祝 葉，左 丹，楊曉光，鄢恒飛，龍新平，4，季 斌

（1.武漢大學 水射流理論與技術(shù)湖北省重點實驗室，武漢 430072；2.武漢大學 動力與機械學院，武漢 430072；3.九江 七所精密機電科技有限公司，江西九江 332000；4.武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072）

0 引言

當前的除塵設(shè)備主要以電除塵器、袋式除塵器和濾筒除塵器為主。濾筒除塵器是在袋式除塵器的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的，具有體積小、效率高、阻力損失低、維護和管理簡單等優(yōu)點［1］，廣泛應(yīng)用于食品、電力、冶金、化工、建材等工業(yè)領(lǐng)域，取得了良好的社會和經(jīng)濟效益［2-6］。

含塵氣體進入濾筒除塵器后，粉塵沉積在濾料表面，濾筒除塵器的阻力隨濾料表面粉塵層厚度的增加而增大，當阻力達到某一定值時就要進行清灰過程。清灰過程是濾筒除塵器中最為關(guān)鍵的一步，清灰效果的好壞與濾筒除塵器的效率、運行阻力及使用壽命等息息相關(guān)。目前工程上常用的清灰方式主要是脈沖噴吹清灰。針對濾芯上的灰塵堆積過程，Aroussi A 等［7］通過試驗和數(shù)值模擬結(jié)合的方式進行了研究，并分析了影響灰塵堆積的因素。楊迪等［8］通過正交試驗的方法得到脈沖清灰的設(shè)計參數(shù)如噴吹壓力、噴吹管徑等對清灰效果的影響。在脈沖噴吹過程中，清灰氣流對濾筒的沖擊起決定性作用，清灰時濾筒側(cè)壁的壓差峰值和壓差峰值到達時間是衡量清灰效果的重要指標［9］。數(shù)值模擬脈沖清灰過程可以直觀觀察到清灰氣流的流場變化，對濾筒內(nèi)氣流均勻分布設(shè)計有很好的指導作用［10-11］。

傳統(tǒng)的濾筒一般為圓柱形，不利于反吹清灰。錐形組合式濾筒將2 個錐形濾筒組合在一起，增大了濾筒上部的清灰面積，可以有效地解決這一問題。但目前關(guān)于錐形組合式濾筒清灰過程的研究還很少見。因此，本文利用Fluent 軟件對濾筒除塵器脈沖清灰過程進行數(shù)值模擬，采用不同的噴嘴形式——無散射器拉法爾噴嘴、帶散射器拉法爾噴嘴，對組合式濾筒清灰性能進行研究，對比分析不同噴嘴型式的清灰機理及其清灰效果。

1 物理模型及簡化

在計算過程中，將物理問題進行了簡化，只考慮單個濾筒的噴吹過程。圖1 示出濾筒除塵器脈沖噴吹過程。箭頭代表的是正吹積灰過程，含塵氣流經(jīng)過濾筒過濾，粉塵則被捕集在濾筒外表面。

圖1 脈沖噴吹過程示意（與實際模擬模型不成比例）

正吹積灰過程中濾筒上不斷積聚灰塵，當進氣氣流阻力達到設(shè)定值時，由壓差控制儀控制相應(yīng)的電磁閥，打開處于閉合狀態(tài)的脈沖閥，開始進行反吹清灰過程。濾筒出氣口反向布置一路壓縮空氣，并在每個濾筒單元上方安裝一個噴嘴與散射器，高壓空氣經(jīng)過噴嘴形成高速流體，高速流體進入濾筒，與周圍流體發(fā)生卷吸及能量交換，濾筒內(nèi)外壓差的作用將濾筒表面的灰塵振落，完成反吹清灰過程。

