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南昌工程學(xué)院本科畢業(yè)生論文PAGEII摘要電除塵內(nèi)氣流分布均勻性是影響電除塵器效率的重要因素之一,而導(dǎo)流板角度對氣流分布均勻性的影響又十分重要,隨著新的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的頒布,電除塵器面臨著前所未有的壓力和挑戰(zhàn)。因此,如何經(jīng)濟(jì)又有效地提高除塵效率,降低粉塵排放量,己成為電除塵工作者研究的熱點問題。目前研究氣流分布均勻性問題主要有模型試驗和數(shù)值計算兩種方法。論文采用數(shù)值仿真對除塵器的主要影響因素進(jìn)行了研究。采用PRO/E軟件建立電除塵研究模型,并用ANSA軟件對模型進(jìn)行幾何處理和網(wǎng)格劃分,利用計算流體動力學(xué)軟件(CFX)中的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型和壁面函數(shù)法來模擬電除塵器內(nèi)部流場的分布。在對電除塵器導(dǎo)流板角度進(jìn)行研究后我們知道了合理調(diào)整導(dǎo)流板角度可以有效的改善電場中氣流分布的均勻程度。關(guān)鍵詞:電除塵器數(shù)值仿真導(dǎo)流板角度氣流分布AbstractAbstractUniformityofgas-flowdistributionisoneofimportantfactorwhichinfluencestheefficiencyofelectrostaticprecipitators(ESP).AndtheangleofESPisveryimportanttotheuniformityofgas-flowdistribution.Withthenewemissionsstandardspromulgated,ESPisfacingunprecedentedpressures.Therefore,howtoeconomicallyandeffectivelyimprovethedustingefficiencyandreducedustemissionshasalreadybecomeahighlyfocusedproblemforresearchers.Atpresenttherearetwomethodstosolvetheproblem;oneismodelexperiment,theotherisnumericalcalculation.Themajoreffectfactorsofthiselectricprecipitatorarestudiedwithnumericalsimulationmethod.Atfirst,usePRO/EsoftwaretobuildthegeometrymodelandANSAtodogeometriccleaningupandfiniteelementmesh.Then,basedonthestandardk-εmodelandthewallfunctionofthehydrodynamicssoftwareCFX,thedistributionsoftheflowfieldintheelectricprecipitatoraresimulated.Arrangingtheguideplatereasonablyontheperforatedplatesintheair-insmokeboxoftheESPcanbeeffectiveonimprovingtheuniformityofflowdistributioninelectricfield.AfterlearnabouttheangleofESPwecanseethatrationallyadjusttheangleofESPcaneffectivelyimprovethegas-flowdistributionoftheelectricfield.Keywords:electrostaticprecipitators(ESP);numericalsimulation;theangleofESP;thegas-flowdistribution目錄目錄摘要 IAbstract II第一章緒論 11.1引言 11.2課題的目的及意義 11.3電除塵器氣流分布研究概況 21.3.1國外概況 21.3.2國內(nèi)概況 31.4課題的主要研究內(nèi)容 4第二章基礎(chǔ)理論 52.1電除塵器概述 52.1.1電除塵器結(jié)構(gòu)簡介 52.1.2電除塵器工作原理 92.2流體數(shù)值仿真理論基礎(chǔ)及CFD概述 102.2.1氣流分布數(shù)值計算方法 102.2.2湍流的近壁處理 132.2.3數(shù)值求解方法 132.2.4離散方程計算方法 152.2.5CFD技術(shù)概述 16第三章導(dǎo)流板角度對氣流分布均勻性影響的仿真研究 193.1重要公式及評定標(biāo)準(zhǔn) 193.1.1電除塵效率公式 193.1.2氣流分布對電除塵器除塵效率的影響 193.1.3電除塵器中氣流分布不均勻的原因 203.1.4電除塵器的分類 213.1.5電除塵器氣流分布均勻性的評定標(biāo)準(zhǔn) 213.1.6流體的力學(xué)相似原則及模型相似準(zhǔn)則 223.2電除塵器原型及仿真模型參數(shù)確定 233.2.1進(jìn)行研究的原始資料(數(shù)據(jù)) 233.2.2幾何模型的網(wǎng)格劃分 253.3數(shù)值仿真內(nèi)容 273.3.1初始條件及邊界條件的確定 273.3.2數(shù)值仿真內(nèi)容 28第四章結(jié)論 36參考文獻(xiàn) 37第一章緒論第一章緒論1.1引言電除塵器是一種高效的除塵設(shè)備,由于其具有凈化效率高、設(shè)備阻力小、運行穩(wěn)定可靠、運行費用低、能處理量大、溫度高的煙氣等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于世界各國的工業(yè)環(huán)境保護(hù)中。近年來,由于環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格,大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)中的排塵濃度由以前的150mg∕Nm3修訂為100mg∕Nm3,有的地方甚至規(guī)定為80mg∕Nm3—50mg∕Nm3。這樣,在舊的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)下建造的電除塵器明顯不能適應(yīng)新的形勢,出口濃度大多超標(biāo),大批項目改造迫在眉睫,如何經(jīng)濟(jì)、高效地提高電除塵器收塵效率已成為電除塵工作者研究的熱點問題。影響電除塵器收塵效率的因素很多,其中氣流分布是一個重要因素,國內(nèi)外的某些設(shè)計經(jīng)常用增大集塵面積、增加電場長度以彌補(bǔ)氣流分布不均的不足,這樣往往使一次投資和長期運行費用增大,而且許多舊設(shè)備不允許增加電場和設(shè)備規(guī)格。相比之下,進(jìn)行氣流分布調(diào)整,會起到一定的作用,其中調(diào)整導(dǎo)流板角度就是一個重要方面,論文中對3種導(dǎo)流板角度(30°、45°、60°)進(jìn)行了實驗和分析計算,從中得出最佳的方案。1.2課題的目的及意義影響電除塵器收塵效率與運作經(jīng)濟(jì)性的因素很多,而針對不同的影響因素,電除塵技術(shù)的有著不同的發(fā)展動態(tài)。