1、基于fluent软件的旋风除尘器优化设计毕业设计摘要旋风除尘器是一种重要的气-固分离设备，因为其结构简单、设备紧凑、制造容易、成本相对较低等优点，被广泛应用于矿山、化工、能源、环保、冶金、建材等众多工业领域。然而往往因其结构设计不正确，尺寸匹配不合理等因素限制了除尘效率的提高，并且能耗很大。当前，随着经济增长及国家对环境保护日益重视，工业生产中，迫切需要一种高效率低能耗的新型旋风除尘器。为此，本文针对旋风除尘器传统设计方法不够完善，通用性差及其内部三维流场规律认识不全面等问题，采用优化设计和数值模拟相结合的研究方法，考察分析了不同情况下的颗粒运动轨迹及不同入口颗粒浓度、不同排气管插入深度、不同
2、进气口形状、不同直管长度等操作与结构参数对分离性能的影响；采用Fluent软件进行数值模拟，基于上述的数值模拟结果，有效地预测了优化型旋风除尘器结构尺寸匹配的合理性及提出的优化设计方法的可行性，从而为今后旋风除尘器的研制提供了一种通用的设计方法。因此本文的研究无论是在工程应用，还是在理论研究方面上都具有十分重要的价值。关键词：旋风除尘器；优化设计；数值模拟；FluentABSTRACTCyclone separator is an important gas-solid separation equipment, which has many advantages, such as simpl
3、e structure, compact equipment, easy to manufacture, relatively low-cost and so on. So it has been widely applied in the mining,chemical industry, energy source,environmental protection, metallurgy, building materials and the other industrial fields. However, because of unreasonable structure design
4、 and size matchingfactors, which restrict the efficiency improving, besides it wastes more energy consumption.At present, with the rapid growth of the economy and paying more attention to environmental protection, people urgently need to research a new type cyclone separator that has much higher sep
5、aration efficiency and lower consumption. Therefore, in view of the unperfect separation model and the weak prevalence of the traditional design method. In addition, people cant understand accurately the separation theories of cyclone separator. Using numerical simulation and optimal design combinat
6、ion of research methods, For example, different inlet particle concentration, different insert depth and inlet shape, diffIerent vertical tube length of cyclone separator. Going on the 3D flow field numerical simulation with Fluent, based on theresults of 3D flow field numerical simulation, prove th
