張禮華,孫國(guó)龍,竇志前

(江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,鎮(zhèn)江 212003)

導(dǎo)流板作為除塵器的重要部件之一，在除塵設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，可用于對(duì)煙塵氣流進(jìn)行導(dǎo)向和氣流優(yōu)化分配．由于煙氣的進(jìn)口速度較大且?jiàn)A帶有灰塵顆粒，如果煙氣高速垂直與濾袋接觸，高速煙氣的沖刷會(huì)造成濾袋負(fù)荷增加，磨損加劇且降低除塵效率，進(jìn)而導(dǎo)致濾袋大范圍損壞；加裝導(dǎo)流板可以有效減緩由于氣流和壓力分布不均，大大降低除塵器的除塵效率，從而避免或者減輕煙氣對(duì)濾袋的直接沖刷，因此對(duì)導(dǎo)流板進(jìn)行煙氣的分配與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的優(yōu)化研究很有必要．

目前對(duì)于脈沖噴吹袋式除塵設(shè)備導(dǎo)流板的研究集中在導(dǎo)流板對(duì)流場(chǎng)的影響：文獻(xiàn)[1]研究導(dǎo)流板的布置方式對(duì)于流場(chǎng)均勻性的影響;文獻(xiàn)[2]采用CFD軟件對(duì)除塵設(shè)備入口流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，分析導(dǎo)流板對(duì)于煙氣流量分配、速度及壓力的內(nèi)部分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)通過(guò)對(duì)煙道入口和除塵室入口合理布置導(dǎo)流板和擋板，可以改善氣流的分布情況;文獻(xiàn)[3]給出板數(shù)、板長(zhǎng)、擋板上端距灰斗頂部截面高度、 擋板前后偏角及過(guò)濾風(fēng)速之間的函數(shù)關(guān)系式，并提出以氣流速度相對(duì)均方根作為氣流均勻性的評(píng)價(jià)指標(biāo);但以上研究對(duì)導(dǎo)流板自身的力學(xué)和結(jié)構(gòu)特性，以及整個(gè)入口結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方面的研究比較缺乏．

1 建立模型與計(jì)算方法

1.1 物理建模及其假設(shè)

文中導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)為“U”型槽狀直板，如圖1，分為前導(dǎo)流板(圖1下)和后導(dǎo)流板(圖1上)，前導(dǎo)流板槽口與煙氣方向相反，前后導(dǎo)流板相互搭扣，采用多點(diǎn)固定的方式，上端固定于花板，下端固定于箱體中，中間部位有固定桿連接固定，固定方式為焊接，若干件豎直安裝于預(yù)除塵室內(nèi)，如圖2．

圖1導(dǎo)流板裝配示意

Fig.1Schematicdiagramofbaffleassembly

圖2 除塵設(shè)備入口結(jié)構(gòu)Fig.2 Dust removal equipment entrance structure

文中只是分析導(dǎo)流板自身的力學(xué)特性，以及除塵器入口處的流場(chǎng)分布和導(dǎo)流板對(duì)流場(chǎng)的影響，所以模型只取除塵器入口處，并省略上凈氣室和灰斗，導(dǎo)流板只保留上下端固定，省略中間多個(gè)固定桿，由于進(jìn)氣口的中間部位煙氣速度最快，所以取極值計(jì)算，以保證足夠的數(shù)據(jù)冗余.在進(jìn)行建模時(shí)可對(duì)不必要的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，以便于網(wǎng)格的劃分和減小計(jì)算量，簡(jiǎn)化模型如圖3，由于模型的形狀不規(guī)則，劃分結(jié)構(gòu)難度較大，故采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，最大允許網(wǎng)格尺寸為400 mm，導(dǎo)流板附近最大網(wǎng)格允許尺寸為20 mm，網(wǎng)格總數(shù)為1 801 576個(gè)．

圖3 除塵器入口三維簡(jiǎn)化模型Fig.3 Three-dimensional simplified model for the inlet of the precipitator

1.2 數(shù)值方法以及邊界條件

袋式除塵設(shè)備箱體內(nèi)部流場(chǎng)是復(fù)雜的三維湍流流場(chǎng)，為便于計(jì)算，忽略流體的壓縮量，作定常流動(dòng)，整個(gè)數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程不考慮溫度對(duì)流場(chǎng)的影響，計(jì)算模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型，算法采用SIMPLE算法[4]，對(duì)流項(xiàng)差分格式采用二階迎風(fēng)格式近壁面處采用壁面函數(shù)法處理，速度入口邊界，入口速度為14 m/s;壓力出口邊界，出口壓力為1 000 Pa;壁面為標(biāo)準(zhǔn)無(wú)滑移壁面條件[5];靜力計(jì)算采用導(dǎo)流板兩端固定，整個(gè)受力面加載最大均布載荷，載荷為流場(chǎng)計(jì)算導(dǎo)流板所受最大壓力．

