湿式除尘风机内部气液固三相流场数值计算结果与实验结果

【摘要】针对湿式除尘风机内部气液固三相流场的特点，在FLUENT中采用欧拉法描述气相湍流流动，采用拉格朗日法描述粉尘与液滴的运动，同时考虑气、液、固三相之问的祸合关系，运用Euler/DPM/DPM模型对其内部流场进行数值模拟。

将数值计算结果与实验结果进行比较，验证该数值模型用于模拟风机三相流场的可行性与准确性，为进一步优化湿式除尘风机提供依据，并在此基础上研究湿式风机的除尘效率与粉尘粒度、风机转速及液气比等参数的相互关系。

研究结果表明:粉尘粒度越大、风机转速越高、液气比越大，除尘效率越高;当粉尘粒度由15μm减少到1μm时，除尘效率从99%降至65%;当风机转速由1500r/min增加到1700 r/min时，粒度为3-10μm的颗粒除尘效率可提高3%-5%;提高增大液气比((0.10.4L/m3)可明显提高小粒度粉尘颗粒((1一10μm)的除去效率。

风机作为除尘器的动力源，是除尘系统中必不可少的关键设备。传统的风机仅为除尘系统中的气流提供动力，不能参与除尘，并且为了减少叶轮的磨损，风机安装在除尘器的出口位置。湿式除尘器由于具有较好的除尘效果，工业应用广泛，但其排出的烟气带水现象，容易引起风机叶轮勃灰，产生异常振动，而且会严重腐蚀风机叶片。而湿式除尘风机由于采用开式的叶轮设计，解决了传统风机怕水、怕尘的难题，并可直接参与除尘。利用湿式风机除尘是对湿式除尘的一大创新，其具有除尘效率高、寿命长、免维护等突出优点。湿式除尘风机既可单独用于通风除尘，也可与其他装置组成复合型除尘器参与除尘。

目前，国内外对湿式除尘风机三相流场及运行参数的研究很少，利用数值模拟技术研究该风机三相流场变化规律、除尘影响因素及相互间关系显得十分必要。湿式风机除尘的过程为气液固三相湍流流动，其内部各相之间的相互作用、相互祸合关系十分复杂，难以精确描述。

近年来，国内外学者提出的三相流动模型有拟均相模型、三流体模型、欧拉一离散相模型阶等，其中拟均相模型和三流体模型能合理象地考虑气液固三相之间的相互作用，但将固体颗粒视为拟流体，与其分散性的本质特点相违背;欧拉一离散相模型针对气液固各相流动的特点，采用Eider-Lagrange方法，在Eider坐标系中描述连续相的运动，在Lagrange坐标系中描述离散相的运动，同时考虑离散相与连续相之间的祸合作用，这种模型能够较好地模拟多相流动，模拟结果与实验结果基本吻合。

本文作者在FLUENT中将湿式除尘风机内气体相视为连续相在Eider坐标系下计算其流场，而将粉尘颗粒和液滴视为离散相在Lagrange坐标下描述其运动轨迹，同时考虑颗粒相与连续相间的祸合作用，运用Euler/DPM/DPM模型模拟风机的三相流场。将数值计算结果与实验测定结果进行对比，验证模型对湿式风机三相流场计算的可行性与准确性，并在此数值模型的基础上进一步对湿式除尘风机的运行参数进行分析。

1物理模型及简化

湿式除尘风机结构如图1所示。

湿式除尘风机采用开式的叶轮设计，无前后轮盘，而将叶片直接焊接在轮盘上，故可获得较高的叶片强度，满足机械除尘的要求。同时，无前后轮盘的叶轮结构既可以防止泥浆的粘结，又利于在叶片上喷涂耐磨涂层，提高叶片的耐磨性。

湿式除尘风机入口处安装有雾化喷嘴，其将雾化液滴直接喷到叶轮之上，在叶轮上形成一层水膜，同时在叶轮强烈撞击和扰动的作用下，液滴会进一步雾化、破碎，这使得风机蜗壳内充满气溶胶状的极细液滴，并且由于叶轮离心力作用及液体凝聚，到达蜗壳内壁而形成一层水膜。进入风机的粉尘颗粒中一部分会被高速旋转的叶片撞击而被其上勃附的水膜捕集，一部分与蜗壳内的雾化液滴发生惯性碰撞而被捕集，另一部分粉尘颗粒在离心力的作用下甩向蜗壳壁而被水膜捕集。

由于湿式除尘风机内部三相除尘过程较复杂，其内部流动包括气相湍动与输运、多相流动与液滴蒸发、液体包裹粉尘捕集、粉尘碰壁捕集、液滴的雾化、破碎与凝并等。若对上述过程进行全部模拟，将使数值计算过程极复杂，也不能达到预期效果，特进行如下假设与简化:

1)气体相视为不可压缩的流体;

2)假设粉尘、液滴为惰性球体;

3)不考虑颗粒间的破碎及聚并;

