电除尘器气流分布数值计算方法研究.pdf

电除尘器气流分布数值计算方法研究 党小庆 1 李倩婧 1 潘民兴 2 胡红胜 1 1.西安建筑科技大学环境与市政工程学院, 西安 710055; 2.浙江菲达环保科技股份有限公司, 浙江 诸暨 311800 摘要 运用 CFD 方法对电除尘器内的气流流动进行数值计算, 以相应的电除尘器气流分布模型试验为验证算例。 数 值计算采用多孔介质模型简化进口喇叭气流分布板, 以第一电场进口断面的气流速度分布趋势及相对均方根值为评 判标准, 对比 3 种不同导流片布置方案的模型实测结果与数值计算结果。 结果表明 各方案模拟结果与试验结果均吻 合较好, 最终布置方案的数值计算结果满足电除尘器设计要求。 关键词 电除尘器; 气流分布; CFD STUDY ON NUMERICAL CALCULATION FOR GAS FLOW DISTRIBUTION OF ELECTROSTATIC PRECIPITATION Dang Xiaoqing1 Li Qianjing1 Pan Minxing2 Hu Hongsheng1 1.School of Environment andMunicipal Engineering, Xi  an University of Architecture 2.Zhejiang Feida Environmental Science gas flow distribution; CFD 0 引言 气流分布是影响电除尘器除尘效率的重要因素 之一, 气流分布均一时除尘效率有最大值 [ 1] 。目前研 究除尘器气流分布均匀性问题主要有模型试验和数 值计算两种方法。模型试验能显示电场进口断面气 流速度分布状况, 结果直观、可信。数值计算方法可 以获得流场的数值解, 描述流体流动规律 ,避免设计 过程中的盲目性 ,缩短设计周期 [ 2] 。 国内有运用计算流体动力学 computational fluid dynamics,简称 CFD 方法 ,建立电除尘器数值模型计 算其内部流场, 分析电除尘器第一电场进口断面气流 速度分布状态, 但缺乏定量的描述, 不能满足电除尘 器设计要求。 本文运用 CFD 方法对电除尘器内的气流流动进 行数值计算,进口喇叭气流分布板采用多孔介质模型 进行简化 ,其核心是通过调整多孔介质的阻力系数使 其与多孔板的阻力等效 。以相应的电除尘器模型试 验结果 3 种气流分布板的导流片布置方案 为验证 算例进行数值计算, 通过对比数值计算和模型试验数 据,定量的分析第一电场进口断面的速度分布趋势及 相对均方根值, 进一步验证数值计算方法的可靠性 。 1 试验 电除尘器气流分布试验范围从锅炉空气预热器 出口断面至风机进口断面全部管道 。试验模型系统 如图 1 所示 , 模型电场宽度和高度分别为1 460和 1 417 mm ,电除尘器试验系统风量为32 000 m 3 h。 图 1 电除尘器气流分布试验模型 103 环 境 工 程 2009年 6 月第27 卷第3 期 电除尘器试验模型进口喇叭气流分布板 、 导流片 布置见图 2 除了最初及最终布置方案外, 在其他的 数种导流片调整方案中任取一种作为验证算例 。进 口喇叭内气流分布板在电场宽度方向等间隔垂直布 置导向板, 开孔率不变 , 通过改变水平导流片间距调 整第一电场进口断面气流速度分布 ,令烟气达到设计 规范要求 。 图 2 进口喇叭气流分布板、导流片布置 模型试验主要试验仪器有 标准皮托管和数字微 压计 型号 EMP- 6A 。 电除尘器模型的速度测试孔开在壳体顶部, 测试 断面与壳体进口断面之间的距离为 190 mm, 测试点 240个,每个测试点气流速度的测试值相当于所代表区 域 周边各点 148 mm 145 mm; 其余各点 80 mm 90 mm 的气流速度大小的平均值。测点布置见图 3。 图 3 电除尘器第一电场断面测点布置 电场进口断面的气流分布评判标准采用相对均 方根差 σ σ ∑ n i 1 vi- v 2 n v 2 1 式中 vi 测点风速,m s; v 截面平均风速,m s; n 截面测点数 。 目前 , 大型电除尘器性能考核指标一般要求 σ≤ 0. 20 [ 3] 。 三种布置方案的模型试验结果如表 1 所示 。 表 1 模型试验三种布置方案实测结果 项目 第一电场进口断面 平均速度 ms- 1 第一电场进口断面 相对均方根差 方案12 . 510. 355 方案22 . 570. 276 方案32 . 150. 187 模型试验结果已经应用于实际工程 ,运行结果证 实方案可靠 。 2 数值计算 [ 4 -10] CFD 数值计算过程主要包括 数值模型建立、确 定控制方程 、 建立几何模型、 划分计算网格、 定义边界 条件、设置解控参数、求解离散方程及结果处理 8 个 步骤 。其流程如图 4所示。 数 值 计 算 模 型 确 定 控 制 方 程 建 立 几 何 模 型 划 分 计 算 网 格 定 义 边 界 条 件 给 定 解 控 参 数 求 解 离 散 方 程 结 果 处 理 图 4 CFD 数值计算流程 2. 