脉冲袋式除尘器喷吹气流的数值模拟

借助计算流体动力学方法,采用二维非稳态流动数学模型,对脉冲袋式除尘器滤袋内喷吹气流的压力分布进行了数值模拟. 通过与喷吹压力实验值对比,验证了数值模拟结果的可靠性,表明可将数值模拟作为脉冲喷吹的研究方法. 在用不同时刻的滤袋壁面压力分布图来表示的模拟结果中显示,随着气流向袋底方向运动,滤袋壁面压力的最大值不断下移,距袋口0. 5 m 处,峰值压力和压力上升速率都达到最大值.


袋式除尘器脉冲喷吹的清灰效果是影响设备运行阻力和滤袋使用寿命的主要因素之一. 如图1 所示,含尘气体进入中箱体,经滤袋过滤后洁净气体由上箱体出口排出. 喷吹时,压缩气体由喷嘴高速喷出,诱导喷嘴周边的数倍气体在短时间内进入滤袋,滤袋急剧膨胀、振动,从而使附着在滤料表面的粉尘层剥落[122 ] . 目前有关脉冲喷吹气流及其性能参数优化研究的报道文献不多,设计中对喷吹装置喷吹效果的判断,大多是根据经验,或者通过实物试验进行的[324 ] . 为了更好的了解喷吹气流与滤袋间的作用状况,本文采用计算流体动力学(Comp utational Fluid Dynamics ,简称CFD) 方法,使用Fluent 软件对脉冲喷吹气流的压力分布进行了数值模拟,对于滤袋清灰装置的优化设计具有重要的意义.

1 　计算模型
喷吹气流在滤袋内的流场非常
复杂,为了便于建立数值计算模型,对滤袋内外流场进行如下简化:
(1) 以单条圆筒滤袋作为研究对象,并将其内外气流假定为不可压缩流体;
(2) 在喷嘴出口处,由于喷嘴直径远小于滤袋直径,可以假定喷吹气流速度沿喷嘴径向均匀分布;
(3) 常温计算条件,不涉及温度对流场的影响;
(4) 不考虑滤袋壁面的纵向位移;
(5) 喷吹气流在滤袋内的流场是三维流动问题,喷吹气流沿滤袋长度方向的轴线是对称的,可简化
为二维问题.
图2 (a) 为单条滤袋喷吹清灰的几何模型,X 为喷吹距离(喷嘴距袋口距离) ,L 为滤袋长度,喷嘴直径d ,D 为计算区域宽度. 将引射空间、滤袋内外空间作为计算区域.网格划分时,沿袋口方向网格间距为D/ 20 ,沿滤袋长度方向网格间距为L/ 10. 而对于喷嘴出口部分,因其对网格比较敏感,在网格划分时进行了适当的加密,以减小计算误差,提高结算精度. 图2 (b) 为
计算区域的网格图,以及喷嘴部分的网格细化图.

图2 　单条滤袋计算区域
Fig. 2 　Calculated section of single filter bag
2 　数值计算方法
2. 1 　控制微分方程
脉冲喷吹气流的流动过程采用的控制方程如下:

2. 2 　边界条件与初始条件
固体壁面包括上箱体壁面、喷管外壁、花板、袋底,其边界条件采用壁面函数法[5 ] . 中箱体壁面采用恒压边界条件,依据压力的大小确定出滤袋的外表面过滤气速. 净气出口采用压力出口边界条件,滤袋采用多孔跳跃边界条件.
滤袋介质作为渗流壁,其内部沿半径方向的流动方程由非稳态的Darcy 公式确定[6 ] .