圖2示出本文進行比較的2種形式噴嘴剖面，噴嘴進口直徑為22 mm。兩者主要的不同是帶散射器噴嘴在拉法爾噴嘴下部加了氣流散射器，散射器的結(jié)構(gòu)形狀使得氣流均勻散射，改變了流場分布，進而影響清灰效果。圖3 示出組合式濾筒尺寸。

圖2 噴嘴剖面示意

圖3 組合式濾筒尺寸示意

2 數(shù)值計算方法及設(shè)置

2.1 控制方程與湍流模型

控制方程為雷諾平均N-S 方程和質(zhì)量守恒方程，湍流的模擬采用S-A 湍流模型。相對于兩方程湍流模型，S-A 模型的計算量較小，穩(wěn)定性較好，計算網(wǎng)格在物面處不需要很精細，與代數(shù)模型的網(wǎng)格量級相當即可。同時它包含了一組新的方程，在該方程組中，不需要計算與剪切層厚度相關(guān)的長度尺度，這使得S-A 模型易用于非結(jié)構(gòu)網(wǎng) 格中。

S-A 模型的偏微方程為：

式中 Gv——湍流黏度；

μ ——分子運動黏性；

Yv——壁面區(qū)域的湍流黏性損失；

σ，Cb2——待定常數(shù)。

2.2 多孔介質(zhì)模型

在計算過程中，濾筒設(shè)置為多孔介質(zhì)域，其余為流體域。多孔介質(zhì)模型可以應(yīng)用于多種物理問題，包括過濾紙，多孔板及流量分配器等。多孔介質(zhì)的作用是通過在動量方程中增加一個源項來進行模擬，源項由兩部分組成：黏性阻力項和慣性阻力項。

式中 Si——i 向（x，y，z）動量源項；

D，C ——規(guī)定的矩陣；

v ——速度大小。

2.3 計算域及邊界條件設(shè)置

圖4 示出數(shù)值模擬計算確定的計算域。在濾筒單元上方取長寬都為0.5H、高為0.2H 的長方體單元，噴嘴及擴散器都位于本單元內(nèi)，H 為組合式濾筒高度。正吹積灰過程時，反吹管入口設(shè)為壁面，而反吹清灰過程時，反吹管入口設(shè)置為壓力入口，大小為0.6 MPa，即脈沖噴吹壓力為0.6 MPa。濾筒外表面設(shè)為壓力出口，大小為700 Pa，濾筒上方的長方體外表面同樣設(shè)為壓力出口，大小均為一個大氣壓。時間步長取1×10-5s，計算收斂標準為10-5。圖5 示出計算過程中監(jiān)測點位置分布，上濾筒設(shè)置13 個監(jiān)測點，下濾筒設(shè)置12 個，無散射器噴嘴模型與帶散射器設(shè)置一致。

圖4 計算域及邊界條件

圖5 監(jiān)測點位置分布

2.4 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格的劃分對計算結(jié)果至關(guān)重要，本文采用笛卡爾CutCell 網(wǎng)格對模型進行網(wǎng)格劃分。CutCell 網(wǎng)格采用自動修邊的獨立分片網(wǎng)格劃分方法，能對單個零件或多個零件的流體進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格生成效果比四面體網(wǎng)格好。圖6，7 分別示出2 種模型網(wǎng)格劃分示意。經(jīng)計算與網(wǎng)格無關(guān)性分析，確定最終的網(wǎng)格數(shù)為無散射器噴嘴模型網(wǎng)格數(shù)為265 萬，帶散射器噴嘴模型網(wǎng)格數(shù)為354 萬。

