【摘要】：工業(yè)的快速發(fā)展隨之帶來的環(huán)境惡化給人們的生產(chǎn)生活造成了極大的危害。近些年來,霧霾已成為社會熱詞,其重要成分就是細(xì)粉塵,空氣中懸浮的粉塵粒徑小,有著極強(qiáng)的附著力,嚴(yán)重威脅著人們的健康,因此對粉塵顆粒排放的控制是民生關(guān)注的熱點(diǎn)問題。工業(yè)除塵是控制工業(yè)粉塵排放的重要環(huán)節(jié),因此對于工業(yè)粉塵除塵技術(shù)及氣-固流動特性的研究尤為關(guān)鍵。目前,工業(yè)粉塵分離捕集的除塵技術(shù)主要包括三種:慣性分離、纖維過濾和靜電捕集。本文將對于其中兩種除塵技術(shù),即慣性分離(旋風(fēng)除塵器),纖維過濾(平板型和褶型纖維過濾介質(zhì))的氣-固流動過程進(jìn)行數(shù)值模擬,并且深入分析其除塵機(jī)理及氣-固流動特性。所得的結(jié)果對工業(yè)粉塵除塵技術(shù)的發(fā)展以及粉塵排放的控制有著十分重要的意義。本文基于OpenFOAM(Open-source Field Operation and Manipulation)軟件建立氣-固兩相流數(shù)值計算模型,采用歐拉-拉格朗日法描述氣-固兩相流的運(yùn)動。首先,模擬研究旋風(fēng)除塵器對于1-20μm固體顆粒的分離特性。另外,為了克服二次流的存在,對于普通切向入口的旋風(fēng)除塵器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,改善了旋風(fēng)除塵器的性能;其次,通過實(shí)際纖維微觀掃描電鏡圖片建立平板型纖維過濾介質(zhì)微觀三維模型以及褶型纖維過濾介質(zhì)的微觀三維模型,模擬其內(nèi)部的氣-固兩相流流動過程,分析在不同運(yùn)行參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下,平板型和褶型纖維過濾介質(zhì)的過濾特性。最后,將模擬結(jié)果與CFD-DEM(Discrete Element Method)耦合模型和經(jīng)驗(yàn)公式計算結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證;從消耗計算機(jī)資源及模擬計算時間的角度分析OpenFOAM氣-固模型和CFD-DEM耦合模型的模擬計算成本。研究結(jié)果表明:(1)基于OpenFOAM氣-固兩相流模型對于旋風(fēng)除塵器內(nèi)部氣-固兩相流模擬的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有著很好的一致性,壓降和效率誤差分別為9.89%和1.33%,模擬結(jié)果可靠。引入二次風(fēng)改善了旋風(fēng)除塵器的二次流,減少了上灰環(huán)和短路流的形成,提高了旋風(fēng)除塵器的分離效率。引入二次風(fēng)能有效提高旋風(fēng)除塵器的切向速度,同時也造成了較大的壓力損失。二次風(fēng)入口速度為15,25和30 m/s時,旋風(fēng)除塵器壓降達(dá)無二次風(fēng)壓降的2,3和4倍;分級效率隨二次風(fēng)風(fēng)速增加而增大,二次風(fēng)入口速度為10和20 m/s時分級效率增加較明顯,風(fēng)速30 m/s時,效率增加不明顯。(2)基于OpenFOAM軟件可以很好的實(shí)現(xiàn)對于平板型纖維過濾介質(zhì)內(nèi)氣-固兩相流的數(shù)值模擬,從固體顆粒物的沉積形態(tài)和顆粒分布特性得出,OpenFOAM模擬的顆粒物在纖維表面形成的枝狀結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)觀測結(jié)果十分相似;分析了不同顆粒粒徑與St數(shù)在非穩(wěn)態(tài)條件下的纖維過濾介質(zhì)壓降與效率的變化趨勢,壓降和效率都隨著沉積量的增加而增加。這是由于顆粒物的沉積,填補(bǔ)了纖維過濾介質(zhì)間的縫隙,因此增大了纖維過濾介質(zhì)的填充密度,使得壓降和過濾效率增大。(3)基于OpenFOAM氣-固兩相流數(shù)值模型很好的模擬出顆粒物在褶型纖維過濾介質(zhì)表面沉積并形成樹突結(jié)構(gòu)的過程;受到纖維的排列方式的影響,纖維與纖維交匯的區(qū)域填充密度較大,顆粒沉積明顯,因此褶型纖維過濾介質(zhì)的顆粒物沉積數(shù)量的分布呈現(xiàn)雙峰的形式。褶型纖維過濾介質(zhì)的壓降隨著褶角的增大整體呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。在0.4m/s的風(fēng)速條件下,當(dāng)θ=35°時,ΔP_(min)=5.005Pa。當(dāng)風(fēng)速為1.2m/s的條件下,θ=60°時,ΔP_(max)=18.124 Pa。單位沉積量變化條件下反映了在褶型纖維過濾介質(zhì)的含塵階段的過濾特性,褶型纖維過濾介質(zhì)的壓降隨著沉積量的增加是呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢,且增加速率也在逐漸增大;隨著顆粒物的沉積量的增大,褶型纖維過濾介質(zhì)的過濾效率也隨之增大,但是增大的速率卻是減小的。(4)針對纖維過濾介質(zhì)將OpenFOAM數(shù)值模擬結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式和CFD-DEM耦合模型模擬結(jié)果進(jìn)行比較,整體趨勢有著很好的一致性;其中CFD-DEM耦合模型模擬結(jié)果更加接近經(jīng)驗(yàn)公式,尤其是St數(shù)較大的情況,而OpenFOAM氣-固模型模擬結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式吻合度相對較差;但從模擬計算成本分析,CFD-DEM耦合模型模擬消耗計算機(jī)資源大,模擬計算時間長,而OpenFOAM氣-固兩相流模型模擬同樣能夠很好的模擬出顆粒物在纖維表面沉積并形成樹突結(jié)構(gòu),模擬結(jié)果更加接近實(shí)驗(yàn)觀測結(jié)果并且模擬計算時間短,優(yōu)于CFD-DEM耦合模型;因此需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。
【學(xué)位授予單位】：安徽工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：X964

