重力惯性袋式复合除尘器进气导流板的结构设计与优化

张礼华,孙国龙,窦志前

(江苏科技大学 机械工程学院,镇江 212003)

导流板作为除尘器的重要部件之一，在除尘设备运行过程中起着至关重要的作用，可用于对烟尘气流进行导向和气流优化分配．由于烟气的进口速度较大且夹带有灰尘颗粒，如果烟气高速垂直与滤袋接触，高速烟气的冲刷会造成滤袋负荷增加，磨损加剧且降低除尘效率，进而导致滤袋大范围损坏；加装导流板可以有效减缓由于气流和压力分布不均，大大降低除尘器的除尘效率，从而避免或者减轻烟气对滤袋的直接冲刷，因此对导流板进行烟气的分配与结构强度的优化研究很有必要．

目前对于脉冲喷吹袋式除尘设备导流板的研究集中在导流板对流场的影响：文献[1]研究导流板的布置方式对于流场均匀性的影响;文献[2]采用CFD软件对除尘设备入口流场进行计算，分析导流板对于烟气流量分配、速度及压力的内部分布规律，发现通过对烟道入口和除尘室入口合理布置导流板和挡板，可以改善气流的分布情况;文献[3]给出板数、板长、挡板上端距灰斗顶部截面高度、 挡板前后偏角及过滤风速之间的函数关系式，并提出以气流速度相对均方根作为气流均匀性的评价指标;但以上研究对导流板自身的力学和结构特性，以及整个入口结构的优化方面的研究比较缺乏．

1 建立模型与计算方法

1.1 物理建模及其假设

文中导流板结构为“U”型槽状直板，如图1，分为前导流板(图1下)和后导流板(图1上)，前导流板槽口与烟气方向相反，前后导流板相互搭扣，采用多点固定的方式，上端固定于花板，下端固定于箱体中，中间部位有固定杆连接固定，固定方式为焊接，若干件竖直安装于预除尘室内，如图2．

图1导流板装配示意

Fig.1Schematicdiagramofbaffleassembly

图2 除尘设备入口结构Fig.2 Dust removal equipment entrance structure

文中只是分析导流板自身的力学特性，以及除尘器入口处的流场分布和导流板对流场的影响，所以模型只取除尘器入口处，并省略上净气室和灰斗，导流板只保留上下端固定，省略中间多个固定杆，由于进气口的中间部位烟气速度最快，所以取极值计算，以保证足够的数据冗余.在进行建模时可对不必要的结构进行简化，以便于网格的划分和减小计算量，简化模型如图3，由于模型的形状不规则，划分结构难度较大，故采用非结构网格，最大允许网格尺寸为400 mm，导流板附近最大网格允许尺寸为20 mm，网格总数为1 801 576个．

图3 除尘器入口三维简化模型Fig.3 Three-dimensional simplified model for the inlet of the precipitator

1.2 数值方法以及边界条件

袋式除尘设备箱体内部流场是复杂的三维湍流流场，为便于计算，忽略流体的压缩量，作定常流动，整个数值模拟计算过程不考虑温度对流场的影响，计算模型选用标准k-ε双方程模型，算法采用SIMPLE算法[4]，对流项差分格式采用二阶迎风格式近壁面处采用壁面函数法处理，速度入口边界，入口速度为14 m/s;压力出口边界，出口压力为1 000 Pa;壁面为标准无滑移壁面条件[5];静力计算采用导流板两端固定，整个受力面加载最大均布载荷，载荷为流场计算导流板所受最大压力．

2 计算结果分析

模型经过Fluent流体计算与Workbench静力计算后，计算的结果如表1，2．

表1 流场计算数据Table 1 Field calculation data

表2 静力计算数据Table 2 Static calculation data

从Workbench静力计算计算结果看，导流板在仅两端固定的情况下，形变量过大，且各板受力不均，形变不一致，导致导流板对气流分配不均;Fluent流场计算结果表明，经过导流的气体出现上部气流过于集中的现象，如图4，这将会导致气流集中处滤袋破损，从而导致除尘室内压差加剧，形变进一步加剧，气流分布更加不均，这将影响滤袋的使用寿命和除尘设备的工作效率．

图4 除尘器入口速度云图Fig.4 Dust collector inlet speed cloud

为了验证网格对于计算结果的影响，对入口流场网格进行加密，网格总数分别为3 073 653个和3 799 581个，不同网格数量对入口流场速度的影响如图5，可以看出网格的变化对于最大速度的影响很小，计算结果的偏差在2%以内，可以认为网格数量与计算结果无关，计算结果可信．