如泛比電阻電除塵技術(shù)、電袋復(fù)合式除塵技術(shù)、移動電極電除塵技術(shù)、薄膜電除塵技術(shù)、層流電凝聚技術(shù)、磁控電除塵技術(shù)、高濃度電除塵技術(shù)、等離子體技術(shù)、聲波清灰技術(shù)等等。電除塵器內(nèi)的氣流分布特性作為電除塵器設(shè)計和運行調(diào)整的重要參數(shù),也是影響電除塵器收塵效率的重要因素之一,而且電除塵器的除塵效率越高,其氣流分布的影響越顯著。氣流分布狀態(tài)對電除塵器收塵效率的影響早就引起國內(nèi)外研究者的重視。由于氣流分布不均造成除塵器運行故障的例子很多,目前對失效電除塵器進(jìn)行改造時一般都要進(jìn)行氣流分布測試。氣流分布不均主要弊端一是灰斗揚塵??拷龎m器灰斗上部的氣流速度過高或者擋板設(shè)置不當(dāng),都可能使正在落入灰斗的粉塵被卷走。如氣流在灰斗內(nèi)短路,則會卷走灰斗內(nèi)的粉塵,這就是所謂的灰斗二次揚塵;二是粉塵高速流過電場的停留時間短,來不及沉降。這也減少了捕集的機(jī)率,細(xì)粉塵也易吹出;最后是氣流直接沖刷塵層或恰值振打時將粉塵吹起,致使排放粉塵過多。國內(nèi)外的某些設(shè)計經(jīng)常用增大集塵面積、增加電場長度以彌補(bǔ)氣流分布不均的不足,這樣往往使一次投資和長期運行費用增大,而且許多舊設(shè)備不允許增加電場和設(shè)備規(guī)格。相比之下,進(jìn)行氣流分布調(diào)整,進(jìn)、出風(fēng)口稍加改造就可大幅提高收塵效率,工作量小、經(jīng)濟(jì)易行,且適用于所有的電除塵器改造。1.3電除塵器氣流分布研究概況1.3.1國外概況80年代以來,世界各國的除塵設(shè)備有了很大的發(fā)展。在美國,1963年頒布了潔凈空氣法(CleanAirAct)以后,于1970年、1975年、1977年多次修訂,1990年修訂和補(bǔ)充的潔凈空氣法經(jīng)國會通過后成為一部目前國際上最為嚴(yán)格和詳盡的法規(guī)。它的主要內(nèi)容包括確定有害空氣污染物的種類,并將全國劃分成達(dá)標(biāo)區(qū),未達(dá)標(biāo)區(qū)(隨污染物不同而不同),對后者限期達(dá)標(biāo),同時實行排放許可證制度,此外還有關(guān)于汽車排放、酸雨和臭氧層保護(hù)等有關(guān)條款。在標(biāo)準(zhǔn)方面,美國制定了國家環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(NAAQS),國家有害污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(NE-SNAPS)以及新污染源性能標(biāo)準(zhǔn)(NSPS)等,這些標(biāo)準(zhǔn)控制了污染物排放,而且愈來愈趨于嚴(yán)格,例如對電站,本世紀(jì)初美國的排放標(biāo)準(zhǔn)是0.6lb/10^6Btu.1971年的NSPS規(guī)定為0.116/10^6Btu,而1978年的NSPS進(jìn)一步降低到0.031b/Btu,僅為本世紀(jì)初的1/20。在德國,規(guī)定各種工業(yè)污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)為50mg∕m3,不久前公布的17B1mSchV標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定日平均濃度為l0mg∕m3,1/2小時的平均濃度為30mg∕m3。由于采用了嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn),德國粉塵排放量自60年代以來逐步降低,三十年來約降低了65%,并有進(jìn)一步的降低趨勢,而環(huán)境中總懸浮物(TSP)濃度也降低了約65%。從以上可以看出,依照發(fā)達(dá)國家的排放標(biāo)準(zhǔn),煙囪上已經(jīng)看不見煙塵。據(jù)美國R.W.Meilvaine報道,1992年全世界的電除塵器及袋式除塵器的市場如表所示。1992年除塵器的市場(百萬美圓)表1.1除塵器市場表美國歐洲/非洲亞洲總計電除塵器60060012002400袋式除塵器8007007002200合計14001300190046001.3.2國內(nèi)概況我國自1973年第一次公布13種物質(zhì)的試行排放標(biāo)準(zhǔn)以來,各個工業(yè)部門都相繼制定了本行業(yè)的粉塵排放標(biāo)準(zhǔn)。例如,工業(yè)鍋爐的排放標(biāo)準(zhǔn)是按照大氣環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的一、二、三類地區(qū)來確定的,1983年的標(biāo)準(zhǔn)(GB3841-83)分別為200mg∕Nm3,400mg∕Nm3,600mg∕Nm3,1992年公布的標(biāo)準(zhǔn)(GB13271一91)對于1992年8月1日前安裝的分別為200mg∕Nm3,300mg∕Nm3,400mg∕Nm3,而8月1日以后安裝的則分別為100mg∕Nm3,250mg∕Nm3,350mg∕Nm3,同時對二氧化硫的排放濃度也提出了要求。顯然要達(dá)到新標(biāo)準(zhǔn)就需要采用更高效率的除塵設(shè)備。我國的除塵設(shè)備自80年代以來也得到很大發(fā)展,全國生產(chǎn)各類除塵設(shè)備的制造廠約900多家,發(fā)展較快的是電除塵器和袋式除塵器。以電除塵器為例,70年代我們只有1—2個廠生產(chǎn)電除塵器,而目前電除塵器的生產(chǎn)廠已達(dá)136個,其中年產(chǎn)值超干萬元的20多家。全行業(yè)產(chǎn)值近10億元。到1992年為止已制造電除塵器2800余臺,特別在電力工業(yè)中1979年全國僅18臺電除塵器,占火電廠鍋爐容量的4.8%,而到1989年10年間發(fā)展到165臺,占29.96%,目前在200MW及以上的大型發(fā)電機(jī)組已經(jīng)全部采用高效電除塵器。1.4課題的主要研究內(nèi)容對電除塵器流場的分析,國內(nèi)外主要采用模型試驗和數(shù)值模擬兩種方法進(jìn)行研究。長期以來,相對于極配、供電、振打來說,氣流分布的研究相對落后,研究方法一直采用模型試驗的方法。但試驗的方法有其局限性,比如:模型試驗時,只能測出幾個電場的進(jìn)出口斷面氣體速度分布值,而對整個電除塵器內(nèi)整體的氣流組織很難了解清楚;其次,采用模型試驗的方法花費的成本較大。而采用數(shù)值模擬的方法能很好的解決上述問題。隨著電子計算機(jī)的迅速發(fā)展,數(shù)值模擬方法以其經(jīng)濟(jì)省時、重復(fù)性好、周期短等特點,越來越廣泛的應(yīng)用于各行各業(yè)的實驗研究中。本課題采用數(shù)值計算的研究方法,采用有限元分析軟件CFX對電除塵器內(nèi)部的氣流分布情況進(jìn)行模擬,并利用試驗數(shù)據(jù)對模擬結(jié)果進(jìn)行驗證。主要研究內(nèi)容如下:(1)用Pro/E對電除塵器整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維數(shù)字化建模;(2)對除塵器內(nèi)部進(jìn)行計算流體動力學(xué)(CFD)仿真;(3)通過簡化電除塵器氣流流動的物理模型、確定網(wǎng)格類型和調(diào)整網(wǎng)格密度、選擇湍流模型、求解方法及數(shù)據(jù)后處理等方法等步驟,獲得優(yōu)化的除塵器流場分布規(guī)律。第二章基礎(chǔ)理論第二章基礎(chǔ)理論2.1電除塵器概述電除塵器是利用電場力將氣體中的粉塵粒子分離出來的一種除塵設(shè)備。