7、e rationality of the size match and the feasibility of the design optimization and propose auniversal design method for the future provision of cyclone separator. Therefore, it has significant application value in the engineering application and theoretical research.Key words:Cyclone separator; Opti
8、mization design; Numerical simulation;Fluent毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学
9、校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位
10、论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日第一章 绪论旋风除尘器自从应用于工业生产以来，已将近有百余年的历史。但是因为其结构设计尺寸不合理等因素限制了除尘效率的提高，并且能耗很大。当前，因为国民经济的不断增长，国家提出了“节能减排”战略，在工业生产中，迫切需要研制高效率低能耗的新型旋风除尘器。为此，
11、本文针对旋风除尘器传统设计方法不够完善，通用性差及其内部三维流场规律认识不全面等问题，采用优化设计和数值模拟优化相结合的研究方法，首先基于经典的Leith-Licht边界层分离理论，建立了旋风除尘器优化设计数学模型，通过经验公式得出了设计工况下的结构尺寸；然后以优化出的旋风除尘器为研究对象，通过商业软件FLUENT，对其内部气相流场进行了数值模拟，对旋风除尘器内部的固相颗粒进行了数值模拟研究，考察分析了不同情况下的颗粒运动轨迹及不同入口颗粒直径等对分离性能的影响；最后，基于上述的数值模拟结果，有效地预测了优化型旋风除尘器结构尺寸匹配的合理性及提出的优化设计方法的可行性。本文的研究无论是在工程应
12、用，还是在理论研究方面上都具有十分重要的价值。1.1论文研究的目的随着工业的迅猛发展，操作条件变的更为苛刻，工作环境变得更为复杂，对旋风除尘器性能的要求也在一直提高。一方面要求旋风除尘器具有更高的分离效率；另一方面要求旋风除尘器的压力损失进一步减小，以降低能耗。所以，迫切需要研制出高效能且低能耗的新型旋风除尘器。通常是采用具有针对性地开发新结构或优化各部分尺寸的方法，来减少不利因素的影响，以达到高效除尘的目的。但由于旋风除尘器的分离捕集过程是一种极为复杂的三维、气-固湍流运动，致使给理论与试验研究造成很大困难，至今仍无法全面掌握其内部流场的分离规律，更不能从理论上建立一套完整的数学模型来指导旋
13、风除尘器的设计工作，从而使得旋风除尘器在除尘过程中往往因结构设计不当、尺寸匹配不合理、能耗较高等问题影响旋风除尘器的除尘效果。希望本文的研究能为今后在旋风除尘器的优化设计和分离特性研究等方面，提供一些有意义的参考和理论指导。1.2论文研究方法及内容本课题以旋风除尘器为研究对象，采用理论分析、优化设计、数值模拟及对比验证的研究方法，从结构尺寸优化和内部三维强旋转流场数值模拟两方面来进行深入的研究与分析。为此，主要展开以下的研究工作：（1）针对目前旋风除尘器结构设计中存在的问题，引入优化设计思想，通过变量的选取、目标函数及约束条件的确定，建立优化设计数学模型。（2）以优化出的旋风除尘器为研究对象，
14、利用CFD商业软件FLUENT对其进行三维流场的数值模拟研究，并建立一套适合旋风除尘器内部流场模拟的数值计算方法。（3）在三维气固两相流场的基础上，重点考察分析入口颗粒浓度参数对旋风除尘器分离性能的影响。（4）通过对优化型旋风除尘器的数值模拟研究，进一步考察分析优化型旋风除尘器的分离性能及提出的优化设计方法的可行性。本文总的研究分析路线按图1.21展开。图1.1 理论研究的步骤第二章 旋风除尘器的分离理论与性能分析2.1 旋风除尘器的工作过程旋风除尘器主要由筒体、圆锥体、进气管、排气管和排灰管等五部分组成，旋风除尘器的工作过程是：图2.1 1.进气口；2.排气口；3.筒体；4.旋流；5.锥体；