2 計(jì)算結(jié)果分析

模型經(jīng)過(guò)Fluent流體計(jì)算與Workbench靜力計(jì)算后，計(jì)算的結(jié)果如表1，2．

表1 流場(chǎng)計(jì)算數(shù)據(jù)Table 1 Field calculation data

表2 靜力計(jì)算數(shù)據(jù)Table 2 Static calculation data

從Workbench靜力計(jì)算計(jì)算結(jié)果看，導(dǎo)流板在僅兩端固定的情況下，形變量過(guò)大，且各板受力不均，形變不一致，導(dǎo)致導(dǎo)流板對(duì)氣流分配不均;Fluent流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)導(dǎo)流的氣體出現(xiàn)上部氣流過(guò)于集中的現(xiàn)象，如圖4，這將會(huì)導(dǎo)致氣流集中處濾袋破損，從而導(dǎo)致除塵室內(nèi)壓差加劇，形變進(jìn)一步加劇，氣流分布更加不均，這將影響濾袋的使用壽命和除塵設(shè)備的工作效率．

圖4 除塵器入口速度云圖Fig.4 Dust collector inlet speed cloud

為了驗(yàn)證網(wǎng)格對(duì)于計(jì)算結(jié)果的影響，對(duì)入口流場(chǎng)網(wǎng)格進(jìn)行加密，網(wǎng)格總數(shù)分別為3 073 653個(gè)和3 799 581個(gè)，不同網(wǎng)格數(shù)量對(duì)入口流場(chǎng)速度的影響如圖5，可以看出網(wǎng)格的變化對(duì)于最大速度的影響很小，計(jì)算結(jié)果的偏差在2%以?xún)?nèi)，可以認(rèn)為網(wǎng)格數(shù)量與計(jì)算結(jié)果無(wú)關(guān)，計(jì)算結(jié)果可信．

圖5 速度大小隨網(wǎng)格變化Fig.5 Velocity varies with the grid

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

由于原導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)存在缺陷，現(xiàn)設(shè)計(jì)出一種新的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，如圖6，7，并利用Isight多學(xué)科優(yōu)化軟件對(duì)重要設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)計(jì)算，Isight軟件對(duì)SolidWorks、ICEM CFD和Fluent軟件進(jìn)行集成[6]，對(duì)導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，減小導(dǎo)流板所受最大壓力和流場(chǎng)出口的最大速度．

圖6 新導(dǎo)流側(cè)視圖Fig.6 New deflector side view

圖7 新導(dǎo)流板裝配截面Fig.7 New baffle assembly section

3.1 數(shù)學(xué)模型

基于Isight優(yōu)化的數(shù)學(xué)表達(dá)方程如下．

目標(biāo)函數(shù)[7]為:

式中:vmax為最大出口速度;pmax為導(dǎo)流板所受最大壓力;W為權(quán)重因子，取默認(rèn)值1;SF為規(guī)模因子，取默認(rèn)值1．

設(shè)計(jì)變量為:導(dǎo)流板彎折角度D5(°);過(guò)渡圓弧半徑D6(mm);彎折部分長(zhǎng)度D1(mm)．

約束條件為:112.5≤D5≤187.5;1 500≤D1≤2 500;1 875≤D6≤3 125．

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)

搭建DOE試驗(yàn)?zāi)Ｐ图筛鬈浖?，如圖8，由于試驗(yàn)因子相對(duì)較少，采用全因子法為每個(gè)因子指定任意水平數(shù)并研究所有因子的所有組合[8]，生成設(shè)計(jì)矩陣，對(duì)全部因子和試驗(yàn)組合進(jìn)行計(jì)算，并自動(dòng)生成輸入輸出關(guān)系．

圖8 DOE模型Fig.8 DOE model

3.3 近似模型與設(shè)計(jì)優(yōu)化

搭建近似優(yōu)化模型，如圖9，將DOE試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算結(jié)果導(dǎo)入優(yōu)化模型中．

圖9 優(yōu)化模型Fig.9 Optimize model

近似模型采用全面響應(yīng)模型[9]，對(duì)采樣點(diǎn)使用最小二乘的方法獲取近似模型，采用鄰域培植遺傳算法，其由最早的遺傳算法優(yōu)化而來(lái)[10]，視各因子同等重要，通過(guò)排序后分組進(jìn)行交叉的方法實(shí)現(xiàn)“相鄰繁殖”，加速了計(jì)算收斂的過(guò)程．