電除塵器除塵效率高,即使對于粒徑1m的粒子也具有很高的效率;耐溫性能好,一般情況下可在350℃-400℃2.1.1電除塵器結(jié)構(gòu)簡介電除塵器主要由兩大部分組成。一部分是產(chǎn)生高壓直流電的供電機(jī)組和低壓控制裝置,俗稱電氣部分,另一部分是電除塵本體。煙氣在本體內(nèi)完成凈化過程。(1)供電控制系統(tǒng)高壓供電系統(tǒng)一般分布于電除塵器的頂部,一般為一個電場一套對應(yīng)一套高壓供電裝置,通過除塵器頂部的絕緣子箱與電暈極相連,低壓控制系統(tǒng)即為我們在集控制室看到的各個控制柜,與高壓供電系統(tǒng)相對應(yīng),低應(yīng)控制系統(tǒng)同樣為一個電場對應(yīng)一套低壓控制系統(tǒng),一般提到的電除塵器供電控制系統(tǒng)即為高壓供電與低壓控制的總稱,兩者不可分割。(2)本體部分如圖2.1所示:圖2.1電除塵器結(jié)構(gòu)示意圖如上圖所示,電除塵器本體主要部件包括:煙箱系統(tǒng)、電暈極系統(tǒng)、收塵極系統(tǒng)、槽形板系統(tǒng)、儲灰系統(tǒng)、殼體、管路、殼體保溫和梯子平臺等。①煙箱系統(tǒng)煙箱系統(tǒng)包括進(jìn)氣煙箱和出氣煙箱兩部分。進(jìn)氣煙箱是煙道與電場之間的過渡段。煙氣經(jīng)過進(jìn)氣煙箱要完成由進(jìn)氣煙箱的小管道截面到電場大截面的擴(kuò)散,此時,保持煙氣流速、流場分布均勻性的平衡過渡顯得尤為重要,因此,為了達(dá)到整個電場截面上氣流分布的均勻,進(jìn)氣煙箱采用喇叭形,并在其中裝有兩層以上的氣流均布板,同時在進(jìn)氣煙箱上要有對濕度、溫度、流速、動靜壓及含塵濃度等進(jìn)行監(jiān)測的監(jiān)測孔。出氣煙箱是已經(jīng)凈化過和煙氣由電場到出氣煙道的過渡段。這里對氣流分布的要求比較低,只需注意不要因為煙氣流速的急劇變化對電場內(nèi)的氣流分布造成大的影響就可行了。②電暈極系統(tǒng)電暈極系統(tǒng)是產(chǎn)生電暈、建立電場的最主要構(gòu)件,它決定了放電的強(qiáng)弱。影響煙氣中粉塵荷電的性能,直接關(guān)系著除塵效率。另外,它的強(qiáng)度和可靠性也直接關(guān)系著整個電除塵器的安全運行,所以電暈極系統(tǒng)是電除塵器設(shè)計、制造和安裝的關(guān)鍵部件。必須選配良好的線型、合理的結(jié)構(gòu)和適宜的振打。安裝時要保證嚴(yán)格的極間距,保證整個電暈極系統(tǒng)與電除塵器其它部件良好的絕緣性能和足夠的放電距離。實際運行中常發(fā)生電暈極系統(tǒng)因振打、熱膨脹、積灰等造成極板或極線略發(fā)生變形而引發(fā)極間距變化的故障,其在運行中的直接表現(xiàn)就是二次電壓升至較低電壓便發(fā)生閃絡(luò),無法使二次電壓保持較高水平,除塵性能惡化。③收塵極系統(tǒng)收塵極系統(tǒng)是由若干排極板與電暈極相間排列,與電暈極共同組成電場,它是粉塵沉積的重要部件,直接影響著電除塵器的效率。收塵極一般由鋼材軋制。④槽形板系統(tǒng)排列在最后一個電場的出口端,較常見的形狀為“[”形與“]”形鋼錯落組成的類似百葉窗的裝置,其原理是利用煙氣中殘余粉塵的慣性力對逸出電場的塵粒進(jìn)行再捕集,同時它還具有改善氣流分布和控制二次飛揚的功能,所以它對提高除塵效率同樣具有顯著作用。⑤儲灰系統(tǒng)儲灰系統(tǒng)的功能是把從電極上落下來的粉塵進(jìn)行集中,并經(jīng)排灰系統(tǒng)送到其它裝置中去。一般集灰斗為四棱臺狀或棱柱狀,四棱臺狀灰斗多采用星形排灰閥順序定時排灰,棱柱狀灰斗多采用鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)連續(xù)排灰。電除塵器的儲灰系統(tǒng)事故較多,特別是定時排灰的灰斗,往往由于灰斗積灰過滿造成電暈極接地;連續(xù)排灰的灰斗積灰太少或斗壁密封不嚴(yán)會使空氣泄入引起二次飛揚,此外,如果下部排灰裝置能力不夠也容易引起運行故障。灰斗傾角過小或斗壁加熱保溫不良,會造成落灰不暢,甚至結(jié)塊堵塞。所以儲灰系統(tǒng)的設(shè)計、制造和安裝都應(yīng)引予以足夠重視,為了保證灰斗的安全運行。有的電除塵器還采用了灰斗加熱(蒸汽加熱、電加熱或熱風(fēng)加熱)裝置和料位顯示、高低灰位報警等檢測裝置。為了防止氣流半旁路,在灰斗中要設(shè)置若干塊阻流板。⑥殼體殼體可以分為兩部分,一部分是承受電除塵器全部結(jié)構(gòu)重量及外部附加荷載(北方地區(qū)還須考慮冬季雪載)的框架;另一部分是用以將外部空氣與電除塵內(nèi)部隔開,獨立形成一個電除塵環(huán)境的墻板。現(xiàn)代電除塵器幾乎都采用鋼質(zhì)殼體,殼體也有用鋼筋混凝土或磚砌筑的,當(dāng)捕集高溫及腐蝕性較大的煙氣時,則采用瓷磚或鉛板作內(nèi)襯。一般殼體耗鋼量占除塵器總鋼量的1/5~1/3,所以它是影響電除塵器經(jīng)濟(jì)性的重要因素。殼體不僅要有足夠的風(fēng)度、強(qiáng)度及嚴(yán)密性,而且要考慮工作環(huán)境下的耐腐蝕性和穩(wěn)定性。因為在運行前后,電除塵器各構(gòu)件受熱要發(fā)生變形,所以電除塵器殼體下部的支座不能都與基礎(chǔ)固定,而是只有一點固點,其余各點采用各種形式的活動支座,使其沿指示方向滑動。⑦管路系統(tǒng)火電廠電除塵器的管路系統(tǒng)一般包括三個部分:一是蒸汽加熱管路,由汽輪機(jī)抽汽或其它蒸汽源引來蒸汽,通過緊帖在電除塵器外壁上的盤管對除塵器進(jìn)行局部加熱,一般灰斗加熱多采用這種形式,本次實習(xí)的長樂電廠采用蛇形管蒸汽加熱;二是熱風(fēng)保養(yǎng)管路,由空氣預(yù)熱器(用鍋爐尾部煙道煙氣余熱加熱空氣的部件)引來熱風(fēng),穿過灰斗壁直接通入除塵器內(nèi)部,作為停機(jī)時保養(yǎng)及水沖洗后烘干的熱源,也有在除塵器運行過程中持續(xù)地向電瓷軸、絕緣瓷支柱、瓷套管等(電暈極與殼體之間的絕緣裝置)部位進(jìn)行熱風(fēng)吹掃,以防表面積灰;三是積灰沖洗管路,用管道與消防水源接通,停機(jī)時將水引入電除塵器內(nèi)部,對電極進(jìn)行沖洗,這種方法省時省力,清洗效果明顯,工作條件也好,所以普遍采用這種方法,也有用壓縮空氣進(jìn)行吹掃的,但由于操作條件差,吹掃效果不好,目前已基本被淘汰。⑧保溫系統(tǒng)保溫不良不僅會影響電場內(nèi)氣流分布的均勻性或由于絕緣子結(jié)露造成沿面爬電而影響電除塵器的正常工作,而且還會導(dǎo)致電除塵器銹蝕,若保溫層敷設(shè)質(zhì)量差,使用壽命短,必將造成人力和物力的浪費,因此殼體保溫的設(shè)計施工同樣也是不可忽視的,保溫材料要選熱阻大、重量輕、易敷設(shè)的材料,如巖棉板、礦渣棉板、玻璃棉氈、微孔硅酸鈣、蛭石板、珍珠巖板等。保溫層的護(hù)板材料要選耐腐蝕、抗老化、方便施工的板材,并要求斷面呈波形,如薄的刷漆鋼板、玻璃鋼瓦楞板等,對保溫層和護(hù)板的敷設(shè),要做到敷設(shè)連續(xù),搭縫嚴(yán)密,防止漏雨。⑨梯子平臺梯子平臺是通往除塵器各部位的通道,又是進(jìn)行維護(hù)檢修和測試采樣的工作臺,要求平臺既寬暢通達(dá)、堅固耐用,并具有一定的裝飾效果,還要結(jié)構(gòu)合理、選材適當(dāng)、方便施工、節(jié)省投資。一般在開設(shè)人孔門的部位、排灰器下部、電暈極和收塵極振打傳動機(jī)構(gòu)所在處、開設(shè)測孔處、高壓電纜終端附近及電除塵頂部均應(yīng)設(shè)有平臺和扶梯。2.1.2電除塵器工作原理電除塵器通過最基本的工作部件一對放電電極和接地的收塵電極,當(dāng)對放電電極通過高壓直流電時,在兩極間建立極不均勻的高壓電場,使極間氣體電離,產(chǎn)生正離子、負(fù)離子、自由電子,正離子驅(qū)向電極最后被中和,自由電子附著在氣體分子上形成負(fù)離子。