4)不考虑粉尘与液滴之间的传质与传热。

2数值计算方法

2.1气相湍流流动方程

工程上数值模拟计算常用的湍流模型有Standardk-ε模型、RNGk-ε模型、Realizablek-ε模型和RSM模型。其中，Standard x-:模型采用各向同性假设，对强旋流、强分离流模拟较差，适合初始迭代;RNGk-ε模型与Realizable k-ε模型是Standard k-ε模型的改进模型，可以更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大流动;RSM模型考虑了各向异性效应，包含更多的物理机理，应用范围更广，但由于方程间强祸合性，收敛稍差，且计算量大，对计算机要求高。

该湿式除尘风机内部为复杂的高速旋转的湍流流场，旋转效应显著。Realizable x-:模型能够较好地模拟风机的气动特性，所以，本文采用Realizable k-ε湍流模型对风机的内部流场进行模拟。Realizablek-ε湍流模型的输运方程如下

式中:P为流体密度;xi和xj为各坐标分量;σk和σE分别为湍动能k和耗散率:的湍流普朗特数;Gk为由平均速度梯度所产生的湍动能;Gb为由浮力影响所产生的湍动能;YM为可压缩湍动脉动膨胀对总的耗散率的影响;μ为分子黏性系数;μt为湍流勃性系数;Sk和SE为用户针对该模型所自定义的源项。

2.2离散相颗粒运动控制方程

在湿式除尘风机中，粉尘颗粒与液滴的体积均相对于气体相所占的比例远小于10%，故对粉尘颗粒与液滴采用离散相模型描述，此模型便于模拟颗粒相的复杂运动轨迹，并且可以免去计算中的伪扩散。离散相(包括粉尘颗粒、液滴颗粒)的作用力平衡方程在笛卡尔坐标系下((x方向)为：

u为气相速度;up为颗粒速度;P为空气密度;Pp为颗粒密度;μ空气动力勃度;dp颗粒直径;CD为阻力系数;Re为相对雷诺数(颗粒雷诺数);Fx为其他作用力，包括附加质量力、辐射力、布朗力等，本文忽略不计。

2.3离散相与连续相藕合方程

湿式除尘风机内部的粉尘颗粒与液滴会影响气体相湍流的分布，模拟中要考虑离散相与连续相之间有相互作用，在DPM模型中粉尘颗粒、液滴与气体相的作用可表示为：

式中:“为气相速度(m/s); u:为颗粒速度(m/s) ; p为流体密度(kg/m3) : PP为颗粒密度(}g/m3) :μ为流体动力黏度((Pas);dp为颗粒直径(m);CD为阻力系数;Re为相对雷数;Fouther为其他相间作用力;md为颗粒质量流率;△t为时间步长。

2.4网格划分及边界条件

采用Solidworks和ICEM CFD对湿式除尘风机进行建模和网格划分。为了便于后续实验对比，风机模型的尺寸与实验风机的尺寸一致，并带有与实验装置相同的进出口测试管道，风机叶轮直径为1000 mm,叶片宽度为220mm，叶片为径向出口直叶片、数量为6片。由于湿式风机内部结构及流动状况复杂，对蜗壳区域和叶轮区域采用四而体网格的Octree网格划分方法，并对叶轮区域进行网格加密，其他区域采用六而体网格的Block网格划分方法。通过对网格进行无关性验证，得到网格模型扭曲度不小于0.38，网格总数约为207万，网格模型如图2所示。湿式除尘机实验装置示意图见图3。

边界条件设为:

1)进口管道为压力入口边界条件，湍流强度为3.4%，水力直径为0.5 m;

2)出口管道满足出风口边界条件，通过调整压力损失系数，以达到节流阀的效果，其湍流强度为3.2%，水力直径为0.35 m;

3)风机叶轮满足旋转壁而边界条件，其他静止壁面为无滑移壁而边界条件;

4)风机入口和出口为内部而，将其设为采样而，用于在数值计算中采集风机进出口全压及粉尘浓度，便于与实验结果进行对比;

5)数值计算所加入的粉尘与液滴颗粒粒度及其分布(颗粒粒度服从Rosin-Rammle:分布均与实验条件一致，计算参数如表1所示。

3数值计算实验验证

3.1实验装置及方法

风机的性能测试包括气动特性测试及除尘效率测试，实验装置按GB/T 1236-2000"工业通风机一用标准化风道进行性能试验”及GB/T 15187-2005"湿式除尘器性能测定方法”的规定进行设计，如图3所示。

风机的实验装置采用带有进出口管道的D型试验装置，出口管道安装ISO文丘里喷管用于测定流量，U型压力计测量不同管道截而处的压力，末端安装的节流阀可调节管道的阻力;粉尘浓度仪用于除尘效率测试中测量风机进出口的粉尘浓度，并将实验中测试点所测数据按标准中给出的方法计算风机的全压及除尘效率。

3.2数值计算的可行性验证

3.2.1单相湍流数值计算的可行性验证

当风机运行转速为额定转速1 500 r/min时，通过调节风机出口管道处的节流阀改变管道的阻力，从而获得风机的气动特性曲线，将实验结果与模拟结果进行对比，如图4所示。从图4可见:所选的流动计算模型能有效预测湿式除尘风机内气相的流动过程。单相湍流模型对湿式除尘风机内气相流动过程的准确预测是除尘效率数值计算准确性的基础。

