电收尘器结构对流场影响

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电收尘器结构对流场影响的数值计算
黄志开 ，2   黄得双2
（1.安徽工业职业技术学院，安徽 铜陵 244000；2.合肥智能机械研究所，合肥 安徽 230031）
摘要 改善气流分布是提高电收尘收尘效率的重要措施之一。利用计算流体力学的方法研究了FCDG-42型电收尘设备的空腔状态下的流场形式，给出了沿纵向布置收尘器内部速度矢量图，比较了收尘器的流场曲线，为改善流场内部流线提供了理论基础。
关键词  电收尘器  CFD  收尘效率  流场
Numerical simulation of in electrical dust-absorber Huang Zhikai1，2，Huang Deshuang2.(1.Department of Automation，Anhui Vocational and Technical Institute of Industry,Tongling Anhui；2.Institute of Intelligent Machines，Chinese Academy of Sciences. Hefei Anhui )
Abstract: A computational fluid dynamics (CFD) model improved the efficiency of an electrical dust-absorber is introduced.Numerical simulation is carried out successfully using the SIMPLEC scheme. The distributions of flow parameters in the electrical dust-absorber were presented.Analysis of the results shows that the numerical simulation results are in accordance with the theoretical distributions of flow parameters in the electrical dust-absorber.The numerical results provide reference for design and experiment of the electrical dust-absorber.
Keywords: Electrical dust-absorber  CFD  Dust-absorbing efficiency  Flow distribution
电收尘器具有效率高，阻力小，处理烟气量大，可用于高温、高压场合等明显优势因而被广泛应用于火力发电、水泥工业、钢铁工业、造纸工业、有色金属和化学工业等。因此，探索提高其收尘效率的途径具有广泛的意义。目前诸多文献[1～3]研究了结构、电场等对收尘效率的影响。从很多理论和统计资料可以看出，改善气流分布是提高收尘效率的重要措施之一。本文通过计算流体力学的方法研究电收尘的内部流场结构，探索如何通过改进其内部结构达到改善收尘效率的途径。电收尘器坐标示意图如图1所示。

图1 电收尘计算模型示意图
1  流动模型
根据电收尘箱体内气流流动的特点，作以下基本假设：①流动为定常流动；②流体不可压缩。根据以上假设，流动为三维定常不可压缩粘性流体的湍流流动。对流动过程，采用标准  - 湍流模型。 - 双方程模型虽有它的不足之处，但由于它的形式较简单，在工程实际的计算中，对于是否适用的具体问题，只要系数取得适当，如采用常系数或变系数，都能得到较满意的结果，因而也就获得了广泛的应用。其模型由下述控制方程组（数学表达式）表示。
                                                             (1)
            (2)
           (3)
            (4)
        (5)
式中： ， 分别为 和 方向的流速分量； 为压力； ， 分别为湍动力学能及其耗散率； ， 分别为流体运动粘性系数和湍流粘性系数； ；
模型常数为 ， ， ， ， ；
                         (6)
2  计算方法
上述微分方程相互耦合，具有很强的非线性特征，一般只能用数值方法进行求解。大多情况下，流体流动是不稳定的，因此用有限体积法求解流场是比较合适的。采用有限体积法对控制方程进行离散化，主要基于以下考虑：所得到的结果将意味着在任何一控制容积内，亦即在整个计算区域内，诸如质量、动量及能量这样一些物理量的积分守衡都可以精确地得到满足；对于任意数目的网格节点，这一特征都存在(不只是限于网格节点变得很大时的极限意义上)，因而即使是粗网格节点解也能保证严格的积分平衡，数值处理也比较简便。用有限体积法离散控制方程，就是将计算区域划分为一系列的组，使其在不重合的有限体积内包含有一个计算节点 ，将控制方程在每个有限体积内积分，得出一组离散方程：
                               （7）
式中的未知数是网格节点上的因变量 的值；下标 表示所求的控制容积中心点； 表示与 相邻的控制容积中心点，a为离散方程的系数，b为离散方程的源项。方程（6）是一系列关于多个变量的非线性耦合代数方程，选择SIMPLE算法进行迭代求解。其算法步骤为：假设初始场(气相U、V、W、P、k、ε)；求解动量方程得出速度场；求解压力校正方程，得压力修正值修正速度场、压力场；求解k-ε方程，求得粘性系数，μT；把求得的当前场作为初始场，返回第二步，使气相场达到粗收敛。
对代数方程迭代求解采用TDMA方法，即三对角矩阵算法(Tridiagonal-matrix Alogorithm)，此方法的优点是数据信息传递快，三个方向的扫描依次在一个循环内完成，能加快收敛速度。
3  计算结果及其分析
本文所研究的数学模型是稳态条件下的定解问题，不存在初始条件，定解条件只有边界条件。
ａ、入口条件。对于入口的速度、温度，可以根据具体情况预先给定，本文对气体的入口速度、温度取均匀分布，对于压力场也取均匀分布。
ｂ、出口条件。各变量沿流出方向的变化率为零，即：

?X方向为出口流动方向。
ｃ、固定壁面条件。在固定壁面上气流无滑移和湍流运动，即：U=V=W=k=ε=0
ｄ、近壁区域的处理，采用壁面函数法。
模拟的计算结果如图2、图3、图4、图5、图6所示。




图2  电收尘箱体内部速度矢量图

图3  电收尘箱体纵向速度分布矢量图

                  

图4  一号灰斗局部放大流场示意图          图5  二号灰斗局部放大流场示意图


图6  三号灰斗局部放大流场示意图
由图2和图3中可以看出，由于收尘器进口的气流速度较大，气流减速时间较长，在接近收尘器的第三个灰斗时速度才处于零速度状态。第一个灰斗上部出现较小的回流，内部有不连续的流场存在，从而有利于灰尘的降落，这点与实际使用中第一灰斗内出灰较多的情况吻合。在第三个灰斗中存在较强的回流流场，造成二次扬灰，此点不利于提高收尘效率。
4  结  论
在本文的计算中，采用了k-ε双方程模型，并将其离散成能用于数值计算求解的差分方程。求解出气流的速度场，得到较为详细的气相速度场分布的收敛解及气流的主要流动特征。为分析收尘器的性能，优选设计方案，提供一个较为可靠的方法，从而缩短模型试验的周期，节省费用。
虽然流体数值计算在收尘器的设计和研究中能发挥很大作用。收尘器的工作过程是非常复杂的，各种假定正确与否，还需实验的验证；计算的精确性还有赖于边界条件的恰当取定，而这些边界条件许多是通过实验所获得的经验公式、统计数据和图表，计算的初始值多数也取自实验结果。对于考虑气体中微粒追踪，电场力与重力的耦合作用将另文分析。
参考文献       
1  杨文生，赵心夏.改进气流分布板是提高电收尘效率的有效途径.西南民族大学学报（自然科学版），2003，6：347～351
2  张德轩.电除尘器底部、顶部及混合振打技术.电力环境保护，2000，（3）： 23～25
3  张设计，姚选智.水泥厂电除尘器的除尘效率及其影响因素的分析，矿业安全与环保，2000，4：23～25
4  邓云峰，刘功智，张国权.宽间距长芒刺静电除尘技术的应用.中国安全科学学报，2003，10：41～45
   
责任编辑：闵  怀  （收到修改稿日期：2005-06-30）
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