图5 速度大小随网格变化Fig.5 Velocity varies with the grid

3 结构设计优化

由于原导流板结构存在缺陷，现设计出一种新的改进结构，如图6，7，并利用Isight多学科优化软件对重要设计参数进行寻优计算，Isight软件对SolidWorks、ICEM CFD和Fluent软件进行集成[6]，对导流板的结构进行优化，减小导流板所受最大压力和流场出口的最大速度．

图6 新导流侧视图Fig.6 New deflector side view

图7 新导流板装配截面Fig.7 New baffle assembly section

3.1 数学模型

基于Isight优化的数学表达方程如下．

目标函数[7]为:

式中:vmax为最大出口速度;pmax为导流板所受最大压力;W为权重因子，取默认值1;SF为规模因子，取默认值1．

设计变量为:导流板弯折角度D5(°);过渡圆弧半径D6(mm);弯折部分长度D1(mm)．

约束条件为:112.5≤D5≤187.5;1 500≤D1≤2 500;1 875≤D6≤3 125．

3.2 试验设计(DOE)

搭建DOE试验模型集成各软件，如图8，由于试验因子相对较少，采用全因子法为每个因子指定任意水平数并研究所有因子的所有组合[8]，生成设计矩阵，对全部因子和试验组合进行计算，并自动生成输入输出关系．

图8 DOE模型Fig.8 DOE model

3.3 近似模型与设计优化

搭建近似优化模型，如图9，将DOE试验模型计算结果导入优化模型中．

图9 优化模型Fig.9 Optimize model

近似模型采用全面响应模型[9]，对采样点使用最小二乘的方法获取近似模型，采用邻域培植遗传算法，其由最早的遗传算法优化而来[10]，视各因子同等重要，通过排序后分组进行交叉的方法实现“相邻繁殖”，加速了计算收敛的过程．

经过优化计算得出:弯折部分长度D1=2 387.89 mm，导流板弯折角度D5=155.30°，弯折部分过渡圆弧半径D6=3 105.01 mm，整个计算寻优过程如图10．

图11为Pareto图，反应样本拟合后模型中所有项对每个响应贡献程度的百分比，从图中看出x2与x1-x2对最大出口速度和导流板所受压力的影响因素为负效应其他为正效应．

图11 Pareto图Fig.11 Pareto diagram

从计算结果的相关性看，如图12，设计变量弯折部分长度、导流板弯折角度、过渡圆弧半径对最大出口速度的影响为递增关系，过渡圆弧半径与导流板弯折角度与目标变量均为负相关，且相关性较大，弯折部分长度为正相关，但相关性较小．

图12 出口最大速度的相关性Fig.12 Export maximum velocity correlation

如图13，设计变量弯折部分长度、过渡圆弧半径和导流板弯折角度对导流板最大压力的影响为递增关系，过渡圆弧半径与导流板弯折长度与目标变量为负相关，且相关性较大，导流板弯折角度为正相关，但相关性较小．

图13 导流板最大压力的相关性Fig.13 Correlation between the maximum pressure of the baffle

3.4 计算验证

将计算优化后的导流板，重新导入Fluent与Workbench中，在同等工况下对导流板进行流场和静力学分析，计算数据如表3和表4．

表3 导流板优化后流场计算数据Table 3 Calculation of flow field after baffle optimization

表4 导流板优化后静力计算数据Table 4 Optimized static calculation data for baffles

从优化后的数据分析得出，导流板所受压力减小了5.07%，除尘器入口处最大流速减小了16.87%，经过除尘器入口处流场分布如图14．

图14 优化后入口速度云图Fig.14 Optimized after the entrance speed cloud

从图15可以看出，出口处的流场相比优化前，顶端的气流集中现象有所改善，流场分布更加均匀，出口处的速度有所减小，从而有助于提高除尘效率和滤袋使用寿命．

图15 优化前后出口速度云图Fig.15 Optimize the image of the export speed before and after

4 结论

通过Workbench和Fluent对原方案进行静力计算和流场计算，发现导流板和除尘设备入口存在的结构缺陷，以及结构不合理所造成的流场分配不均匀和气流流速过快等问题，进而设计一种改进的导流板结构，并通过Isight多学科优化软件对导流板的主要设计参数进行试验设计和优化，重新设计优化后的导流板相比原结构方案得到如下结论:

(1) 减小了除尘设备入口气流的流速，避免了高速烟气造成二次扬尘，且使得导流后烟气集中现象有所缓解，且气流分配更加均匀，从而减小了滤袋破损的机率，提高了滤袋的使用寿命．

(2) 新导流板具有更强的刚度，大大减小了在内部压力作用下发生较大形变的可能，且更小的形变无需对其进行额外加固，优化了入口处的结构，使得结构更加简单化和轻量化，不仅提高了除尘设备的工作效率，还可以降低成本，为以后的设计研究工作提供参考．