3.2.2三相流数值计算的可行性验证

将相同运行条件下湿式风机除尘效率的计算值与实验值进行对比，如图5所示。从图5可见:仿真计算值偏低，这可能是三相流模型忽略了相间的传质及颗粒之间的破碎、聚并等情况所致;模拟结果与实验结果一致，且计算误差较小，说明基于Euler/DPM/DPM数值模型用于模拟湿式除尘风机三相流场的可行性与准确性，其可用于进一步研究运行参数对风机除尘效率的影响。

4运行参数对除尘效率的影响

4.1运行参数取值

影响湿式除尘风机除尘效率的运行参数主要有粉尘颗粒粒度、液气比、风机转速，因此，分别对这3种运行参数进行数值分析。运行参数如表2所示。

4.2不同粉尘粒度下的除尘效率

图6所示为在标准运行工况下(风机转速n=1700r/min，液气比q=0.2 L/m3)，不同粉尘粒度时的颗粒轨迹图。

由图6可知:进入风机内的大、中粒度粉尘颗粒大部分会直接撞到风机叶轮上而被其上的水膜捕集，并最终在叶轮的作用力下甩向蜗壳内壁，小部分会在离心力的作用下直接被甩至风机蜗壳内壁而被捕捉。小粒度颗粒跟随气体流动性很强，不容易与风机叶轮及蜗壳壁而发生碰撞，其中一部分颗粒将沿蜗壳方向从风机出口逃逸。随着颗粒减小，其在风机内的运动轨迹变长，停留时间增加，从风机出口逃逸的数量增多，除尘效率降低。

由图7可知:大、中粒度的粉尘颗粒(粒度dp> 15μm)除尘效率为100%，在风机内的停留时间极短;粒度小于15μm的颗粒随粒度减少，停留时间逐渐增大，除尘效率随之下降;对于粒度为1μm的微小颗粒，除尘效率仍可达到65%，可见，湿式风机的除尘效率很高。

4.3不同转速下的除尘效率

当液气比q=0.2 L/m3，在不同转速、不同粉尘粒度时，粉尘颗粒的除去效率见图8。从图8可知:风机转速增大，除尘效率随之增大;对于粒度大于15μm的粉尘颗粒，其除去效率变化缓慢，再增加风机转速，除去效率变化不大。

不同转速下5μm粉末颗粒质量浓度分布见图9。从图9可知:在风机叶轮的强力扰动及离心力作用下，粉尘颗粒在风机叶片的压力而及蜗壳附近分布较集中;随着风机转速增加，粉尘颗粒所受叶轮的扰动及离心力作用增强，粉尘颗粒在风机叶片压力而及蜗壳附近的聚集程度增大，更多的粉尘被叶片及蜗壳壁上的水膜捕捉，风机出口粉尘浓度降低，除尘效率增大。而对于大、中粒度颗粒(粒度dp> 15μm)而言，风机转速1500r/min时除去效率达99%，提高风机转速对除去效率基本没有影响。对于小粒度颗粒，提高风机转速可提高其除去效率。但过高的风机转速易引起除尘设备振动，不利于除尘器安全运行，因此，在实际应用中，应控制风机转速在适宜的范围内。

4.4不同液气比下的除尘效率

在风机转速n=1 700 r/min，粉尘颗粒粒度不同时时，液气比与除尘效率的关系见图l0。

由图10可知:当粉尘粒度由1μm增加到15μm时，相同粒度粉尘除去效率随着液气比的增加而增加;液气比的增加可明显地提高粒度范围为1-10μm的颗粒除去效率;当粉尘粒度大于15μm时，除尘效率趋于平稳，再增加粉尘粒度，除尘效率变化不大。

5结论

1)针对湿式除尘风机内部气液固三相流场的特点，运用Euler/DPM/DPM三相流数值模型模拟湿式除尘风机的三相流场，将仿真结果与实验结果进行对比，验证了此数值模型用于模拟风机三相流场的可行性与准确性。

2)不同粒度的颗粒在风机内除去效率有较大不同:在标准工况下，大、中粒度颗粒(粒度伟) 15μm)除去效率基本达到100%;粒度为1-10μm的颗粒随粒度的减少，除去效率下降;湿式风机对1 μm微小颗粒除去效率降低到65% 。

3)增加风机转速，粉尘颗粒除尘效率随之增加。当风机转速为1500 r/min时，对粒度大于15μm的颗粒除去效率达99%，提高转速对除去效率基本没有影响;当风机转速由1 500 r/min增加到1700 r/min时，3-10μm颗粒除尘效率可提高3-5%。

4)增加液气比，粉尘颗粒除去效率随之增加。液气比的增加可明显提高粒度为1-10μm的粉尘颗粒除去效率，而较大粒度的颗粒除去效率改变不大。增加液气比是提高小粒度颗粒除去效率的重要方法。