負(fù)離子在電廠的作用下向陽極板移動,并且自身還作不規(guī)則的熱運動,從而使負(fù)離子很快充滿整個電場空間。當(dāng)含塵的煙氣進(jìn)入電除塵器電場中時,其中的塵粒和這些負(fù)離子碰撞產(chǎn)生荷電,同時受到各種力的作用。在這些力的作用下塵粒以一定的速度向陽極板驅(qū)進(jìn),最后附著在陽極板的表面。當(dāng)塵粒達(dá)到一定厚度時,借助振打作用,使它從陽極板表面剝離并落入灰斗,從而完成電除塵器除塵的基本過程。如圖2.2所示。圖2.2電除塵器原理圖(1)電暈放電:在電暈極與收塵極之間施加高壓直流電,使電暈極系統(tǒng)電壓超過臨界電壓,產(chǎn)生電暈放電現(xiàn)象。(2)氣體電離:電暈放電,使電極周圍的空氣電離,產(chǎn)生大量的自由電子和正離子。(3)含塵氣體帶電:含塵氣流通過電場空間時,自由電子、正離子與粉塵碰撞并附著其上,實現(xiàn)粉塵荷電。(4)帶電粉塵顆粒在電場中的運動:荷電粉塵在電場中受電場力的作用下被驅(qū)往收塵極,經(jīng)過一定時間的運動后到達(dá)收塵極并附著在收塵極上。(5)振打清灰:帶負(fù)電荷的塵粒與沉降電極接觸后失去電荷,粘附于收塵極板表面,然后借助振打裝置使收塵極振動,塵粒離開電極落到電除塵器下部的灰斗中。2.2流體數(shù)值仿真理論基礎(chǔ)及CFD概述2.2.1氣流分布數(shù)值計算方法(1)電除塵器內(nèi)氣流流動的描述實際電除塵器內(nèi)的氣流和粒子是復(fù)雜的氣一固兩相流動。在工業(yè)電除塵器的氣流形態(tài)為湍流,支配著粒子運動軌跡的是湍流特性所引起的、曲折蜿蜒的氣流形態(tài),粒子在電除塵器電場中的驅(qū)進(jìn)速度為0.1耐5左右,氣流平均速度為1耐5左右,粒子的軌跡是極不穩(wěn)定,在平均的前進(jìn)運動的途徑疊加著極不規(guī)則的運動,由于被氣流攜帶的粒子除了受庫侖力外,沒有或幾乎沒有任何動力傳遞損耗,對小于10—20納米的粒子,其運動狀況主要取決于氣流,而電場影響只是次要的因素,只有當(dāng)粒子偶然地進(jìn)入到庫侖力能夠起作用的層流邊界區(qū)以內(nèi),才有可能被捕集。因此在研究電除塵器氣流分布時,可以忽略粒子,研究純氣流的情況。流體試驗表明,當(dāng)Reyll0lds數(shù)小于某一臨界值時,流動是平滑的,相鄰的流體層彼此有序地流動,這種流動稱作層流。當(dāng)Reyllolds數(shù)大于臨界值時,會出現(xiàn)一系列復(fù)雜的變化,最終導(dǎo)致流動特征的本質(zhì)變化,流動呈無序的混亂狀。這時,即使是邊界條件保持不變,流動也是不穩(wěn)定的,速度等流動特性都隨機(jī)變化,這種狀態(tài)稱為湍流。無論湍流運動多么復(fù)雜,非穩(wěn)態(tài)的Navier-stakes方程對于湍流的瞬時運動仍是適用的。(2)電除塵器氣流流動的物理模型電除塵器氣流動速度一般不大,因此可將空氣當(dāng)作不可壓縮流體看待,而且氣體溫度變化不大,也即密度變化不大,因此可認(rèn)為氣體流動符合Bonssinesq假設(shè)。氣體的粘性不可忽略,而且流動通常都是湍流流動。綜上所述,電除塵器內(nèi)氣流流動的物理模型可總結(jié)如下:①恒溫、低速、不可壓縮流體流動;②湍流;③符合Boussinesq假設(shè)。(3)湍流數(shù)值計算模型目前對湍流模擬的方法可以分為:直接數(shù)值模擬方法,非直接數(shù)值模擬方法。所謂直接數(shù)值模擬方法就是直接求解瞬時湍流控制方程,而非直接數(shù)值模擬方法就是不直接計算湍流的脈動特性,而是設(shè)法對湍流做某種程度的近似和簡化處理。依據(jù)所采用的近似和簡化方法不同,非直接數(shù)值模擬方法分為大渦模擬、統(tǒng)計平均法和Reyn01ds平均法。如圖2.3所示:圖2.3三維湍流數(shù)值計算方法及相應(yīng)的湍流模型①直接數(shù)值模擬(DNs:DireedyNulnericalsimulation)方法就是直接用瞬時的N-s方程對湍流進(jìn)行計算,無須作任何簡化或近似,理論上可以得到相對準(zhǔn)確的計算結(jié)果。但是直接數(shù)值模擬方法對內(nèi)存空間及計算速度要求非常高,目前還無法用于真正意義上的工程計算。②大渦模擬(LES:LargeEddysimulation)的基本思想就是用瞬時的N一5方程直接模擬湍流中的大尺度渦,而不直接模擬小尺度渦,小渦對大渦的影響通過建立模型來模擬。大渦模擬對計算機(jī)內(nèi)存及CPU速度的要求仍比較高,但低于直接數(shù)值模擬方法,目前在工作站和高檔PC機(jī)上已經(jīng)可以開展大渦模擬工作。③統(tǒng)計平均法是基于湍流相關(guān)函數(shù)的統(tǒng)計理論,主要用相關(guān)函數(shù)及譜分析的方法來研究湍流結(jié)構(gòu),在工程上應(yīng)用不很廣泛。④目前工程中最常采用的還是Reynolds平均法,在這類方法中,將非穩(wěn)態(tài)的控制方程對時間作平均,在所得的關(guān)于時均物理量的控制方程中包含了脈動量乘積的時均值等未知量,于是,所得方程的個數(shù)小于未知量的個數(shù),而且不可能依靠進(jìn)一步的時均處理量使控制方程組封閉。要使方程封閉,必須做出假設(shè),即建立模型,這種模型把未知的更高階的時間平均值表示成較低階的計算中可以確定的量的函數(shù)。這種方法是目前工程湍流計算中使用的基本方法。在Reynolds時均方程法中,又有Reynolds應(yīng)力方程法及湍流粘性系數(shù)法兩大類。在Reynolds應(yīng)力方程法中,對于在時均過程中引入的兩個脈動值乘積的時均項再建立偏微分方程。湍流粘性系數(shù)(或渦粘性)法是目前工程流動與算中應(yīng)用最廣的方.法。在湍流粘性系數(shù)法中,把湍流應(yīng)力表示成湍流粘性系數(shù)的函數(shù)。在引入Boussinesq假設(shè)以后,計算湍流流動的關(guān)鍵就在于如何確定湍流粘性系數(shù)。湍流模型就是把湍流粘性系數(shù)與湍流時均參數(shù)聯(lián)系起來的關(guān)系式。依據(jù)確定湍流粘性系數(shù)的微分方程數(shù)目的多少,又分為零方程模型、一方程模型及兩方程模型等。作為湍流的統(tǒng)計變量,除了上述的時均速度和壓力、Reynolds應(yīng)力外,湍流動能k和耗散率也是非常重要的指標(biāo)。目前在工程中使用最為廣泛,最基本的兩方程模型是標(biāo)準(zhǔn)k-模型。此外還有各種改進(jìn)的k-模型,比較著名的是RNGk-模型和Realizablek-模型,改進(jìn)的k-模型對于強(qiáng)旋流或有較大壓力梯度、帶有彎曲壁面的流動有較強(qiáng)的適應(yīng)性。由于標(biāo)準(zhǔn)模型計算量合適,有較多數(shù)據(jù)積累和相當(dāng)精度,本文將選取雙方程模型中的標(biāo)準(zhǔn)k-模型。標(biāo)準(zhǔn)k-模型是建立在半經(jīng)驗公式模型的基礎(chǔ)上,模型輸運方程組源于湍流動能k和其耗散率。模型中計算k的輸運方程源于精確方程,而模型中計算。的輸運方程則有一定的物理含義。(4)控制方程用標(biāo)準(zhǔn)k-模型求解流動及換熱問題時,控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程、能量方程、k方程、方程。2.2.2湍流的近壁處理標(biāo)準(zhǔn)的k-方程湍流模型只適用于離開壁面一定距離的湍流區(qū)域。在近壁面區(qū)域由于壁面的限制,近壁面區(qū)域內(nèi)粘性力起著主要作用。