V型百叶窗过滤器内部气相压力场与颗粒相浓度场的数值模拟研究

龚光彩 陈可 马扬

摘要： 本文采用成熟的湍流和颗粒模型,即基于欧拉系下的k-ε双方程模型和把颗粒相作为连续介质，部分地考虑颗粒相对流体运动影响的无滑移模型，根据这种百叶窗的使用条件设定参数值，模拟出含尘气流穿过它时的过滤特性。计算了V型百叶窗过滤器中气固两相流动，从而揭示了其内部气相压力场的分布与颗粒相浓度场的基本特征.并将模拟结果和试验结果作了初步的比较和误差分析，从而有力地阐明了利用CFD技术在工程设计实施前或产品生产（改造）前预测方案的实际效果与产品性能的可行性。

关键词： 气固两相流 压力场 浓度场 过滤特性 CFD

0 前言

百叶窗式过滤器是惯性除尘器的一种。它是在含尘空气通道上装有许多由叶板组成的倾斜的挡灰栅（其截面如图1所示），含尘气流在通过挡灰栅时按叶板间的缝隙数分成多股气流，每股气流在通过叶板时会突然改变方向，这时，粉尘颗粒在惯性力的作用下力图保持原来的流动方向，尘粒掠过挡灰栅的缝隙入口而直接打到后面叶板的表面上，并沿绕过挡灰栅的空气流动方向相反的方向弹出^[1]。本文的研究工作就是根据这种百叶窗的使用条件设定参数值，模拟出含尘气流穿过它时的过滤特性。

1 计算模型及方法

迄今为止，在工程应用中，对气相流场计算可行而成熟的模型仍然是气相作为连续介质基于欧拉系下的k-ε双方程模型^[2]。对颗粒相的计算模型很多，本文采用的是基于欧拉系下的，把颗粒相作为连续介质，部分地考虑颗粒相对流体运动影响的无滑移模型^[3]。无滑移模型的优点是简单，可以用较为成熟的处理单相流体的数值解法来处理两相流，其缺点是不考虑颗粒相对于流体的速度及温度滑移（滞后）。但是在本文的研究中，只考虑在室温情况下流体、颗粒的运动情况，不需要考虑其温度变化，所以可以采用无滑移模型。

本文研究的过滤器是在室温下使用，内部温度场稳定，因而流体能量方程不予考虑，则气相组的基本方程为：

流体连续方程： 　　　　(1)

流体i方向动量方程：

　　　　(2)

流体湍能方程： 　　　　(3)

流体湍能耗散率方程： 　　　　(4)

根据无滑移模型的基本假设可知，颗粒相的动量方程及能量方程均不存在，只需给出其质量守恒或连续方程或扩散方程：

　　　　(5)

气相流场计算采用基于SIMPLE方法的改进算法SIMPLEC^[4]，该方法具有改善和加快收敛性能。积分区域网格划分使用交错网格，对流项离散使用QUICK格式^[5]。由于在欧拉场中，无论是流体的控制方程还是颗粒的控制方程，都具有相同的形式，不同的是源项。因而完全可以将原来求解单相流场的数值方法推广到多相流中。

2 模拟结果及分析

2.1 气相压力场分布

2.1.1 压力分布图

图2、图3、图4、图5分别是过滤器迎面风速V=1m/s、V=2m/s、V=3m/s、V=4m/s时气相压力场的模拟结果。

图2 v=1m/s时压力场　图3 v=2m/s时压力场

图4 v=3m/s时压力场 　图5 v=4m/s时压力场

2.1.2 压力场分析

（1）从压力场可以看出在进口处呈现正压区，挡板后漩涡区域比较大，它的存在必然使挡板后形成负压区，挡板前后形成压差，带来过滤器阻力损失。且过滤器的压力损失也是随着进口速度的加大而增加。

