代数表示。

连续性方程为：

动量方程为：

其中：xj为另一相坐标分量；uj为另一相的速度矢量。

3.3 多孔介质模型

对于过滤式除尘器的模拟，由于过滤过程具有复杂性和不确定性，在模拟过滤过程时与理论上还有一定的出入，难以再现实际过滤过程，但采用多孔介质模型方法，其结果与实际情况比较接近。在多孔介质面板里需要计算的涉及到多孔介质的参数只有两个，第一个是黏性阻力系数α，第二个是惯性阻力系数C2，这两个系数可以用欧根公式求解：

其中：Dp为球形颗粒的直径或非球形颗粒的体积当量直径；ω为孔隙率。

4 数值模拟与结果分析

本文根据设备的具体运行状况进行了适当的简化：①除尘器的内流场为等温流动，不考虑各相间的热交换；②尘粒和液滴均看作球形；③把过滤装置看作多孔介质域。

因为本文研究的是空气—液滴—煤粉三相相互贯通的连续体，是具有强烈耦合的各向同性的多相流，考虑了界面传递特性以及两相间的扩散作用和脉动作用，所以采用mixture模型进行气液固三相模拟。其中湍流模型采用标准k－ε模型和壁面函数法，应用压力速度耦合的Coupled算法。把过滤装置看作多孔介质域，采用多孔介质条件的简化模型，即多孔跳跃条件。进口条件采用速度进口，出口条件采用压力出口，气流相壁面满足无滑移条件，近壁面处应用壁面函数，对于固相颗粒，壁面采用无损失碰撞条件，入口速度给定，与气流速度相同。经过Fluent计算后，得到的结果如图3～图7所示。

图3 y＝0处除尘器整体横向截取的速度矢量和总压力分布云图

图4 x＝0处除尘器整体纵向截取的速度矢量和总压力分布云图

图5 z＝622mm处除尘器纵向截取的多孔介质域速度矢量和压力分布云图

由图3和图4可知，气—液—固三相流由除尘器进口进入除尘器内部，首先通过多孔介质域，经过过滤得到充分发展和稳定，然后进入百叶窗脱水器，液滴气流碰到百叶窗壁面产生了明显的回流和涡流，百叶窗通道内的速度分布与其他部分的速度分布明显不同。在过滤装置的多孔介质域附近，由于气流速度变小，静压上升，因此总压较高；当气流到达除尘器的排污口时，由于外侧高速气流的诱导，部分气体向外侧流动，形成切向涡旋，气流没有经过过滤装置和百叶窗进行净化就排除，影响了除尘效果。

由图5可知，流体进入多孔介质域后，过滤除尘装置内部速度分布比较均匀，使每个过滤单元的工作负载均匀分布，没有涡流或回流现象，可以防止承受巨大的气流冲击，基本可以有效过滤粉尘和液滴；从图5（b）来看，靠近进风口处的静压分布均匀性较好，在远离进风口部位下方的静压值大于中部和上部的静压分布，流体通过多孔介质域后所产生的压降值大概在100Pa左右。

由图6可知，百叶窗脱水器速度总体变化趋势是逐步减小的，切向速度方向与百叶窗拐角方向具有一致性，其中百叶窗收集钩内部速度变大，速度曲线变化明显，验证了涡流的存在。由图7可以看出，百叶窗内部压力从内到外逐渐变低，出口处形成负压，气体从出口排出，百叶窗脱水器内部速度矢量和压力分布均匀，可以很好地实现脱水效果。

图6 百叶窗脱水器3个截面速度矢量分布

图7 百叶窗脱水器3个截面的压力云图分布

5 结论

本文以井下湿式除尘器为例，分析研究了除尘器内部气－液－固三相流的速度及压力的分布规律，探讨了Fluent软件在除尘领域的应用。在设计过程中借助Fluent软件对除尘器内部流场模拟，可以清晰地了解设备内部流场参数，为研发实用可靠、效果明显的除尘设备提供了一个方便的途径。

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