此時標(biāo)準(zhǔn)的k-雙方程湍流模型不再適用,此時可采用壁面函數(shù)法來處理。有兩種方法可以將k-模型應(yīng)用于粘性起主要作用的近壁面區(qū)域,它們是低雷諾數(shù)湍流模型和壁面函數(shù)法。低雷諾數(shù)湍流模型需要在近壁面區(qū)域布置大量的網(wǎng)格節(jié)點,這就需要付出大量的計算時間和內(nèi)存。壁面函數(shù)法即在粘性支層內(nèi)不布置任何節(jié)點,把第一個與壁面相鄰的節(jié)點布置在旺盛湍流區(qū)域內(nèi),也就是將與壁面相鄰的第一個控制容積取得很大,這時壁面上的切應(yīng)力與熱流密度仍按第一個內(nèi)節(jié)點與壁面上的速度和溫度之差來計算,這種方法節(jié)省內(nèi)存與計算時間,在工程湍流計算中應(yīng)用較廣。2.2.3數(shù)值求解方法(1)有限差分法(finitedifferencemethod,F(xiàn)DM)它是數(shù)值方法中最經(jīng)典的方法。它是將求解域劃分為差分網(wǎng)格,用有限個網(wǎng)格節(jié)點代替連續(xù)的求解域,然后將偏微分方程(控制方程)的導(dǎo)數(shù)用差商代替,推導(dǎo)出含有離散點上有限個未知數(shù)的差分方程組。求差分方程組(代數(shù)方程組)的解,就是微分方程定解問題的數(shù)值近似解,這是一種直接將微分問題變?yōu)榇鷶?shù)問題的近似數(shù)值解法。這種方法發(fā)展較早,比較成熟,較多用于求解雙曲型和拋物型問題(發(fā)展型問題)。用它求解邊界條件復(fù)雜,尤其是橢圓型問題不如有限元法或有限體積法方便。(2)有限體積法(finitevolumemethod,F(xiàn)VM)它是近年發(fā)展非常迅速的一種離散化方法,其特點是計算效率高。目前在CFD領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。其基本思路是:將計算區(qū)域劃分為網(wǎng)格,并使每個網(wǎng)格點周圍有一個互不重復(fù)的控制體積;將待解的微分方程(控制方程)對每一個控制體積分,從而得到一組離散方程。其中的未知數(shù)是網(wǎng)格點上的因變量,為了求出控制體的積分,必須假定因變量值在網(wǎng)格點之間的變化規(guī)律。從積分區(qū)域的選取方法看來,有限體積法屬于加權(quán)余量法中的子域法,從未知解的近似方法看來,有限體積法屬于采用局部近似的離散方法。簡言之,子域法加離散,就是有限體積法的基本方法。(3)有限元法(finiteelementmethod,F(xiàn)EM)它與有限差分法都是廣泛應(yīng)用的流體力學(xué)數(shù)值計算方法。有限元法是將一個連續(xù)的求解域任意分成適當(dāng)形狀的許多微小單元,并于各小單元分片構(gòu)造插值函數(shù),然后根據(jù)極值原理(變分或加權(quán)余量法),將問題的控制方程轉(zhuǎn)化為所有單元上的有限元方程,把總體的極值作為個單元極值之和,即將局部單元總體合成,形成嵌入了指定邊界條件的代數(shù)方程組,求解該方程組就得到各節(jié)點上待求的函數(shù)值。有限元法的基礎(chǔ)是極值原理和劃分插值,它吸收了有限差分法中離散處理的內(nèi)核,又采用了變分計算中選擇逼近函數(shù)并對區(qū)域積分的合理方法,是這兩類方法相互結(jié)合,取長補(bǔ)短發(fā)展的結(jié)果。它具有廣泛的適應(yīng)性,特別適用于幾何及物理條件比較復(fù)雜的問題,而且便于程序的標(biāo)準(zhǔn)化。對橢圓型問題(平衡態(tài)問題)有更好的適應(yīng)性。有限元法因求解速度較有限差分法和有限體積法滿,因此,在商用CFD軟件中應(yīng)用并不普遍,目前的商用CFD軟件中,F(xiàn)IDAP采用的是有限元法。而有限元法目前在固體力學(xué)分析中占絕對比例,幾乎所有的固體力學(xué)分析軟件都是采用有限元法。(4)有限分析法(finiteanalyticmethodFAM)有限分析法與有限差分法相似,所不同的是每一個節(jié)點與相鄰的4個網(wǎng)格(二維)問題組成計算單元,即每一個計算單元由一個中心節(jié)點與8個鄰點組成。它的主要缺點是系數(shù)不像有限容積法中那樣有明確的物理意義,對不規(guī)則區(qū)域的適應(yīng)性也較差。目前己應(yīng)用于流動與傳熱計算的數(shù)值方法還有邊界元法等一些其它法。但是就實施的簡易,發(fā)展的成熟及應(yīng)用的廣泛等方面綜合評價,有限容積法無疑居優(yōu)。由于有限體積法繼承了有限差分法的豐富格式,具有良好的守恒性,能像有限元素法那樣采用各種形狀的網(wǎng)格以適應(yīng)復(fù)雜的邊界幾何形狀,卻比有限元素法簡便得多,因此,現(xiàn)在大多數(shù)CFD軟件都采用有限體積法。各種離散化方法的區(qū)別:簡短而言,有限元法,將物理量存儲在真實的網(wǎng)格節(jié)點上,將單元看成由周邊節(jié)點及型函數(shù)構(gòu)成的統(tǒng)一體;有限體積法往往是將物理量存儲在網(wǎng)格單元的中心點上,而將單元看成圍繞中心點的控制體積,或者在真實網(wǎng)格節(jié)點上定義和存儲物理量,而在節(jié)點周圍構(gòu)造控制體。2.2.4離散方程計算方法在得到流場控制方程的離散形式后,就需要決定采用什么解法來解這些代數(shù)方程組。目前有藕合式解法、分離式解法和壓力修正算法三種。(1)藕合式解法藕合式解法同時求解離散化的控制,聯(lián)立求出各變量u、v、w、P等,可分為所有變量整場聯(lián)立求解(隱式解法)、部分變量整場聯(lián)立求解(顯隱式解法)和在局部地區(qū)對所有變量整場聯(lián)立求解(顯式解法)。其求解過程為:①假定初始壓力和速度等變量,確定離散方程的系數(shù)及常數(shù)項等。②聯(lián)立求解連續(xù)方程、動量方程、能量方程。③求解湍流方程及其他標(biāo)量方程。④判斷但錢時間不上的計算是否收斂。若不收斂,返回到第②步,迭代計算。若收斂,重復(fù)上述步驟,計算下一時間步的物理量。藕合式解法需要較多的計算機(jī)內(nèi)存和計算時間,計算效率較低。(2)分離式解法所謂分離式解法,就是對各變量代數(shù)方程組逐個地、有序地進(jìn)行求解。分離式解法可分為非原始變量法和原始變量法。非原始變量法包括渦量一流函數(shù)法、渦量一速度法等,渦量一流函數(shù)法不直接求解原始變量u、v、w、p,而是求解旋度o,和流函數(shù)勸,渦量一速度法不直接求解原始變量P,而是求解旋度。和速度u、v、w。原始變量法中目前使用最廣泛的方法就是壓力修正法,在每一時間步的運算中,先給出壓力場的初始猜測值,據(jù)此求出猜測的速度場。再求據(jù)連續(xù)方程導(dǎo)出的壓力修正方程,對猜測的壓力場和速度場進(jìn)行修正。如此循環(huán)往復(fù),可得出壓力場和速度場的收斂解。壓力修正法有多種實現(xiàn)方式,其中壓力耦合方程組的半隱式方法(SIMPLE算法)應(yīng)用最為普遍。(3)壓力修正(SIMPLE)算法SIMPLE是英文“Semi-ImplicitMethodforPressure-LinkedEquations”的縮寫,意為“求解壓力耦合方程組的半隱式方法”。在對Navier-Stokes方程的離散形式進(jìn)行迭代求解的任一層次上,可以給定一個壓力場(它可以是假定的或是上一層次計算所得出的結(jié)果)求解離散形式的動量方程。一個正確的壓力場應(yīng)該使計算得到的速度場滿足連續(xù)性方程。但據(jù)這樣給定的壓力場計算而得的速度場,未必能滿足連續(xù)性方程,因此要對給定的壓力場作改進(jìn),即進(jìn)行修正,修正的原則是:與改進(jìn)后的壓力場相對應(yīng)的速度場能滿足這一迭代層次上的連續(xù)性方程。