15、6.排灰管 当含尘气流从进气口以较高的切向速度(一般为12-25m/s)进入旋风除尘器圆筒部分后，气流将由直线运动变为圆周运动，并沿内外圆筒间的环路空间和锥体部位做自上而下的螺旋线运动，称外旋流。含尘气流在旋转过程中产生很大的离心力，由于尘粒的惯性远大于空气，因此密度大于空气的尘粒会被甩向器壁。尘粒一旦与器壁接触，碰撞，便失去惯性力而靠入口速度的动量和重力沿壁面下落，与气体分离，最后经锥体底部排入灰斗内。旋转下降的外旋气流在圆锥部分运动时，随圆锥形体的收缩向除尘器中心靠拢。根据“旋转矩”不变原理，其切向速度不断提高，尘粒所受离心力也不断加强。当气流到达圆锥体某一位置时，便以同样的旋转方向形成一
16、股由下而上的螺旋线运动，称内旋流。最后净化的气体经排气管排出，一部分未被捕集的尘粒也由此逃逸。旋风除尘器内的实际气流运动是非常复杂的，除了切向和轴向运动外，还有径向运动。如在外旋流有少量气体沿径向运动到中心区域，在内旋流也存在着离心的径向运动现象。图2.2 旋风除尘器实图2.2 旋风除尘器内部的旋流根据旋风除尘器的工作过程，除尘器内部的气体流动可以看成是一个旋涡运动，其内部的气-固两相流运动是非常复杂的。含尘气流在旋风除尘器内作旋转运动时，任何一流体质点的速度矢量均可分解为三个速度分量，即切向速度,径向速度，轴向速度2。对粉尘颗粒捕集分离起主导作用的速度分量是切向速度,径向速度。前者产生径向加
17、速度，使粉尘颗粒在半径方向具有由里向外的离心沉降速度！使得颗粒与圆筒壁而被分离；后者是把粉尘颗粒在半径方向由外向里推到中心涡流，而后随上升流从排气管逃逸。这是旋风除尘器内流场中三个速度分量中的一对主要矛盾，称为主流。另外，径向速度K与轴向速度也构成一对矛盾，也影响着除尘器的除尘效率，称为次流。除了上面描述的主流与次流，还有不少我们不需要的涡流，它们对旋风除尘器的除尘效率和压力损失影响较大，主要有以下几种：(1)短路涡流在旋风除尘器顶盖、排气管外壁与简体内壁之间，由于径向速度与轴向速度的存在，将形成局部上涡流，夹带着相当数量的粉尘颗粒向中心流动，并沿着排气管外表面下降，最后随上升流逃逸排气管，从
18、而降低除尘效率。(2)外旋流中的局部涡流由于除尘器壁面的不光滑，如突起、焊缝等，可产生与主流方向垂直的涡流。尽管强度较小，但这种涡流会使已被甩到壁面的颗粒重新卷到内旋流中去，甚至可使较大的尘粒也被带出排气管，降低了旋风除尘器的分离能力和除尘效率。(3)纵向旋涡流纵向旋涡流是以旋风除尘器内、外旋流分界面为中心的器内再循环而形成的纵向流动。由于排气管内的有效流通横截面积小于排气管下端口的有效横截面积，因此在排气管下端口处产生“节流”效应，从而使气体对大颗粒的拖曳力超过颗粒所受的离心力，造成“短路”，进而影响分离性能。(4)底部夹带涡流外层旋流在锥体底部向上返转时，也可以产生局部涡流将粉尘颗粒重新卷
19、起，形成二次夹带。底部夹带的粉尘量占从排气管带出粉尘总量的20%-30。因此，采用合理的结构设计，以此来减少底部夹带是改善旋风除尘器除尘效率的重要方面。2.3 旋风除尘器的分离理论(1)转圈理论2转圈理论也可以称为沉降分离理论，是在类比重力沉降室的沉降原理的基础上发展起来的。图23为重力沉降示意图。图2.3 重力沉降示意图在沉降室中，粉尘在自身重力作用下以速度向下沉降，同时粉尘又以水平速度向前移动，只要沉降室有足够的长度，则粉尘颗粒就能在到达沉降室出口前，沉降到底板而被分离。即沉降室的长度三与尘粒在沉降室内的沉降高度应满足下列关系式： 0 （2-1）式中，尘粒在沉降室内停留时间，单位s。旋风除
20、尘器也有径向向外的离心沉降速度，也有旋转切向速度，如果旋转圈数足够多，即展开后的长度相当于水平沉降室的长度，则粉尘就能从排气管外壁与圆筒内壁间的环形空间被分离。依据转圈理论，把进入除尘器内的气流假定为等流速(速度分布指数)。而尘粒随气体以恒定的切向速度(与位置变化无关)由内向外克服气流对它的阻力，穿过整个气流宽度，流经一个最大的净水平距离，最后到达器壁被分离。忽略颗粒间的相互作用及边界层的效应，则计算出的临界粒径为： (2-2) 式中，临界粒径，m；气流总高度，m；气体粘度，m/s;旋风除尘器筒体直径，m；切向速度，m/s; 粉尘颗粒密度，kg/m3；气体密度，kg/m3;气体平均旋转半径，m
