通风除尘管道磨损的数值研究

发布时间：2020-03-02 02:23

【摘要】：近年来,伴随着我国重工业(电力、化工、水泥和钢铁)迅速发展的同时也造成了环境污染,特别是工厂中排放的粉尘颗粒造成的污染最为严重,为了控制粉尘颗粒物的排放,各种除尘设备的使用很大程度上减少了工厂排放的颗粒物,但是粉尘对通风除尘管道的磨损会使管道的封闭性降低,造成管道系统漏风,影响尘源控制效果,破坏除尘系统的功能,严重影响了通风除尘系统的除尘效果,其造成的故障所占的比重最高。因此,研究通风除尘管路的磨损规律对于延长通风除尘系统的使用寿命,提高通风除尘工作的有效性具有重要现实意义。本文首先基于CFD-DPM离散相模型(Discrete Phase Model,DPM)对通风除尘系统90°弯管、直管、三通等管道内的磨损进行了数值模拟,研究了通风除尘管道弯径比(k=R/D)、入口风速、粉尘浓度、粉尘粒径以及管壁材料等对于磨损的影响;其次,基于CFD与离散单元法(Discrete Element Method,DEM)模拟了通风除尘管道90°弯管内颗粒群对壁面的碰撞以及管道壁面的受力规律,并与DPM模拟的90°弯管的磨损结果进行了对比;最后,应用CFD-DPM方法并基于RSM响应面法(Response Surface Methodology,RSM)研究了弯径比k以及雷诺数Re对其磨损的影响,并对其进行了优化。研究结果表明:(1)CFD-DPM的模拟结果显示,在通风除尘90°弯管中,粉尘颗粒对管道的最大磨损率会随着弯径比的增加呈现先减小后增大的趋势,且最大磨损率的位置逐渐向弯管的入口靠近,当k=3~4时,弯管磨损较小;粉尘颗粒对管道的平均磨损率与入口风速基本呈二次方的关系,与粉尘粒径基本呈三次方的关系;同时模拟结果还表明单分散相颗粒与多分散相颗粒对管壁的磨损规律是一致的;(2)对于通风除尘管道中直管段的模拟结果显示,粉尘颗粒对直管的最大磨损率随着入口风速的增加呈现先减小后增大,然后再减小的趋势,而平均磨损率随着入口风速的增加而减小;粉尘颗粒对直管的平均磨损率与粉尘的入口浓度大致成线性关系,与粉尘粒径基本呈三次方的关系。而对于三通管道,相同工况下垂直三通所受到的最大磨损率要小于Y异型三通;Y型三通的最大磨损率要小于斜三通的最大磨损率,且都随着Y型三通的夹角和斜三通的倾角的增加而增大,最终趋于平稳。当斜三通的倾角和Y型三通的夹角在30°附近时,此时所受的最大磨损率最小;(3)CFD-DEM耦合的模拟结果显示,在其它工况相同的情况下,通风除尘管道90°弯管内颗粒群对管道壁面撞击数量随着弯径比的增加而增多;入口风速越大,颗粒群撞击壁面的数量增长的越快,但颗粒群对管道壁面撞击总数却越少;浓度的增大直接增加了单位时间内进入管道内的颗粒数,因此浓度越大,对管壁撞击的次数必然增加;而对于颗粒粒径而言,对其碰撞次数几乎没有影响。90°弯管所受颗粒的最大磨损率点和最大受力点基本上在同一个位置,且最大磨损率所满足的规律和所受的最大冲击力的规律是一致的,通过与CFD-DPM最大磨损点位置以及磨损规律的对比验证了基于CFD-DEM对管道磨损的预测;(4)基于CFD-DPM方法和基于CFD-DEM两种方法都可以实现对管道磨损的预测,且规律基本一致。但是基于CFD-DEM模拟结果的精度从整体上要低于CFD-DPM,拟合效果不好。同时,和CFD-DPM方法相比,基于CFD-DEM方法只能通过受力间接判断管道的磨损情况,而且运行时间长,因此单从磨损规律的探讨角度讲,选用CFD-DPM较适用;(5)利用响应面法回归得到90°弯管磨损的二次多项式预测模型。通过方差分析可知,在管道直径和颗粒物粒径一定时,90°弯管的磨损与管道的弯径比k和雷诺数Re都有着一定的影响,对磨损影响的显著性为kRe。在本文的研究范围内,通风除尘管道存在最优结构参数和运行参数使管道受到的磨损值达到最小。当粒径为5μm,管径D=500mm时,最优参数为k=4.2,Re=2.4830×106;当粒径为10μm,管径D=500mm时,最优参数为k=3.7,Re=2.4830×106。最优弯径比随着粒径的增加逐渐减小。
【学位授予单位】：安徽工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TU834

【参考文献】