據(jù)此原則,我們把由動量方程的離散形式所規(guī)定的壓力與速度的關(guān)系代入連續(xù)方程的離散形式,從而得到壓力修正方程,由壓力修正方程得出壓力修正值。接著,根據(jù)修正后的壓力場,求得新的速度場。然后檢查速度場是否收斂。若不收斂,用修正后的壓力值作為給定的壓力場,開始下一層次的計算。如此反復(fù),直到獲得收斂的解。2.2.5CFD技術(shù)概述(1)CFD簡介CFD的應(yīng)用與計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。CFD軟件最早于20世紀(jì)70年代誕生在美國,但真正得到較廣泛的應(yīng)用是近幾年的事。CFD軟件現(xiàn)在已成為解決各種流體流動與傳熱問題的強(qiáng)有力工具,過去只能依靠實驗手段才能得到的某些結(jié)果,現(xiàn)在完全可以借助CFD模擬來準(zhǔn)確獲取。CFD研究方法是運用流體力學(xué)的系統(tǒng)理論結(jié)合各種實驗所獲得的成果,針對各個具體流動問題建立數(shù)學(xué)模型,然后通過計算機(jī)編程計算,在計算機(jī)虛擬空間內(nèi)再現(xiàn)所模擬的流動現(xiàn)象,從而解決所模擬的工程實際問題。數(shù)值模擬計算的步驟是,對需模擬計算的工程實際問題,運用描述流體流動的基本方程和具體的初始條件與邊界條件建立數(shù)學(xué)模型,利用計算機(jī)的計算機(jī)技術(shù)編程計算和進(jìn)行虛擬空間的模擬顯示,重復(fù)或再現(xiàn)實際已經(jīng)發(fā)生或即將發(fā)生的復(fù)雜流動現(xiàn)象,從而得到問題的解。雖然數(shù)值模擬計算結(jié)果是近似的,但一般能達(dá)到工程上所要求的精度。相對于計算機(jī)虛擬空間的數(shù)值計算來說,實際的系統(tǒng)實驗與模型實驗一般稱之為物理模擬或物理模型試驗。一般來說,數(shù)值模擬較物理模擬在人力與物力上節(jié)省,而且還具有不像物理模擬受相似律的限制的優(yōu)點。但數(shù)值模擬必須建立在物理概念正確的力學(xué)規(guī)律明確的基礎(chǔ)上,而且一定要接受實驗與原型觀測的檢驗。因此,對于一些重要的工程流體力學(xué)問題的研究,還要采用理論分析、數(shù)值模擬與實驗相結(jié)合的途徑。目前,CFX在航空航天、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、石油化工、能源、汽車、機(jī)械制造、生物技術(shù)、水處理、冶金、環(huán)保等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。(2)CFX軟件的特點主要有:①精確的數(shù)值方法區(qū)別于其它CFD軟件,CFX采用了基于有限元的有限元體積法?;谟邢拊挠邢摅w積法保證了在有限元體積法的守恒特性的基礎(chǔ)上,還吸收了有限元法的數(shù)值精確性。在CFX中,基于有限元的有限體積法,對六面體網(wǎng)格單元采用24點插值,而單純的有限體積法僅采用6點插值;對四面體網(wǎng)格單元采用60點插值,而單純的有限元體積法僅采用4點插值。在湍流模型的應(yīng)用上,除了常用的湍流模型外,CFX最先使用了分離渦模擬等高級湍流模型。②快速穩(wěn)健的求解方案CFX是第一個發(fā)展和使用全隱式多網(wǎng)格耦合求解技術(shù)的商業(yè)化軟件,這種求解技術(shù)避免了傳統(tǒng)算法需要“假設(shè)壓力項-求解-修正壓力項”的反復(fù)迭代過程,而同時求解動量方程和連續(xù)方程,加上其多網(wǎng)格技術(shù),CFX的計算速度和穩(wěn)定性較傳統(tǒng)方法提高了很多。③豐富的物理模型CFX擁有包括流體流動、傳熱、輻射、多相流、化學(xué)反應(yīng)、燃燒等問題的豐富的通用物理模型;還擁有諸如氣蝕、凝固、沸騰、多孔介質(zhì)、相間傳質(zhì)、非牛頓流、噴霧干燥、動靜干涉、真實氣體等大批復(fù)雜現(xiàn)象的實用模型。④領(lǐng)先的流固耦合技術(shù)借助于ANSYS在物理場方面深厚的技術(shù)基礎(chǔ),以及CFX在流體力學(xué)分析方面的領(lǐng)先優(yōu)勢。ANSYS與CFX推出了目前世界上最優(yōu)秀的流固耦合技術(shù)。(3)CFD求解過程無論是流動問題、傳熱問題,還是穩(wěn)態(tài)問題、瞬態(tài)問題,其求解過程都可用圖所示的CFD求解流程圖來表示,求解過程主要包括建立控制方程、確定邊界條件與初始條件、劃分計算網(wǎng)格等9個步驟。如圖2.4所示:圖2.4CFD求解過程第三章導(dǎo)流板角度對氣流分布均勻性影響的仿真研究第三章導(dǎo)流板角度對氣流分布均勻性影響的仿真研究3.1重要公式及評定標(biāo)準(zhǔn)3.1.1電除塵效率公式電除塵器的除塵效率常用經(jīng)典的多依奇(Deutsch)公式表示:(3.1)式中:P———粉塵透過率,%;L———電場長度,m;———粉塵驅(qū)進(jìn)速度,;S———集塵極和放電極的中心距(即異極距),m;A———集塵極面積,;q———處理煙氣量,;———電場內(nèi)煙氣平均速度,;f———每單位煙氣量的集塵極板面積(即比集塵面積),上式表示電場內(nèi)煙氣速度是以指數(shù)函數(shù)關(guān)系影響除塵效率或粉塵穿透率的。當(dāng)電場內(nèi)煙氣速度在平均速度上下波動時,增大所造成的粉塵透過率增加始終大于-時所相應(yīng)減少的-。所以電場內(nèi)氣流分布不均勻必然導(dǎo)致粉塵透過率的增大,即除塵效率的降低。3.1.2氣流分布對電除塵器除塵效率的影響電除塵器內(nèi)氣流分布均勻與否對電除塵器除塵效率的影響,不亞于電場中伏-安特性的影響。氣流分布不均勻可使電除塵器除塵效率大幅度下降。氣流分布不均勻會使局部流速過高而使除塵效率降低,并增大集塵板及灰斗中粉塵的二次飛揚,使電除塵器的工作性能變壞。電除塵器的氣流分布與進(jìn)口導(dǎo)向、板的形狀及安裝位置、氣流分布板的形式等因素都有關(guān),從而可使除塵效率上下波動20%—30%。氣流在進(jìn)入電除塵器的進(jìn)氣煙箱前,由于氣流管壁的摩擦,氣流經(jīng)過曲率半徑很小的彎頭,管道中有粉塵沉積,這些原因會造成氣流的嚴(yán)重紊亂,所以在進(jìn)氣煙箱的流道中加裝氣流分布裝置是必不可少的。因此設(shè)計合理的氣流分布裝置可達(dá)到滿意的氣流均勻分布效果。氣流分布不均對電除塵器除塵效率的影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面:(1)在含塵氣體流速不同的區(qū)域所捕集到的粉塵量不同。氣流速度高的區(qū)域,捕集的粉塵量少;氣流速度低的區(qū)域,捕集的粉塵量多。但因速度低而增大粉塵捕集量不足以彌補(bǔ)風(fēng)速高而減少的粉塵捕集量,造成總的除塵效率降低。(2)局部氣流速度高的地方會出現(xiàn)沖刷現(xiàn)象,將已經(jīng)沉積在收塵極板上和灰斗內(nèi)的粉塵再次大量揚起,產(chǎn)生二次揚塵,特別是出口處的二次揚塵會顯著降低除塵效率。(3)局部氣流速度過高將使收塵極板表面產(chǎn)生壓力梯度,使顆粒受到與電場力相反的壓力,阻礙微小顆粒向收塵極板接近。(4)在低流速區(qū)域,電暈線上可能積灰過多,抑制電暈的產(chǎn)生,一起不均勻的電暈放電,使除塵過程處于不正常的狀態(tài),并且會形成低溫區(qū)域而引起局部的殼體腐蝕。(5)當(dāng)局部煙氣流速高于一定值時,驅(qū)進(jìn)速度會隨著流速的增加而降低。