21、；气体旋转圈数。由于该理论只适用于圆柱段部分，而实际气流旋转要延伸至锥体底部，因此该理论与实际偏差较大。(2)筛分理论2筛分理论又称平衡轨道理论，是一个更为简化的分离模型。其分离机理是：假想在旋风除尘器的排气管下方有一柱面，含尘气流做旋转运动时，在该假想面上的尘粒在径向方向上同时受到方向相反的两种力，即有旋涡流产生的离心力FZ，使尘粒向外移动，又有汇流产生的向心阻力w使尘粒向内漂移。离心力的大小与粉尘颗粒的直径有关，直径越大离心力越大，因而必定存在一临界粒径dc，使得FZ=W，从而使尘粒受力平衡。凡粉尘粒径ddc者，向外推移的力FZ大于向内飘逸的力W，结果被推移到除尘器外壁而被分离出来；相反，
22、凡粒径ddc的粉尘颗粒则被带到上升流的核心部分，随着内涡旋排出除尘器。由于各种原因的存在，平衡状态将随时被破坏。如果上述两种情况出现的概率相等，即尘粒有50%的可能性被捕集分离，也有50%的可能性进入内涡旋而逃逸，此时粉尘颗粒的分离效率为50%。通常把分离效率为50%的分割粒径用d50表示。粒径为dp的粉尘颗粒所受的离心力W为： （2-3）径向向心阻力W可用斯托克斯公式表示：W=3VR2dp （2-4）在内、外涡旋的交界面上有Fz=W，即 （2-5）则分割粒径dc50为： （2-6）式中， p尘颗粒密度，kg/m3。气体粘度Pa.s；r2交界面半径，m；Vi2交界面处气流的切向速度，m/s；V
23、r2交界面处气流的径向速度，m/s；dc50分割粒径，m。筛分理论虽然考虑了汇流的存在，弥补了转圈理论的缺点，但在计算汇流速度时视为等速，这与实际情况有一定误差。所以该理论也具有一定的局限性。(3)边界层分离理论筛分理论没有考虑紊流扩散等影响，而这种影响对于细粉尘颗粒是不容忽视的。上世纪七十年代，Leith和Licht类比静电除尘器的分离机理提出了紊流横向混掺模型，认为在旋风除尘器的任一横截面上颗粒浓度的分布是均匀的，而在靠近圆筒壁处的分界层内是层流运动，只要颗粒在离心力作用下进入此边界层内就可以被捕集分离下来，这就是边界层分离理论2。由于边界层分离理论考虑了旋风除尘器的几何结构尺寸对除尘性能
24、的影响，2.4 旋风除尘器的性能评价指标(1)除尘效率除尘效率包括总除尘效率和分级除尘效率。对于一般除尘器总除尘效率足以说明除尘器的除尘性能，但在粉尘颗粒密度一定的情况下，除尘效率的高低与颗粒大小和分散度有密切的关系。一般说，粒径越大，除尘效率也越高。 除尘效率指含尘气流通过旋风除尘器时，在同一时间内被捕集的粉尘量与进入除尘器的总粉尘量之比，也称总效率。除尘效率是旋风除尘器的重要技术指标。旋风除尘器的总效率可表示为：=100% （2-7）式中，S1旋风除尘器进进口处的粉尘质量，kg；S2旋风除尘器出口处的粉尘质量，kg。总效率作为衡量除尘器的性能指标受到很大的局限性，它受颗粒直径大小的影响很大
25、，即使在同一除尘器、同一运行条件下，由于尘粒分散度的差异，其性能也有显著的差别。因此，仅用总效率来说明除尘器的除尘性能是不全面的，要正确评价旋风除尘器的除尘效果时，往往需要引入另一评价指标分级除尘效率i。它是指某一粒径或某一粒径范围粉尘的除尘效率，其能够较为客观的反映旋风除尘器对不同粒径尘粒的分离捕集性能。旋风除尘器的分级除尘效率可表示为：=100% （2-8）式中， S1i、S2i旋风除尘器进口和出口处某一粒径的粉尘质量流量，kg/s；g1i、g2i旋风除尘器进口和出口处某一粒径的粉尘质量分数，%。(2)压力损失旋风除尘器的压力损失是评定除尘器性能的又一重要技术指标，同时也是衡量除尘设备能耗