1 数值计算模型 数值计算模型与试验模型尺寸比例为 1∶ 1,仅对 结构复杂的气流分布板做了适当简化。 2. 2 确定控制方程 在研究电除尘器气流分布均匀性时 ,采用标准的 k- ε 双方程模型求解湍流问题, 壁面边界层采用壁面 函数法处理 ,控制方程包括连续性方程 、 动量方程、k 方程和ε 方程 连续性方程 u x v y w w u i xi 0 2 动量方程 t ρ ui xj ρ uiuj- p xi τ ij xj ρ giFi 3 湍动能 k 方程 t ρ k xi ρ ku i x μ μt σk k xj Gk-ρ ε 4 耗散率 ε 方程 xi ρ ε ui xj μ μt σε ε xj C1ε ε k Gk-C2ερ ε 2 k 5 104 环 境 工 程 2009年 6 月第27 卷第3 期 式中 u , v , w 气流速度的各个分量 ,m s; ρ 流体密度,kg m 3 ; k 湍动能 ,m 2 s2 ; ε 湍动能耗散率,m 2 s3 ; P 时均压力,Pa; μ 层流动力黏性系数,Pas; μ t 湍流动力黏性系数,Pas。 2. 3 建立几何模型 运用fluent 前处理软件gambit 建立三维立体几何 模型, 如图 5 所示, 几何模型包括电除尘器主体和从 锅炉预热器出口断面至风机进口断面的全部管道 。 图 5 电除尘器数值计算几何模型 由于除尘器进口喇叭气流分布板是多孔板,结构 及形状复杂 ,在保证计算精度的基础上 , 把气流分布 板简化为多孔介质模型, 数值计算过程中应使多孔介 质模型的阻力与多孔板阻力相当。 2. 4 划分计算网格 电除尘器本体结构复杂, 尤其是进口喇叭及灰斗 部分, 几何模型的网格划分采用结构化 非结构化混 合技术。如图 6 所示 。 图 6 网格划分 2. 5 边界条件 进口边界条件采用速度进口边界条件; 出口边界 条件采用压力出口边界条件; 导流片采用固体壁面边 界条件; 气流分布板采用多孔介质模型 。 多孔介质模型同时考虑了各方向的惯性阻力系 数及黏性阻力系数, 因而从理论上可以解决模拟气流 分布板时遇到的趋势问题 。 多孔介质的动量方程具有附加的动量源项。源 项由两部分组成 ,一部分是黏性损失项 Darcy ,另一 个是内部损失项 。 对于简单的均匀多孔介质 Si μ α vjC2 1 2 ρ |vj|vj 6 其中 μ是层流流体黏性, α 是介质的渗透性, C2 为压力跳跃系数 , vi是速度分量 , ρ 是介质密度。 2. 6 解控参数设置 采用有限容积法离散控制方程, 数值计算采用 SIMPLE 算法 ,对流项差分格式采用二阶迎风格式。 2. 7 计算结果分析 通过数值计算得到电除尘器内部流场及进口断 面速度分布 ,3 种方案下进口断面相对均方根差 σ值 分别为 0. 335、 0. 266、 0. 181。由图 7～ 图 10 中变化可 以看出 ,随着导流片数量增加及间距调整 ,进口气流 分布越来越均匀 。 图 7 方案3 电除尘器内部流场速度矢量分布 图 8 方案1 电除尘器进口断面速度分布 图 9 方案2 电除尘器进口断面速度分布 105 环 境 工 程 2009年 6 月第27 卷第3 期 图 10 方案 3 电除尘器进口断面速度分布 3 数值计算结果与试验测试结果对比 定义数值计算结果与模型实测结果之间的相对 均方根偏差如下 偏差 模型实测值 -数值计算值 模型实测值 100 试验实测值和数值计算的相对均方根偏差列于 表2 中 ,都在控制要求范围 ≤ 10 之内 。 表 2 相对均方根对比 项目模型实验数值计算数值计算与模型实验偏差 方案10. 3550 . 3355 . 6 方案20. 2760 . 2663 . 8 方案30. 1870 . 1813 . 2 为了对比直进直出式电除尘器第一电场进口断 面气流速度分布趋势 ,将数值计算的断面速度矢量值 输出 。以模型测试断面的中心点为原点 ,建立二维坐 标,把模型试验结果与数值计算结果整理成等值线 图,如图 11～ 图 13。 图 11 方案 1 趋势对比 图 12 方案 2 趋势对比 a数值计算结果; b模型试验结果。 图 13 方案 3 趋势对比 由图 11～ 图 13 可以看出 ,3 种导流片布置方案 的第一电场进口断面气流速度大小分布趋势 ,模型试 验结果和数值计算结果所反映的断面气流速度大小 分布趋势基本吻合, 属于中间偏小, 周边偏大 ,极大值 与极小值出现的位置也大致相同。 106 环 境 工 程 2009年 6 月第27 卷第3 期 4 结论 1 采用 CFD 方法 ,建立三维计算模型, 研究电除 尘器电场进口断面气流分布状态。以相应的气流分 布模型试验为算例, 数值计算与试验结果在气流分布 均匀性及分布趋势方面均吻合较好 ,表明数值计算方 法与模型试验方法相当, 可满足电除尘器设计要求 。 2 CFD 计算结果能定量地反映电除尘器第一电 场进口断面的速度分布及整个电除尘器内部流场组 织规律, 可为电除尘器气流分布提供合理的设计 参数 。 参考文献 [ 1] White H J. 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