3.1.3電除塵器中氣流分布不均勻的原因電除塵器內(nèi)部氣流分布不均勻的原因主要有:(1)在煙氣從產(chǎn)生煙氣的生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)入電除塵器的過程中,煙道彎頭未設(shè)導(dǎo)流板或?qū)Я靼逶O(shè)計不合理,造成除塵器來流不均勻。(2)入口煙箱氣流分布板設(shè)計不合理,造成除塵器進(jìn)流不均勻。(3)電除塵器本體結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷,造成局部阻力過大。(4)電除塵器左右室煙氣分配不均,產(chǎn)生偏流。(5)實際煙氣量大大高于設(shè)計值,造成局部渦流。(6)設(shè)備漏風(fēng)嚴(yán)重。3.1.4電除塵器的分類靜電除塵器型式多種多樣。根據(jù)設(shè)備特點,靜電除塵器可分成不同的類型。根據(jù)收塵極合放電極在電除塵器內(nèi)的配置不同可分為單區(qū)和雙區(qū)電除塵器。(1)單區(qū)式在單區(qū)電除塵器里,塵粒的荷電和捕集是在同一個電場中進(jìn)行,即電暈極和集塵極都布置在同一個電場區(qū)內(nèi)。在工業(yè)除塵及煙氣凈化中,這種單區(qū)電除塵器應(yīng)用最為廣泛。而單區(qū)電除塵器中又有如下分類:①按煙氣在電場中的流動方向分為立式和臥式電除塵器。立式電除塵器中的氣流是自下而上垂直運動的。②按清灰方式,可分為干式和濕式電除塵器。③按電極形狀可分為板式、管式和棒式電除塵器。④按電極距離的大小分為常規(guī)電除塵器和寬間距電除塵器。(2)雙區(qū)式在雙區(qū)電除塵器里,塵粒的荷電和捕集是在結(jié)構(gòu)不同的兩個區(qū)域內(nèi)進(jìn)行,前區(qū)安裝放電極,稱為電離區(qū);后區(qū)安裝收塵板,稱為收塵區(qū),荷電粉塵在收塵區(qū)被捕集。3.1.5電除塵器氣流分布均勻性的評定標(biāo)準(zhǔn)對電場內(nèi)部氣流分布均勻性的評判,目前尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),美國、日本、前蘇聯(lián)、瑞士等國均有各自的標(biāo)準(zhǔn),國內(nèi)主要采用美國的RMS標(biāo)準(zhǔn),表達(dá)式如下:(3.2)式中:———斷面氣流速度相對均方根值;n———測量斷面上的測點總數(shù);———每個測點測出的氣流速度,;———測量斷面各測點氣流速度算術(shù)平均值,;值越小表示氣流分布均勻性越好,本論文也采用相對均方根差法(即RMS),作為評價氣流分布均勻性的標(biāo)準(zhǔn)。3.1.6流體的力學(xué)相似原則及模型相似準(zhǔn)則(1)流動的力學(xué)相似流動的相似性原理就是在仿真流體運動試驗中應(yīng)當(dāng)遵循的基礎(chǔ)準(zhǔn)則。表征流動現(xiàn)象的物理量主要有三類:幾何學(xué)的量,運動學(xué)的量,動力學(xué)的量。因此兩個相似流動系統(tǒng)可以用幾何相似、運動相似、動力相似來描述。①幾何相似幾何相似是指原型和模型兩個流動中相對應(yīng)的幾何量都滿足一定的比例關(guān)系,即幾何形狀相似。②運動相似運動相似是指兩個流動中,對應(yīng)點上各運動學(xué)量保持一定的比例關(guān)系,也就是模型與原型流場所有對應(yīng)點上對應(yīng)時刻的流速方向相同而流速的大小成比例。簡言之,運動相似就是兩個流動的時間、速度場、加速度場均相似。③動力相似動力相似是指在對應(yīng)時刻作用于兩個流動對應(yīng)質(zhì)點上的各種相同物理性質(zhì)的動力學(xué)量成比例。以上三種相似關(guān)系是相互關(guān)聯(lián)的。流場的幾何相似是動力相似的前提,動力相似是決定運動相似的主導(dǎo)因素,而運動相似則是幾何相似與動力相似的外在表現(xiàn)。(2)模型的相似準(zhǔn)則為了有效的判斷兩種流動的相似性,根據(jù)相似原理,利用相似轉(zhuǎn)換公式可以推出三個相似準(zhǔn)則:①雷諾相似準(zhǔn)則②歐拉相似準(zhǔn)則3.2電除塵器原型及仿真模型參數(shù)確定3.2.1進(jìn)行研究的原始資料(數(shù)據(jù))流體的運動問題是十分復(fù)雜的,我們在進(jìn)行數(shù)值仿真研究時按照什么規(guī)則來進(jìn)行,是否可以將實際模型的尺寸及相關(guān)流動參數(shù)按任意比例縮放,是在實際問題中必須考慮的問題。根據(jù)流體的力學(xué)相似原則及流動的自模性,參照試驗?zāi)P统叽纾_定仿真模型的幾何參數(shù),如表3.1所示:表3.1仿真模型幾何參數(shù)項目單位模型尺寸進(jìn)口斷面尺寸a×bmma=1200b=1562進(jìn)口斷面當(dāng)量直徑DV=eq\o(\s\up7(2ab),\s\do3(a+b))M1.36進(jìn)口斷面面積Fm21.87流動介質(zhì)空氣介質(zhì)溫度t℃25介質(zhì)運動粘滯系數(shù)rm2/s16.155×10-6介質(zhì)平均流速Vm/s3.36介質(zhì)體積流量Qm3/h22620根據(jù)以上幾何參數(shù)用三維軟件Pro/E建立電除塵器數(shù)值仿真幾何圖形:圖3.1除塵器殼體圖3.2導(dǎo)流板圖3.3數(shù)值仿真幾何模型3.2.2幾何模型的網(wǎng)格劃分網(wǎng)格是CFD模型的幾何表達(dá)方式,也是仿真與分析的載體,是進(jìn)行數(shù)值仿真分析至關(guān)重要的一步,網(wǎng)格質(zhì)量對CFD計算精度和計算效率有重要影響。網(wǎng)格太粗計算結(jié)果誤差大,會降低計算精度;但如果網(wǎng)格太細(xì),計算精度會得到提高但需要占用較大的計算機(jī)資源。對于復(fù)雜的CFD問題,網(wǎng)格生成很耗時,且易出錯,生成網(wǎng)格所需時間常常大于實際CFD計算的時間。網(wǎng)格主要分為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格兩大類,結(jié)構(gòu)網(wǎng)格節(jié)點排列有序、臨點間的關(guān)系明確,使用規(guī)則單元便于編程計算,但適用性差。而非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的節(jié)點位置無法用一個固定發(fā)展進(jìn)行有序地命名,這種網(wǎng)格具有良好的靈活性,雖然網(wǎng)格生成過程比較復(fù)雜,但對復(fù)雜問題計算比較有效。常用的2D網(wǎng)格單元主要是三角形和四邊形單元,3D網(wǎng)格單元主要是四面體、五面體和六面體單元。劃分網(wǎng)格后的電除塵器模型及入口氣流分布板如圖3.4、3.5所示。圖3.4電除塵器網(wǎng)格模型圖3.5氣流分布板網(wǎng)格模型3.3數(shù)值仿真內(nèi)容3.3.1初始條件及邊界條件的確定所有CFD問題都需要有邊界條件,對于瞬態(tài)問題還需要有初始條件。在用CFX11.0做計算機(jī)數(shù)值仿真的過程中,主要采用了速度入口、壓力出口、壁面條件等邊界類型。(1)在CFX中,定義模擬類型(SimulationType)主要是計算域(Domain)的形成,計算域主要包括:指定邊界條件(BoundaryCondition)、給出初始條件(InitialConditions)、定義求解控制(SolverControl)、定義輸出數(shù)據(jù)(OutputFile&MontiorPoints)及寫入定義文件(.defFile)五項。①具體到本課題研究的除塵器氣流分布模型而言,根據(jù)實際的工程背景,采用速度入口邊界條件是合適的。