（2）漩涡的存在使挡板间气流绕流通道呈多次折向的弧形状，这样的流场分布特点极有利于增强气固在此分离。

2.2 粉尘颗粒的浓度场

2.2.1 颗粒相浓度场的基本特征

作者在数值模拟中选取的模拟颗粒的粒径为50μm、15μm的实验用标准滑石粉，其密度为2750Kg/m³。

图6、图7采用滑石粉粒径为50μm，V=3m/s，进口粉尘浓度分别为60mg/m³和100 mg/m³。

图6 (a) 粉尘浓度曲线 　图6 (b) 挡板积灰效果

图7 (a) 粉尘浓度曲线　 图7 (b) 挡板积灰效果

图8、图9采用滑石粉粒径为15μm，V=3m/s，进口粉尘浓度分别为60mg/m³和100 mg/m³。

图8 (a) 粉尘浓度曲线　图8 (b) 挡板积灰效果

图9 (a) 粉尘浓度曲线 　图9 (b) 挡板积灰效果

2.2.2 浓度场分析

（1）从四个模拟结果可以看出，在过滤器的进口处粉尘浓度基本成平行水平线；在挡板的夹角处出现粉尘高浓度区，并且粉尘浓度的最大值出现在迎风面的挡板夹角处。

（2）由于在挡板夹角区域存在涡流区，使得粉尘颗粒受到惯性作用易于沉积在挡板上。并且在迎风面的挡板处出现气流流速最小值，使得颗粒浓度最大值出现在此处。

（3）从挡板积灰效果图可以看出挡板夹角内壁面的拦截效果最明显，但在夹角外壁面还是有一部分颗粒沉积。

3 模拟结果与试验结果比较及分析

3.1 过滤器压力损失比较

把模拟和试验所得的数据通过最小二乘法拟合成曲线，如图10所示。

图10 压力损失曲线比较图

可以看出两者的压力损失都是随着过滤风速的增加而增加，这个基本的变化趋势是正确的，并且曲线形状有一定的相似度，都是按开口向上的抛物线变化。但模拟预测值比试验测试值偏大。

3.2 过滤效率比较

试验测试时采用中位径为15μm试验用，的标准滑石粉，3m/s的过滤风速。

图11 过滤效率曲线比较图（d=15μm）

3.3 误差分析

经过分析，作者认为模拟值与实测值之间的误差来源主要有以下几个方面：

（1）本文中颗粒相选用的是无滑移模型（单流体模型），不考虑其相对于流体的速度及温度滑移（滞后），与实际差别较大（预报的过程的发展大大超前于实际），因而通过该模型模拟出的结果必然与实际值之间存在误差。

（2）障碍物固壁边界上的速度、紊流动能、紊流动能耗散率都近似取为零，与实际情况相比存在着误差。

（3）试验平台也存在着一定的系统误差，测量、读数、计算及修正过程中又存在着随机误差，这都将会导致模拟值与测试值之间的误差加大。

4 结论

（1）本文结合过滤器的实际使用情况，建立适合的数学模型，采用无滑移模型研究了V型百叶窗过滤器内特定的流动问题，其气相压力场和颗粒相浓度场分布基本上都是符合流场定性分析的结果和实际运行情况的特征。

（2）利用数值模拟结果，计算出过滤器的压力损失，并与试验测试值进行比较和分析，就可以对模拟结果和试验测试值做双向的检验，以期分别对这两种方法提出更为合理和有效的改进方案。

（3）在工程设计及产品开发中应用CFD技术，可改变传统的设计程序，由于CFD软件可以相对准确地给出流体流动的细节，如速度场、压力场、温度场或浓度场分布的时变特性（不定常特性），因而不仅可以准确预测流体产品的整体性能，而且很容易从流场的分析中发现产品或工程设计中的问题，据此提出改进方案^[6]。在本文中所研究的V型百叶窗过滤器，如对其挡板的形状、排列顺序、挡板的夹角进行一系列的变化，模拟出它在不同情况下的压力损失、过滤效率、气粒分离特性，就可为该系列过滤器的设计，改进提供强有力的技术支持。

符号说明：

x_j张量坐标 k 紊流动能

ρ 空气密度 G_k 紊能产生项

v 空气流速 ε 紊能耗散项

p 空气压力 f 混合物分数

μ_e有效粘性系数 s 颗粒源项

g 重力加速度

模型中各通用常数据经验可取为：

c₁=1.44 c₂=1.92 σ_k=1 σ_ε=1.33 σ_p=0.09

参考文献：

[1] 吴杰，杨海霞，王淑玲. 石化技术,2002,8(1):45～48

[2] 汤广发, 吕文瑚，王汉青.室内气流数值模拟与模型实验.长沙：湖南大学出版社，1989

[3] 周力行.湍流两相流动与燃烧的数值模拟.北京：清华大学出版社，1991

[4] S.V.帕坦卡.传热与流体流动的数值计算.北京：科学出版社，1984.

[5] 陶文铨.计算流体力学与传热学.北京：中国建筑工业出版社，1991.

[6] 龚光彩.暖通空调，1999,29(6):25～27