基于稳态与非稳态的喷吹管内流场的对比研究*

樊百林　李芳芳　王宏伟　黄钢汉

(1.北京科技大学机械工程学院　北京 100083；2.北京科大技术产业集团,北京科大朗涤环保工程技术有限公司　北京 100083)



基于稳态与非稳态的喷吹管内流场的对比研究*

樊百林1李芳芳1王宏伟2黄钢汉2

(1.北京科技大学机械工程学院北京 100083；2.北京科大技术产业集团,北京科大朗涤环保工程技术有限公司北京 100083)

针对等孔径喷吹管，利用CFD软件对其内流场进行数值模拟，得到不同入口流量条件下的流场分布特性。对喷吹管进行非稳态流场模拟，并与稳态模拟结果分析比较，模拟结果误差控制在1%以内，验证了将喷吹管非稳态内流场简化为稳态流场分析具有一定的可行性。沿着喷吹管气流流动方向，喷嘴出口流量分布不均匀，整体有增大的趋势；沿喷吹管轴向气流渐趋均匀，即越靠近端面，喷吹偏心角越小，甚至为0。

袋式除尘器等孔径喷吹管流场数值模拟

0　引言

袋式除尘器因满足了人们对空气净化设备日渐提高的要求而被冶金、电力、机械等行业广泛采用[1]。其工作过程分两大部分：滤尘和清灰。清灰系统设计是否合理，关系到除尘器运行效率的高低。衡量清灰系统设计好坏的两大主要性能指标是安全性能和清灰性能[2]。安全性能是指当高速气流下的压缩气体喷吹滤袋时，滤袋发生破损的难易程度；清灰性能则指除尘效率的高低[3]。其评判指标可以采用喷嘴出口静压及速度[4]。

脉冲袋式除尘器的喷吹管作为清灰系统中不可或缺的一部分，其流场分布特性将对除尘器的运行效果产生最直接的影响，但脉冲喷射时，喷嘴处的压力、流速变化大且快，很难实测[5]。本文针对等径喷吹管中气流进行稳态和非稳态的模拟分析，旨在接近工程实际去合理地简化模型。

1　脉冲清灰系统的组成及原理

除尘清灰系统主要包括气包、电磁脉冲阀、喷吹管等。清灰过程是：电磁脉冲阀的阀片在脉冲阀接收了由控制仪发出的控制电信号之后瞬间被打开，压缩空气由气包流入喷吹管内并由各个喷嘴高速喷出，喷射到滤袋，滤袋瞬间膨胀变形，后伴随反向脉冲气流很快消失的冲击作用，滤袋又急剧收缩，造成滤袋短时间的波浪状变形，滤袋外壁过量沉积的尘粒由除灰系统降尘，滤袋清洗完成[6]。

2　基于稳态的喷吹管内流场模拟

2.1建立几何模型并生成网格

喷吹管总长3 590 mm，管径81 mm，喷吹管带16个等径喷嘴，长度40 mm，间距为230 mm，各喷嘴孔径为16 mm。按图1模型所示，左端为进口，右端为端面，将喷嘴按照从左到右、从小到大的顺序编号为1#，2#，.....，16#。利用SolidWorks建立喷吹管(带喷嘴)的三维流体模型，整个模型采用非结构化网格，并对喷嘴区域进行加密处理。

图1　喷吹管几何模型

2.2计算模型

喷吹管内的喷吹为三维湍流过程，选用三维稳态流动数学模型和k-ε双方程计算模型。流场计算采用SIMPLE算法。内部介质设置为理想可压缩空气[7]。由于研究单根喷吹管，这里忽略相邻喷吹管之间的影响。

2.3模型的边界条件和初始条件

设置入口边界为质量流量入口，设置3种不同的入口流量：Q1=0.462 15 kg/s，Q2=0.623 90 kg/s，Q3=0.785 65 kg/s；喷嘴出口采用压力出口边界条件，其出口静压为-6 000 Pa。背压设置为标准大气压，温度设置为常温300 K，喷吹管的壁面设置为标准无滑移壁面。流场的初始化设置为从入口(inlet)开始。2.4喷吹管稳态数值模拟结果及分析