式中: v 为气体通过袋壁的径向速度,m/ s ; K 为滤袋壁渗透系数,取决于滤袋和粉尘层的几何结构和化学性质,m2 ;μ为黏性系数,Pa ·s ; p ( t) 为不同时刻的滤袋壁面压力值,Pa ; r 为径向距离,m.该流场的初始化是从恒压面开始初始化,恒压面的压力采用中箱体的压力.脉冲喷吹是一个非稳态的过程,非稳态湍流流场的计算采用SIMPL E 算法[7 ] . 工程上压缩空气的喷吹时间一般设定在80～150 ms 之间,在模拟计算时取100 ms ,求解步长取4/ 1 000 s.
3 　数值模拟结果
3. 1 　Φ160 ×6 000 滤袋的模拟
滤袋的几何尺寸为直径Φ= 160 mm ,长度L = 6 000 mm. 喷吹时间T = 100 ms ,喷吹距离X = 200mm ,喷嘴d = 26 mm. 实验气包压力为0. 4 MPa ,实验采用的Goyen 淹没式脉冲阀的阻力损失在0. 06～0. 07 MPa 之间[829 ] ,模拟时采用的压力为0. 33 MPa (数值模拟是从喷嘴处开始计算) . 由于该实验袋口部分采用了文丘里管,故在模拟时也增加了文丘里管. 数值模拟得出滤袋各点的峰值压力曲线,如图3所示. 图中同时给出了文献[10 ] 在相同条件下的实验检测数据.
由图3 可以看出,两条曲线基本吻合.在袋口0～0. 3 m 处,由于增加了文丘里管,峰值压力较小,且第二个测试点(0. 3 m处) 的压力值有所减少; 而后压力开始上升,在滤袋1m 处达到最大值;随着滤袋长度的增加,压力值不断衰减; 到滤袋中下部,压力有所回升. 在距袋口0～3 m 段,两条曲线完全重合,在滤袋中下游部分,模拟值高于实测值. 这一偏差主要是因为实验测定与数值模拟的有效喷吹时间和滤袋的渗透系数取值不一致造成的,可以通过调整参数取值来修正. 对比结果表明模拟值与实测所得峰值压力曲线基本吻合,滤袋内喷吹气流压力分布可以利用数值模拟的方法来分析.

图3 　滤袋侧壁峰值压力对比
Fig. 3 　Comparison of t he peak pressure between t he experimental
value and t he numerical calculations
3. 2 　Φ130 ×6 000 滤袋的模拟
圆筒滤袋通常的尺寸为Φ130 、Φ150 、Φ160 mm 等几种,长度一般在5 000～8 000 mm 之间. 其中Φ130 ×6 000 mm 的滤袋在工程应用中较多,对于长滤袋不宜加文丘里管,本文选择Φ130 ×6 000 mm滤袋进行喷吹气流压力场的模拟.

图4 　脉冲喷吹不同时刻滤袋侧壁压力曲线
Fig. 4 　Pressure inside a filter bag at different instant s
图4 是常温条件下Φ130 ×6 000 mm 的滤袋,在T = 100 ms , X = 200 mm , d = 24 mm , P = 0. 2 MPa
时脉冲喷吹不同时刻滤袋壁面的模拟结果.
从图4 中可以看出,滤袋壁面不同部位达到最大压力值的时间是有差别的. 距袋口越远,达到最大压力值所需的时间越长. 40 ms 左右时,距滤袋口0～1 m 处压力值达到最大;喷吹到60 ms 时,距袋口1～3 m 处达到压力最大
值;70 ms 左右,袋口压力减小,距袋口3～6 m处滤袋壁面压力达到最大值;而在80 ms ,100ms 时滤袋壁面的峰值压力值不断下降.在喷吹过程中,滤袋壁面受到的最大静压值即为峰值压力. 峰值压力是喷吹过程中一个
最直观的表现形式,可以通过实验测量获得. 据图4 所示各时刻的压力分布,经计算后得图5所示的滤袋壁面峰值压力曲线. 由图5 可见,峰值压力不断上升,距袋口约0. 5 m 处出现最大值,随后由于喷吹气流泄漏和运动压力损失,峰值压力开始下降,喷吹气流冲击到封闭的滤袋底部,产生返流,导致滤袋底部的压力值回升.压力上升速率是滤袋壁面的峰值压力与压力从零值上升到峰值所经历的时间的比值. 压力上升速率是喷吹效果的一个重要评价指标. 图6 是根据图5 所示的模拟结果得出的滤袋壁面压力上升速率曲线图. 由图6 可见,压力上升速率从袋口开始上升,距袋口约0. 5 m 处出现最大值,随袋长的增加,压力上升速率逐渐减小.

图5 　滤袋侧壁峰值压力
Fig. 5 　Peak pressure during cleaning at various
locations inside t he filter bag

图6 　滤袋最大压力上升速率