【參考文獻(xiàn)】

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1 查文娟;錢付平;;電除塵器改造為濾筒除塵器的可行性分析[J];過濾與分離;2013年01期

2 Christoph Goniva;Christoph Kloss;Niels G. Deen;Johannes A.M.Kuipers;Stefan Pirker;;Influence of rolling friction on single spout fluidized bed simulation[J];Particuology;2012年05期

3 何維浪;林忠平;張曉磊;陸濤;陳偉忠;;褶型筒式過濾器阻力性能研究[J];潔凈與空調(diào)技術(shù);2012年03期

4 葛坡;袁惠新;付雙成;;對稱多入口型旋風(fēng)分離器的數(shù)值模擬[J];化工進(jìn)展;2012年02期

5 高翠芝;孫國剛;董瑞倩;;排氣管對旋風(fēng)分離器軸向速度分布形態(tài)影響的數(shù)值模擬[J];化工學(xué)報;2010年09期

6 許偉偉;金有海;王建軍;曹晴云;;直切式旋風(fēng)分離器內(nèi)非主流流動的研究[J];化工機(jī)械;2010年03期

7 付海明;徐芳;晉瑞芳;;褶型氣溶膠過濾器過濾阻力與結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系[J];華僑大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2010年03期

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1 梅謙;楊振坤;楊國亮;張和平;萬法江;路合銀;;濾筒除塵器將更新?lián)Q代袋式除塵器[A];2010中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會學(xué)術(shù)年會論文集(第四卷)[C];2010年

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本文編號：2608966