保持其他参数不变，在3种入口流量下，对喷吹管内流场进行稳态的仿真模拟，基于得到的模拟结果研究入口流量对清灰性能的影响规律。

2.4.1喷嘴出口质量流量分布

在3种不同的喷吹管入口流量条件下，喷吹管各喷嘴的出口流量分布如图2所示，不同入口流量条件下，喷嘴的流量最大偏差值见表1。

图2　喷嘴出口质量流量

入口流量/(kg·s-1)0.462150.623900.78565流量偏差/%12.6711.3610.07

由图2、表1可得到如下结论：

(1)高速气流下的压缩气体，能量表现为动压，并在气流到达喷吹管末端时转换为静压，故在同一种入口流量条件下，沿气流流动方向各喷嘴的出口流量逐渐增大。

(2)喷嘴出口质量流量的增加随喷吹管入口流量的增加而增大，但各喷嘴出口质量流量的最大偏差值却在减小。可见，入口流量的增加有利于改善喷嘴出口气流的不均匀性问题。

2.4.2喷嘴出口速度分布

3种不同入口流量条件下，喷吹管喷嘴出口速度分布和偏心角分别如图3、图4所示。

图3　不同入口流量下喷嘴出口速度

图4　不同入口流量时的偏心角

由图3、图4可得到如下结论：

(1)喷吹管喷嘴的出口速度沿喷吹气流方向总体呈现出越来越大的趋势。

(2)喷吹管入口流量越大，喷嘴出口速度也越大，被诱导参与清灰的气体亦越多，从而清灰效率得以提高。以1#喷嘴为例，当入口流量增加34.99%，25.93% 时，喷嘴的出口速度分别增加了30.96%，21.74%。

(3)1#喷嘴喷出的气流方向与喷嘴轴向存在较大夹角，而靠近端面的16#喷嘴处夹角几乎为0 ，可知沿喷吹管轴向气流渐趋均匀。

3　基于非稳态的喷吹管内流场模拟

采用CFD软件对喷吹管进行基于非稳态的仿真模拟，得到随时间变化的流场参数，将喷吹充分发展时刻的流场特性与稳态模拟结果对比，结果表明将基于非稳态的喷吹管内流场模拟适当简化为基于稳态的模拟是可行的。

3.1非稳态数值模拟条件

喷吹管非稳态几何模型及网格划分同稳态模型。将入口设置为非定常流量入口，由于压缩气体经由脉冲阀进入喷吹管中喷吹时，伴随阀片的开启和关闭，气流大致呈现出上升、稳定及衰弱阶段，本文将喷吹管的入口流量近似简化为分段曲线，如图5所示。

图5　入口流量简化曲线

图中，Q为脉冲阀全部开启时的质量流量，根据可压缩流体力学规律及经验取0.462 15 kg/s；t为总的喷吹时间，设定为0.1 s；t1，t2为脉冲阀膜片开启和关闭时滞后电信号的时间；t3，t4为脉冲阀膜片全部开启所需时间和全部关闭所需时间。

根据实际工况，设定t1，t2为0.022 s，t3，t4为0.009 s。总计算时间设为0.3 s。

喷吹管喷嘴采用压力出口，标准湍流模型，SIMPLE算法，非定常计算时求解步长设为0.000 3 s，每25步保存一次数据。

3.2非稳态数值模拟结果及分析

3.2.1喷嘴出口质量流量分布

以1#，8#，16#喷嘴为例，喷嘴的出口流量随时间的变化情况如图6所示。

图6　典型位置喷嘴出口流量变化曲线

由图6可以看出，喷嘴出口流量随时间的变化规律不尽相同，1#喷嘴出口流量最先达到峰值，但3个位置的喷嘴出口流量基本都在0.075 s 后稳定，0.075～0.12 s为喷吹的充分发展段，本文取0.075 s 时刻进行分析。当入口流量为0.462 15 kg/s 时，喷嘴出口流量值在稳态和非稳态模拟时的对比如图7所示。

稳态模拟和非稳态模拟时，喷嘴出口流量最大偏差为12.67%和12.3%。稳态和非稳态(0.075s)模拟时各喷嘴出口流量误差绝对值见表2。

图7　稳态和非稳态喷嘴出口流量对比

喷嘴序号喷嘴出口流量误差绝对值/%喷嘴序号喷嘴出口流量误差绝对值/%10.39390.88520.354100.36630.467110.60040.509120.01950.586130.19260.626141.27671.075150.96580.335160.758