②出口采用壓力出口邊界條件,設(shè)定出口相對壓力。出口壓力邊界條件一般設(shè)在遠(yuǎn)離幾何擾動的位置,在這樣的位置,流動是充分發(fā)展的,沿流動方向上沒有變化。③壁面邊界條件,此處設(shè)為光滑無滑移絕熱壁面。④定義求解控制,收斂控制中將時間步長設(shè)置為自動(AutoTimescale),迭代步數(shù)設(shè)置為200-300步,收斂準(zhǔn)則中殘余值類型設(shè)置為均方殘差(RMS),殘差值小于。⑤定義輸出數(shù)據(jù)及寫入定義文件,流體屬性和模擬類型定義完畢后接受默認(rèn)的輸出數(shù)據(jù)定義并寫入定義文件。(2)模擬的求解在建模和前處理的基礎(chǔ)上可以進(jìn)行求解工程,CFX提供求解管理器來監(jiān)視求解的全過程并顯示收斂情況,如圖3.6所示:圖3.6CFX的模擬求解3.3.2數(shù)值仿真內(nèi)容(1)斷面測點布置為了測定第一電場斷面的氣流速度相對均方根值,先要進(jìn)行氣流分布均勻性測點布置,并每個區(qū)域的中點測定氣體的速度,然后代入RMS標(biāo)準(zhǔn)的表達(dá)式。測點布置:由于氣流剛通過進(jìn)氣煙箱的氣流分布板時,在氣流分布板后面會出現(xiàn)短距離的氣流擴(kuò)散過渡區(qū),因此在確定測量斷面時應(yīng)當(dāng)選擇在氣流經(jīng)過分布板小孔擴(kuò)散后基本穩(wěn)定下來的地方,而不能選擇離孔板很近的地方。不論是在模型上還是在原型上進(jìn)行測試,檢測電場內(nèi)氣流分布均勻性的測點都應(yīng)布置在各電場進(jìn)口靠近陽極板排的斷面上。對于多電場電除塵器,第一電場進(jìn)口斷面的氣流分布均勻性代表著整個除塵器內(nèi)部氣流的分布狀況,因為第一電場進(jìn)口斷面的氣流分布與第二、三電場相比均勻性最差,也就是說如果第一電場進(jìn)口斷面氣流分布合格,則第二、三電場氣流分布會更好。第一電場的測量斷面距氣流分布板應(yīng)有大于或等于(8-10)d(d為多孔板孔徑)的距離。根據(jù)以上原則,將第一電場進(jìn)口測量斷面設(shè)在距離電場進(jìn)口前端165mm處。測點在測量斷面布置如圖3.7所示分布。圖3.7氣流速度測點布置圖圖3.7所示為測量斷面上的測點布置,按照電除塵器氣流分布模擬試驗方法標(biāo)準(zhǔn),在水平方向每隔0.3m—1.2m布一個測點,前者適用于小型電除塵器,后者適用于大型電除塵器;在垂直方向上一般視集塵極板的高度取8-12個測點。一般每個斷面測點位置不少于8×13=104。本次仿真模擬實驗中斷面?zhèn)赛c為8×13=104個。(2)分析計算①建立方案在進(jìn)風(fēng)口尺寸為500mm,入口煙箱在相同位置布置三層氣流分布板,分布板開孔率均為50%,孔型均為圓形,煙箱擴(kuò)散角為為25°的前提下分別建立導(dǎo)流板角度為30°、60°、45°的導(dǎo)流板布置幾何模型,如圖3.8—3.10所示。研究這3種方案對氣流分布均勻性的影響。圖3.8導(dǎo)流板角度為30°圖3.9導(dǎo)流板角度為60°圖3.10導(dǎo)流板角度為45°②數(shù)據(jù)分析在以上3種不同的導(dǎo)流板角度時,對電除塵器內(nèi)部氣流分布進(jìn)行數(shù)值仿真測試,利用CFX軟件測定出104個斷面測點的速度,然后運用相對均方根差法,使用其RMS公式求出標(biāo)準(zhǔn)差值。方案一:導(dǎo)流板角度為30°時,斷面各測點速度數(shù)據(jù)如表3.2所示:表3.2導(dǎo)流板角度為30°時斷面速度分布表行∕列1234567817.633.181.741.882.795.983.793.7626.862.011.000.543.594.443.112.8537.082.231.600.183.413.072.383.3846.252.332.331.102.363.222.223.8755.192.342.781.971.313.672.394.2464.722.212.962.621.053.692.494.4874.741.282.862.872.102.462.304.7386.051.302.382.722.771.192.084.6396.440.801.842.372.270.451.723.29107.160.951.332.121.610.611.260.95116.761.130.971.841.040.800.831.01126.391.640.751.460.711.550.911.61138.872.391.040.960.652.981.361.42根據(jù)表3.2中數(shù)據(jù)計算可得在這個模型下入口截面各測點的平均流速=2.697,RMS值=0.6634。通過CFX后處理模塊CFX-Post顯示速度、壓力、溫度、各組分百分比等分布情況,可以準(zhǔn)確得到流場的宏觀量。其功能主要包括:計算域幾何模型及網(wǎng)格顯示,各種參量矢量圖、等值線圖、粒子軌跡線圖、氣流流線圖等效果圖。第一電場入口截面速度測試結(jié)果如圖3.11所示:圖3.11導(dǎo)流板角度為30°時截面速度測試結(jié)果據(jù)圖3.11可知,其第一電場截面四周的氣流速度嚴(yán)重偏高,而中間部位氣流速度偏低且相對均勻,氣流基本集中在沿殼體壁面的方向上。最高氣流速度位于殼體左邊緣和殼體與灰斗的交界處附近,達(dá)到8.87m/s。方案二:流板角度為60°時,第一電場入口截面速度測試結(jié)果如表3.3所示:表3.3導(dǎo)流板角度為60°時斷面速度分布表行∕列1234567815.026.394.434.114.422.582.432.2025.252.371.953.273.662.403.233.3735.801.041.373.033.672.463.004.7044.981.020.612.143.782.842.423.9654.030.820.731.983.522.841.893.7763.781.301.311.533.212.591.433.5374.612.032.071.872.932.381.080.7484.562.282.142.082.982.280.710.7493.941.591.741.902.041.180.232.26104.481.491.401.191.101.190.311.82115.421.721.160.911.341.450.651.45125.612.751.141.042.112.160.781.34139.493.511.471.733.142.970.752.42根據(jù)表3.3中數(shù)據(jù)計算可得在這個模型下入口截面各測點的平均流速=2.725,RMS值=0.5542。第一電場入口截面速度測試結(jié)果如圖3.12所示:圖3.12導(dǎo)流板角度為60°時截面速度測試結(jié)果據(jù)圖3.12可以知,氣流速度在殼體上緣的高速度區(qū)域集中,且整體的低速度區(qū)域增多,使其氣流均勻性有所下降。方案三:導(dǎo)流板角度為45°時,第一電場入口截面速度測試結(jié)果如表3.4所示:表3.4導(dǎo)流板角度為45°時斷面速度分布表行∕列1234567813.855.824.673.773.582.803.292.7424.832.142.513.253.213.023.711.7035.991.301.863.003.163.073.452.9944.921.271.963.273.403.133.393.7354.650.721.472.764.143.243.244.1664.750.760.932.663.893

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