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脉冲袋式除尘器喷吹气流的数值模拟

袋式除尘器脉冲喷吹的清灰效果是影响设备运行阻力和滤袋使用寿命的主要因素之一.如图1所
示,含尘气体进入中箱体,经滤袋过滤后洁净气体由上箱体出口排出.喷吹时,压缩气体由喷嘴高速喷
出,诱导喷嘴周边的数倍气体在短时间内进入滤袋,滤袋急剧膨胀、振动,从而使附着在滤料表面的粉尘
层剥落[122].目前有关脉冲喷吹气流及其性能参数优化研究的报道文献不多,设计中对喷吹装置喷吹效
果的判断,大多是根据经验,或者通过实物试验进行的[324].为了更好的了解喷吹气流与滤袋间的作用状
况,本文采用计算流体动力学(ComputationalFluidDynamics,简称CFD)方法,使用Fluent软件对脉
冲喷吹气流的压力分布进行了数值模拟,对于滤袋清灰装置的优化设计具有重要的意义.

1计算模型
喷吹气流在滤袋内的流场非常
复杂,为了便于建立数值计算模型,对滤袋内外流场进行如下简化:
(1)以单条圆筒滤袋作为研究对象,并将其内外气流假定为不可压缩流体;
(2)在喷嘴出口处,由于喷嘴直径远小于滤袋直径,可以假定喷吹气流速度沿喷嘴径向均匀分布;
(3)常温计算条件,不涉及温度对流场的影响;
(4)不考虑滤袋壁面的纵向位移;
(5)喷吹气流在滤袋内的流场是三维流动问题,喷吹气流沿滤袋长度方向的轴线是对称的,可简化
为二维问题.
图2(a)为单条滤袋喷吹清灰的几何模型,X为喷吹距离(喷嘴距袋口距离),L为滤袋长度,喷嘴直径d,D为计算区域宽度.
将引射空间、滤袋内外空间作为计算区域.网格划分时,沿袋口方向网格间距为D/20,沿滤袋长度方向网格间距为L/10.
而对于喷嘴出口部分,因其对网格比较敏感,在网格划分时进行了适当的加密,以减小计算误差,提高结算精度.图2(b)为
计算区域的网格图,以及喷嘴部分的网格细化图.

图2单条滤袋计算区域
Fig.2Calculatedsectionofsinglefilterbag
2数值计算方法
2.1控制微分方程
脉冲喷吹气流的流动过程采用的控制方程如下:

2.2边界条件与初始条件
固体壁面包括上箱体壁面、喷管外壁、花板、袋底,其边界条件采用壁面函数法[5].中箱体壁面采用
恒压边界条件,依据压力的大小确定出滤袋的外表面过滤气速.净气出口采用压力出口边界条件,滤袋
采用多孔跳跃边界条件.
滤袋介质作为渗流壁,其内部沿半径方向的流动方程由非稳态的Darcy公式确定[6].

式中:v为气体通过袋壁的径向速度,m/s;K为滤袋壁渗透系数,取决于滤袋和粉尘层的几何结构和化
学性质,m2;μ为黏性系数,Pa·s;p(t)为不同时刻的滤袋壁面压力值,Pa;r为径向距离,m.
该流场的初始化是从恒压面开始初始化,恒压面的压力采用中箱体的压力.
脉冲喷吹是一个非稳态的过程,非稳态湍流流场的计算采用SIMPLE算法[7].工程上压缩空气的
喷吹时间一般设定在80～150ms之间,在模拟计算时取100ms,求解步长取4/1000s.
3数值模拟结果
3.1Φ160×6000滤袋的模拟
滤袋的几何尺寸为直径Φ=160mm,长度L=6000mm.喷吹时间T=100ms,喷吹距离X=200
mm,喷嘴d=26mm.实验气包压力为0.4MPa,实验采用的Goyen淹没式脉冲阀的阻力损失在0.06～0.07MPa
之间[829],模拟时采用的压力
为0.33MPa(数值模拟是从喷嘴处开始计算).由于该实验袋口部分采用了文丘里管,故在模拟时也增加了文丘里管.
数值模拟得出滤袋各点的峰值压力曲线,如图3所示.图中同时给出了文献[10]在相同条件
下的实验检测数据.
由图3可以看出,两条曲线基本吻合.在袋口0～0.3m处,由于增加了文丘里管,峰值压力较小,且第二个测试点(0.3m处)
的压力值有所减少;而后压力开始上升,在滤袋1m处达到最大值;随着滤袋长度的增加,压力值不断衰减;到滤袋中下部,压力有所回升.在距袋口0～3
m段,两条曲线完全重合,在滤袋中下游部分,模拟值高于实测值.
这一偏差主要是因为实验测定与数值模拟的有效喷吹时间和滤袋的渗透系数取值不一致造成的,可以通过调整参数取值来修正.
对比结果表明模拟值与实测所得峰值压力曲线基本吻合,滤袋内喷吹气流压力分布可以利用数值模拟的方法来分析.

图3滤袋侧壁峰值压力对比
Fig.3Comparisonofthepeakpressurebetweentheexperimental
valueandthenumericalcalculations
3.2Φ130×6000滤袋的模拟
圆筒滤袋通常的尺寸为Φ130、Φ150、Φ160mm等几种,长度一般在5000～8000mm之间.其中Φ130×6000mm
的滤袋在工程应用中较多,对于长