26、大小的指标。其大小不仅与除尘器的种类和形体结构有关之外，还与处理气体通过时的流速大小有关。旋风除尘器的压力损失主要包括以下几个方面组成34：口管与排气管之间的静压能的损失；进口管的摩擦损失；气体在旋风除尘器中与器壁的摩擦所引起的能量损失；旋风除尘器内气体因旋转而产生的动能损耗；排气管内摩擦损失等。压力损失P应用旋风除尘器进、出口全压来表示，即P=Pq1-Pq2 （2-9）而全压P q由静压PZ与动压Pd之和求得： Pq=Pz+Pd （2-10）又因动压Pd= ，则=Pz1+-Pz2+ （2-11）式中，Pz1、Pz2旋风除尘器进、出口静压，Pa；气体密度，kg/m3；V1旋风除尘器进口速度，m
27、/s；V2旋风除尘器出口速度，m/s。在压力损失计算中，常引入一个流体阻力系数，因而可以将旋风除尘器压力损失P表示为进气口气流动压的指数形式，即 P= （2-12）式中，Vi气流进口处的平均速度，m/s； 流体阻力系数。旋风除尘器的流体阻力系数随着结构的不同而变化，相同结构形式的旋风除尘器可以视为具有相同的流体阻力系数。一般来讲，旋风除尘器的流体阻力系数是通过实验来测定的。(3)处理气体流量率为Q处理气体流量是表示除尘器在单位时间内所能处理气体能力大小的指标，一般用体积流量表示124。实际运行的除尘器往往由于不严密而漏气，使得旋风除尘器的进出El气体流量不一致。因此用两者的平均值作为处理气体流
28、量，即Q= (2-13)式中，Q一处理气体流量，m3/s；Q1一旋风除尘器进口气体流量，m3/s；Q2一旋风除尘器出口气体流量，m3/s。在设计旋风除尘器时，其处理气体流量Q是指除尘器进口的气体流量Q1；在选择风机时，其处理气体流量对正压系统(风机在除尘器之前)是指除尘器进口的气体流量Q1，对负压系统(风机在除尘器之后)则是指除尘器出口气体流量Q2。2.5影响除尘器的性能的因素2.5.1 几何尺寸因素 影响除尘器性能的主要因素5如下：1.旋风除尘器的直径D0一般旋风除尘器的直径越小，气流旋转半径越小，粉尘颗粒所受离心力越大，旋风除尘器的除尘效率也就越高。如果筒体直径过小，由于旋风除尘器器壁与排
29、气管太近，造成较大直径颗粒有可能反弹至中心气流而被带走，使除尘效率降低。另外，筒体太小容易引起堵塞，尤其是对于黏性物料。因此，一般筒体直径不宜小于 5075mm，工程上常用的旋风除尘器的直径一般是在 200mm 以上。如今，旋风除尘器的直径也日趋大型化，已出现大于1000mm 的大型旋风除尘器。旋风除尘器在一定的几何形状和操作条件下，因直径的改变而引起除尘效率变化，可以近似用下面方法进行修正，即将原给定的分级效率曲线的横坐标值，乘以比值以后，按等效原则，进行平移，就可得到新的分级效率曲线。2.旋风除尘器高度H 通常，较高除尘效率的旋风除尘器，都有较大的长度比例。它不但使进入筒体的尘粒停留时间增
30、长，有利于颗粒分离，且能使尚未到达排气管中的颗粒，有更多的机会从旋流中分离出来，减少二次夹带。足够长的旋风除尘器，还可以避免旋转气流对灰斗顶部的磨损。但是过长的旋风除尘器，会占据较大的空间，尤其对于内置旋风除尘器来说，更受到设备内部空间的限制，因此，提出了旋风除尘器自然长度l这一概念，即从排气管下端至旋风除尘器自然旋转顶端的距离： （2-14）式中，de为排气管直径，m；De为筒体直径，m；a、b分别为旋风除尘器进口的高度、宽度，m。在设计中，旋风除尘器的高度H，应保证有足够的自然长度，但大于自然长度的过长旋风除尘器显然是不经济的。3.旋风除尘器进口(1)进口形式旋风除尘器的进口形式主要有轴向
31、进口和切向进口两种。切向进口又分为螺旋面进口、渐开线进口、切向进口。切向进口为最普通的一种进口形式，制造简单，用得比较多，这种进口形式的旋风除尘器外形尺寸紧凑。气流通过螺旋面进口，进入旋风除尘器后，以与水平呈近似10的倾斜角度，向下做螺旋运动。采用这种进口有利于气流向下做倾斜的螺旋运动，同时也可以避免相邻两螺旋气流的相互干扰。渐开线进口可以减少进口气流对筒体内气流的撞击和干扰。由于从蜗壳形进口进入筒体的气流宽度逐渐变窄，使颗粒向壁面移动的距离减小，而且加大了进口气体和排气管的距离，从而有利于颗粒分离。与其它进口形式相比蜗壳形进口处理气流量大，压力损失小，是比较理想的一种进口形式。轴向进口是最好的进口型式，它可以最大限度地避免进入气体与旋转气流之间的干扰，但因气体均匀分布于进口截面，使靠近中心处的颗粒分离效果很差。轴向进口常用于多管式旋风除尘器，为使进口气体产生旋转，一般多在进口处设置各种形式的叶片。(2)进口的形式与位置进口截面可以