經(jīng)過(guò)優(yōu)化計(jì)算得出:彎折部分長(zhǎng)度D1=2 387.89 mm，導(dǎo)流板彎折角度D5=155.30°，彎折部分過(guò)渡圓弧半徑D6=3 105.01 mm，整個(gè)計(jì)算尋優(yōu)過(guò)程如圖10．

圖11為Pareto圖，反應(yīng)樣本擬合后模型中所有項(xiàng)對(duì)每個(gè)響應(yīng)貢獻(xiàn)程度的百分比，從圖中看出x2與x1-x2對(duì)最大出口速度和導(dǎo)流板所受壓力的影響因素為負(fù)效應(yīng)其他為正效應(yīng)．

圖11 Pareto圖Fig.11 Pareto diagram

從計(jì)算結(jié)果的相關(guān)性看，如圖12，設(shè)計(jì)變量彎折部分長(zhǎng)度、導(dǎo)流板彎折角度、過(guò)渡圓弧半徑對(duì)最大出口速度的影響為遞增關(guān)系，過(guò)渡圓弧半徑與導(dǎo)流板彎折角度與目標(biāo)變量均為負(fù)相關(guān)，且相關(guān)性較大，彎折部分長(zhǎng)度為正相關(guān)，但相關(guān)性較?。?/p>

圖12 出口最大速度的相關(guān)性Fig.12 Export maximum velocity correlation

如圖13，設(shè)計(jì)變量彎折部分長(zhǎng)度、過(guò)渡圓弧半徑和導(dǎo)流板彎折角度對(duì)導(dǎo)流板最大壓力的影響為遞增關(guān)系，過(guò)渡圓弧半徑與導(dǎo)流板彎折長(zhǎng)度與目標(biāo)變量為負(fù)相關(guān)，且相關(guān)性較大，導(dǎo)流板彎折角度為正相關(guān)，但相關(guān)性較?。?/p>

圖13 導(dǎo)流板最大壓力的相關(guān)性Fig.13 Correlation between the maximum pressure of the baffle

3.4 計(jì)算驗(yàn)證

將計(jì)算優(yōu)化后的導(dǎo)流板，重新導(dǎo)入Fluent與Workbench中，在同等工況下對(duì)導(dǎo)流板進(jìn)行流場(chǎng)和靜力學(xué)分析，計(jì)算數(shù)據(jù)如表3和表4．

表3 導(dǎo)流板優(yōu)化后流場(chǎng)計(jì)算數(shù)據(jù)Table 3 Calculation of flow field after baffle optimization

表4 導(dǎo)流板優(yōu)化后靜力計(jì)算數(shù)據(jù)Table 4 Optimized static calculation data for baffles

從優(yōu)化后的數(shù)據(jù)分析得出，導(dǎo)流板所受壓力減小了5.07%，除塵器入口處最大流速減小了16.87%，經(jīng)過(guò)除塵器入口處流場(chǎng)分布如圖14．

圖14 優(yōu)化后入口速度云圖Fig.14 Optimized after the entrance speed cloud

從圖15可以看出，出口處的流場(chǎng)相比優(yōu)化前，頂端的氣流集中現(xiàn)象有所改善，流場(chǎng)分布更加均勻，出口處的速度有所減小，從而有助于提高除塵效率和濾袋使用壽命．

圖15 優(yōu)化前后出口速度云圖Fig.15 Optimize the image of the export speed before and after

4 結(jié)論

通過(guò)Workbench和Fluent對(duì)原方案進(jìn)行靜力計(jì)算和流場(chǎng)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流板和除塵設(shè)備入口存在的結(jié)構(gòu)缺陷，以及結(jié)構(gòu)不合理所造成的流場(chǎng)分配不均勻和氣流流速過(guò)快等問(wèn)題，進(jìn)而設(shè)計(jì)一種改進(jìn)的導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)，并通過(guò)Isight多學(xué)科優(yōu)化軟件對(duì)導(dǎo)流板的主要設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，重新設(shè)計(jì)優(yōu)化后的導(dǎo)流板相比原結(jié)構(gòu)方案得到如下結(jié)論:

(1) 減小了除塵設(shè)備入口氣流的流速，避免了高速煙氣造成二次揚(yáng)塵，且使得導(dǎo)流后煙氣集中現(xiàn)象有所緩解，且氣流分配更加均勻，從而減小了濾袋破損的機(jī)率，提高了濾袋的使用壽命．

(2) 新導(dǎo)流板具有更強(qiáng)的剛度，大大減小了在內(nèi)部壓力作用下發(fā)生較大形變的可能，且更小的形變無(wú)需對(duì)其進(jìn)行額外加固，優(yōu)化了入口處的結(jié)構(gòu)，使得結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單化和輕量化，不僅提高了除塵設(shè)備的工作效率，還可以降低成本，為以后的設(shè)計(jì)研究工作提供參考．