由表2可以看出，稳态和非稳态各喷嘴出口流量误差除了有2处超过1%外，其他喷嘴误差均控制在1%以内。

3.2.2喷嘴出口速度分布

以1#，8#，16#喷嘴为例，喷嘴的出口速度随时间的变化情况如图8所示。

图8　典型位置喷嘴的出口速度变化曲线

CFD计算突变点处时结果会产生较大误差，所以在0.031 s及0.012 2 s 附近有比较大的速度波动。总体看来，0.075 s 后各喷嘴速度基本维持一段平衡。同样将稳态和非稳态模拟时各喷嘴出口速度进行对比如图9所示。稳态和非稳态(0.075 s)模拟时各喷嘴出口速度误差绝对值见表3。

由表3可见，稳态和非稳态时喷嘴出口速度误差最大为0.804%，最小为0.029%，所有误差控制在了1%以内。

图9　稳态和非稳态喷嘴出口速度对比

喷嘴序号喷嘴出口速度误差绝对值/%喷嘴序号喷嘴出口速度误差绝对值/%10.32590.80420.155100.42530.176110.42540.285120.06950.532130.02960.645140.36070.586150.49380.485160.485

4　结论

( 1)沿着喷吹管气流流动方向，喷嘴出口流量分布不均匀，整体有增大的趋势。

(2)沿喷吹管轴向气流渐趋均匀，即越靠近端面，喷吹偏心角越小，甚至为0。

(3)入口流量的增加，一定程度地提高了袋式除尘器的安全性能和清灰性能。

(4)稳态和非稳态模拟的结果误差基本可控制在1%以内，因此，为了减少模拟时间和节省计算机资源，将基于非稳态的喷吹管内流场模拟适当简化为基于稳态的模拟是可行的。

[1]Bailin Fan, Wang Hongwei, Huang Gang-han. Interaction of local Members in Dust Removal System [C]. 2014 International Academic Conference on the Environment, Energy and Power Engineering, Lancaster, Pennsylvania 17602, USA, June 570-574,2014.

[2]杨建勋,张殿印.袋式除尘器设计指南[M].北京:机械工业出版社,2012.

[3]李志军,王作杰,汪钰，等.脉冲袋式除尘器喷吹管非稳态数值模拟[J].南昌大学学报(工科版),2011,33(3):277-280.

[4]陈志炜.脉冲袋式除尘器喷吹均匀性探讨[J].工业安全与环保,2010,36(4):16-17.

[5]赵美丽,周睿,沈恒根.袋式除尘器喷吹管设计参数对喷吹气量影响的计算分析[J].环境工程,2012,30(3):63-66.

[6]巨敏.滤筒除尘器脉冲清灰系统研究[D].四川绵阳:西南科技大学,2010.

[7]杨雪莲,党小庆,边靖，等.袋式除尘器脉冲喷吹清灰过程的数值计算[J].重型机械,2010,10(3):57-59.

Comparative Study on Steady and Unsteady Injection Pipe Flow Field

FAN Bailin1LI Fangfang1WANG Hongwei2HUANG Ganghan2

(1.SchoolofMechanicalEngineering,BeijingUniversityofScienceandTechnologyBeijing100083)

The computation fluid dynamics software is used to simulate injection pipe with same nozzle radius, and the airflow distribution characteristics of different inlet mass flow rate are obtained. Then the unsteady flow field model of the injection pipe is established, and compared with the steady-state simulation results, the steady and non steady state simulation results error is less than 1%. It is feasible that the unsteady flow field in the nozzle can be simplified as steady flow field. Along the flow direction of nozzle airflow, the nozzle flow distribution is not uniform and the overall increases. There is a larger angle nozzle and nozzle axial near the entrance of nozzle and the angle is nearly 0 near the end of the nozzle.

bag filterinjection pipe with same nozzle radiusflow fieldnumerical simulation

北京科大朗涤环保工程技术有限公司厂协横向项目(39040065)。

樊百林，女，1965年生，副教授，硕士生导师，主要从事节能型除尘机械绿色制造技术研究，材料流动应力研究。

2015-08-10)