圖6 無散射器噴嘴模型網(wǎng)格劃分

圖7 帶散射器噴嘴模型網(wǎng)格劃分

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 速度分析

圖8 示出無散射器噴嘴模型脈沖噴吹過程速度云圖。圖8（a）（b）所示時刻，濾筒內(nèi)進行的是正吹積灰過程，此時正吹氣流形成的勢流核由組合式雙錐形濾筒底部逐漸上升至噴嘴位置，錐形濾筒內(nèi)氣流較為規(guī)律，而在靠近噴嘴位置處，由于濾筒內(nèi)流道變化以及噴嘴周圍壁面對氣流的反作用，導致靠近噴嘴位置處，氣流較為紊亂。由于正吹過程中濾筒上不斷積聚灰塵，在圖8（c）所示時刻，進氣氣流阻力達到設(shè)定值時，由壓差控制儀控制相應(yīng)的電磁閥，打開處于閉合狀態(tài)的脈沖閥，開始進行反吹清灰過程。之后，從圖8（d）～（h）所示時刻，高壓空氣經(jīng)過噴嘴形成高速流體，高速流體進入濾筒具有明顯的流核，呈現(xiàn)出典型的射流特性，且反吹過程中的勢流核心強度明顯高于正吹過程。在脈沖噴吹過程中，噴吹流體作用于濾筒壁面后，利用內(nèi)外壁面的壓差將正吹過程中附著于濾筒壁面上的灰塵脫落，達到清灰的 目的。

圖8 無散射器噴嘴模型脈沖噴吹過程速度云圖

圖9示出了帶散射器噴嘴模型脈沖噴吹過程速度云圖。圖9（a）（b）所示時刻為正吹積灰過程，但由于散射器的存在，噴嘴附近的氣流呈現(xiàn)出與無散射器時不一致的流場，靠近壁面處出現(xiàn)了旋渦狀氣流，更為復雜。同樣在所示時刻，脈沖閥開啟，反吹清灰過程開始。高壓氣流自噴嘴噴出后，散射器的分散作用使得氣流在濾筒上部開始擴散，氣流動壓轉(zhuǎn)化為靜壓，導致噴吹氣流比無散射器時較早地作用于錐形濾筒表面，上濾筒的清灰面積變大，且上濾筒側(cè)壁壓差峰值較大。同時，由于氣流的膨脹伴有能量損失，導致帶散射器時射流的勢流核心區(qū)沒有無散射器時明顯，整體呈現(xiàn)出一個較為平均的速度場。繼續(xù)發(fā)展，氣流在進入下濾筒時氣流量減小，速度也越來越小，與上濾筒的高速形成一個 反差。

圖9 帶散射器噴嘴模型脈沖噴吹過程速度云圖

3.2 壓力分析

3.2.1 監(jiān)測點壓力分析

取上濾筒350 mm 和下濾筒950 mm 處作為監(jiān)測點，錐形組合濾筒脈沖清灰過程中的壁面壓差如圖10 所示。在無散射器和帶散射器噴嘴模型下，進入錐形濾筒內(nèi)的氣流壓差隨時間的變化都呈現(xiàn)出波動狀態(tài)，但兩者在壓差峰值以及峰值到達時間上有所不同。圖10（a）示出了無散射器噴嘴模型下的壓差隨時間變化，在350 mm 位置處，脈沖氣流進入到錐形濾筒內(nèi)之后，大約6.5 ms 達到一個壁面壓差峰值，其大小為258 Pa。隨著脈沖氣流的不斷涌入及在濾筒內(nèi)充分發(fā)展，經(jīng)過24.6 ms 時間間隔后，氣流到達下濾筒950 mm位置并產(chǎn)生此處的一個壁面壓差峰值，其值為 164 Pa。脈沖氣流壓差峰值的相繼達到，說明峰值氣流的到達是一個與時間相關(guān)的連續(xù)性過程，而在此過程中，由于部分氣流從濾筒排出，導致950 mm 位置處的壓差峰值小于350 mm 處。

