基于OpenFOAM不同除尘技术气-固流动特性的数值模拟

发布时间：2020-03-31 10:38

【摘要】：工业的快速发展随之带来的环境恶化给人们的生产生活造成了极大的危害。近些年来,雾霾已成为社会热词,其重要成分就是细粉尘,空气中悬浮的粉尘粒径小,有着极强的附着力,严重威胁着人们的健康,因此对粉尘颗粒排放的控制是民生关注的热点问题。工业除尘是控制工业粉尘排放的重要环节,因此对于工业粉尘除尘技术及气-固流动特性的研究尤为关键。目前,工业粉尘分离捕集的除尘技术主要包括三种:惯性分离、纤维过滤和静电捕集。本文将对于其中两种除尘技术,即惯性分离(旋风除尘器),纤维过滤(平板型和褶型纤维过滤介质)的气-固流动过程进行数值模拟,并且深入分析其除尘机理及气-固流动特性。所得的结果对工业粉尘除尘技术的发展以及粉尘排放的控制有着十分重要的意义。本文基于OpenFOAM(Open-source Field Operation and Manipulation)软件建立气-固两相流数值计算模型,采用欧拉-拉格朗日法描述气-固两相流的运动。首先,模拟研究旋风除尘器对于1-20μm固体颗粒的分离特性。另外,为了克服二次流的存在,对于普通切向入口的旋风除尘器结构进行优化,改善了旋风除尘器的性能;其次,通过实际纤维微观扫描电镜图片建立平板型纤维过滤介质微观三维模型以及褶型纤维过滤介质的微观三维模型,模拟其内部的气-固两相流流动过程,分析在不同运行参数和结构参数条件下,平板型和褶型纤维过滤介质的过滤特性。最后,将模拟结果与CFD-DEM(Discrete Element Method)耦合模型和经验公式计算结果进行对比验证;从消耗计算机资源及模拟计算时间的角度分析OpenFOAM气-固模型和CFD-DEM耦合模型的模拟计算成本。研究结果表明:(1)基于OpenFOAM气-固两相流模型对于旋风除尘器内部气-固两相流模拟的结果与实验数据有着很好的一致性,压降和效率误差分别为9.89%和1.33%,模拟结果可靠。引入二次风改善了旋风除尘器的二次流,减少了上灰环和短路流的形成,提高了旋风除尘器的分离效率。引入二次风能有效提高旋风除尘器的切向速度,同时也造成了较大的压力损失。二次风入口速度为15,25和30 m/s时,旋风除尘器压降达无二次风压降的2,3和4倍;分级效率随二次风风速增加而增大,二次风入口速度为10和20 m/s时分级效率增加较明显,风速30 m/s时,效率增加不明显。(2)基于OpenFOAM软件可以很好的实现对于平板型纤维过滤介质内气-固两相流的数值模拟,从固体颗粒物的沉积形态和颗粒分布特性得出,OpenFOAM模拟的颗粒物在纤维表面形成的枝状结构与实验观测结果十分相似;分析了不同颗粒粒径与St数在非稳态条件下的纤维过滤介质压降与效率的变化趋势,压降和效率都随着沉积量的增加而增加。这是由于颗粒物的沉积,填补了纤维过滤介质间的缝隙,因此增大了纤维过滤介质的填充密度,使得压降和过滤效率增大。(3)基于OpenFOAM气-固两相流数值模型很好的模拟出颗粒物在褶型纤维过滤介质表面沉积并形成树突结构的过程;受到纤维的排列方式的影响,纤维与纤维交汇的区域填充密度较大,颗粒沉积明显,因此褶型纤维过滤介质的颗粒物沉积数量的分布呈现双峰的形式。褶型纤维过滤介质的压降随着褶角的增大整体呈现先减小后增大的趋势。在0.4m/s的风速条件下,当θ=35°时,ΔP_(min)=5.005Pa。当风速为1.2m/s的条件下,θ=60°时,ΔP_(max)=18.124 Pa。单位沉积量变化条件下反映了在褶型纤维过滤介质的含尘阶段的过滤特性,褶型纤维过滤介质的压降随着沉积量的增加是呈现逐渐增大的趋势,且增加速率也在逐渐增大;随着颗粒物的沉积量的增大,褶型纤维过滤介质的过滤效率也随之增大,但是增大的速率却是减小的。(4)针对纤维过滤介质将OpenFOAM数值模拟结果与经验公式和CFD-DEM耦合模型模拟结果进行比较,整体趋势有着很好的一致性;其中CFD-DEM耦合模型模拟结果更加接近经验公式,尤其是St数较大的情况,而OpenFOAM气-固模型模拟结果与经验公式吻合度相对较差;但从模拟计算成本分析,CFD-DEM耦合模型模拟消耗计算机资源大,模拟计算时间长,而OpenFOAM气-固两相流模型模拟同样能够很好的模拟出颗粒物在纤维表面沉积并形成树突结构,模拟结果更加接近实验观测结果并且模拟计算时间短,优于CFD-DEM耦合模型;因此需要根据实际情况进行选择。
【学位授予单位】：安徽工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X964

【参考文献】