丝网除沫器除沫效率的数值模拟.docxVIP

Oct. 20 14 2 0 1 4 年 10 月Nuclear Power Engineering文章编号：0258-0926(2014)05-0172-06；doi：10.13832/j.jnpe.2014.05.0172丝网除沫器除沫效率的数值模拟沈胜强，甄妮，牟兴森大连理工大学能源与动力学院, 辽宁大连，116024摘要：在交错排列矩阵模型的基础上，采用丝网除沫器内部流场和液滴惯性撞击过程的数值模拟方法，计算得到网丝捕集效率和除沫效率，其结果与实验结果有较好的一致性。基于数值计算结果分析了丝网除沫 器的结构参数对除沫效率和捕集效率的影响，以及斯托克斯数与网丝捕集效率的关系。关键词：丝网除沫器；除沫效率；网丝捕集效率；交错矩阵模型中图分类号：TQ028.2文献标志码：A0 引 言丝网除沫器用于除去气流中携带的低浓度液滴，对于直径在 5～100 μm 范围内的液滴具有较 高的分离效率。将液滴从气流中分离出来可以对 产品进行回收，提高产品纯度，保护下游设备， 避免不必要的反应以及控制污染物的排放。丝网 除沫器的分离机理主要有 3 种：惯性撞击、直接 拦截和扩散拦截[1]。由于丝网除沫器结构的复杂 性，一些学者通过研究各种典型的液滴捕捉机理 来预测丝网除沫器的性能。梁刚涛等[2]对液滴撞击不同直径的金属丝进行了实验观测，发现金属 丝直径-液滴曲率比会对撞击后的现象产生重要 影响；张振中等[3]采用 Kuwabala 流场模型模拟计 算了除雾器对于 5～10 μm 水滴的过滤效率； Holmes 和 Chen[4]的研究表明，只有惯性撞击是影 响丝网除沫器分离效率的最主要机理。因此，在 研究丝网除沫器分离效率时，可以仅仅考虑惯性撞击的影响，而忽略其他两种机理。 为了建立一种预测丝网除沫器在没有二次携带条件下的除沫效率的有效方法，本文应用一种 简单有效的交错矩阵模型，通过模拟计算获得网 丝捕集效率，从而得到丝网除沫器的效率。根据 前人的结论，本文仅考虑惯性撞击机理对丝网除 沫器除沫过程的影响。为了证明这种模型的可行 性，将计算结果与实验数据和理论公式进行对比验证。另外，探讨了丝网除沫器的网丝直径、填 充密度和厚度对除沫效率的影响，以及表征惯性撞击的无量纲参数斯托克斯数 Stk 与网丝捕集效率的关系。1 除沫器模型及模拟方法在丝网除沫器的内部，丝网排列和布置并不 是完全规则的，建立完全一致的物理模型进行计 算有难度。由于丝网除沫器的基本结构元件是几 何形状为圆柱的网丝，因此可以通过分析液滴在 丝网除沫器流场中的一个简单圆柱体上的沉积现象来研究丝网除沫器的除沫效率。通常可以假定 网丝的排列是规则的，最常用的假设模型之一是 交错排列矩阵模型。1.1 流场模拟方法为了模拟丝网除沫器捕捉液滴的过程，需要计算除沫器的内部流场，以及液滴与流体之间的 相互作用。本文采用交错圆柱矩阵模型模拟除沫 器的内部流场（图 1）。表征惯性撞击的无量纲参数 Stk，定义为颗粒 的停止距离与障碍物的特征尺寸的比值。对于丝 网除沫器，特征尺寸即为网丝直径，Stk 可表示为：图 1 交错圆柱矩阵模型示意图Fig. 1 Staggered Array Model收稿日期：2013-09-13；修回日期：2014-04-30基金项目：国家自然科学基金重点项目；高等学校博士学科点专项科研基金(20110041110032)沈胜强等：丝网除沫器除沫效率的数值模拟17318?g? U D2C Red g dFD ?D（10）Stk ?（1）2?d Dd2418?g Dw式中，Re 为相对雷诺数（颗粒雷诺数）；CD 为曳力系数。其表达式分别为：式中，ρd 为液滴密度；Ug 为流体表面流速；Dd为液滴直径；μg 为流体粘度；Dw 为网丝直径。 圆柱阵列的垂直间距和水平间距分别为 2h和 2l。填充率，即网丝的体积分数，可以表示为：? d u ? uRe ?d d（11）?? aa2? ? πDw23C ? a?（12）（2）D12ReRe16hl式中，a1、a2、a3 根据相对雷诺数的范围取值[5]。为了计算丝网除沫器的分离性能，引入网丝 捕集效率的定义：在丝网除沫器内部，被其中一 个网丝捕集的液滴数与流经网丝在上游投影面的 液滴数之比。本文仅考虑惯性撞击机理对除沫效 率的影响，惯性撞击产生的捕集效率为 EI。当气 流绕过一个圆柱时，液滴开始与气流作相对运动， 然后撞击在圆柱表面。在稳定条件下，存在一个 界线流轨——它使被捕集的液滴的流轨与未达到 网丝或未被捕集的液滴的流轨相分离。因此捕集 效率可以表示为：假设流体流经交错圆柱矩阵的流动为二维、稳态、不可压流动，并假设流动呈周期性变化， 即单元格 cedf 中的流动是单元格