圖10 監(jiān)測點處無散射器和帶散射器噴嘴模型的壓差隨時間變化

圖10（b）示出了帶散射器噴嘴模型的壓差隨時間變化情況，在上濾筒350 mm 處，脈沖氣流達到此處的一個壓差峰值需要1.8 ms，其值為 379 Pa。擴散器的作用使得峰值到達時間比無散射器噴嘴模型小，壓差峰值大。而隨著脈沖氣流向下不斷擴散，達到950 mm 處的壓差峰值需要 33 ms 的時間間隔。脈沖氣流經(jīng)過相同距離，帶散射器噴嘴模型要比無散射器時所需時間長，氣流不再呈現(xiàn)出一個均勻連續(xù)態(tài)勢。在下濾筒950 mm 處，壓差峰值為134 Pa，其值比無散射器情況小。因此，通過對固定監(jiān)測點的壓差峰值及峰值到達時間的比較，認為帶散射器噴嘴模型對上濾筒的清灰效果較好，下濾筒較差，上下濾筒的壓差峰值的差異較大，同時帶散射器噴嘴模型的噴吹氣流在時間連續(xù)性上沒有無散射器噴嘴模型好。

3.2.2 沿流向壓力分析

圖11 示出了反吹壓力為0.6 MPa 條件下，無散射器噴嘴模型濾筒側(cè)壁壓差峰值及峰值到達時間分布情況。從圖可以看到，濾筒側(cè)壁的壓差峰值沿濾筒長度方向呈減小的趨勢，除了兩濾筒組合（650 mm）處由于氣流的集聚導致靜壓升高，但上濾筒壓差峰值與下濾筒整體相差不大，導致清灰力度較均勻。同時，可以看到沿濾筒長度方向測點的壓差峰值到達時間增長呈線性關(guān)系，可近似認為進入濾筒的峰值氣流作用于濾筒壁面是一個連續(xù)傳遞的過程，這樣使濾筒壁面負荷較均勻，有助于提高清灰效率，延長濾筒的使用壽命。

圖11 無散射器噴嘴模型的流向變化

圖12示出了帶散射器噴嘴模型濾筒側(cè)壁壓差峰值及峰值到達時間分布情況。對于帶散射器噴嘴模型，脈沖氣流由于散射器的作用在濾筒上部開始擴散，氣流動壓轉(zhuǎn)化為靜壓，使得上濾筒側(cè)壁壓差峰值較大。從圖中可以看出，帶散射器噴嘴模型濾筒上部壓差峰值明顯比無散射器噴嘴模型大，而下濾筒壓差峰值大小相似，這就導致帶散射器噴嘴模型上濾筒壓差峰值與下濾筒整體相差較大，清灰壓力不均。同時，可以看到上濾筒峰值壓力到達時間與下濾筒差距較大，不能看作一個連續(xù)的過程。由于散射器對氣流的散射作用，氣流在進入下濾筒時氣流量減小，速度也會越來越小，下濾筒的壓差峰值是由于氣流到達濾筒底部后形成的反吹氣流的作用。這再次說明上濾筒與下濾筒壁面負荷不均勻，不利于提高清灰效率。

圖12 帶散射器噴嘴模型的流向變化

因此，對于無散射器噴嘴模型，脈沖清灰氣流沿濾筒長度方向從上而下作用，清灰力度較均勻，受力時間連續(xù)，清灰效果較好。而對于帶散射器噴嘴模型，上濾筒與下濾筒清灰受力時間不連續(xù)，導致清灰力度不均勻，清灰效果較差。

4 結(jié)論

（1）利用S-A 湍流模型及多孔介質(zhì)模型，對2 種不同噴嘴型式的組合式濾筒進行了脈沖反吹清灰過程的數(shù)值模擬。將清灰時濾筒側(cè)壁的壓差峰值和壓差峰值到達時間作為清灰效果的重要指標，從固定監(jiān)測點和沿流向2 個方向分析了2 種模型的清灰效果。

（2）無散射器拉法爾噴嘴模型對組合式濾筒清灰效果良好，而帶散射器拉法爾噴嘴模型對上濾筒清灰效果較好，下濾筒清灰效果較差。