CN1699951A - 除尘器气流分布数字实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明分开一种的能测量分析除尘器内部气流分布状况及除尘器内整体的气流组织状况的数字实验方法。它包括对气流分布的参数根据经验或类比做出基本设定，计算机建模并生成计算网格，在软件中设定边界条件，选择计算模型，通过求解，可以获得定量描述除尘器内部流场的数值解；发明数字实验可以克服了传统方法的不足之处，有效地获得除尘器内部整体气流流型，大幅度降低了实验成本和时间。

Description

除尘器气流分布数字实验方法

技术领域

本发明涉及一种的除尘器气流分布实验方法，特别涉及能测量分析除尘器内部气流分布状况及除尘器内整体的气流组织状况的数字实验方法。

背景技术

目前，研究气流分布的方法是模型实验的方法，一般的气流分布实验台由风机、模型以及管道构成的。但是，这种实验装置功能单一，用模型实验的方法时，只能测出几个电场的进出口断面气体速度分布状况，对整个电除尘器内整体的气流组织很难了解清楚；而且，采用模型实验法时，花费的成本、时间相对较多，造成人力、物力、时间的浪费。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种除尘器气流分布数字实验方法，该实验方法不仅能有效测量各种除尘器内任一断面的气体速度分布状况，而且能方便得到除尘器内整体的气流组织和进出口管道内气流分布状况，该实验方法能适用各种除尘器气流分布的实验。

本发明的设想是：首先对气流分布的参数凭经验做出初始设定，应用这些参数建立数值模拟的几何模型，并生成网格。接着采用数值计算的原理进行计算，可以获得计算区域内任一点的气流速度值，将除尘器的原型通过计算机编程专门的网格划分软件划分成许多的小的计算区域(网格)，将计算区域划分为一系列不重叠的控制体积，并使每个网格点周围有一个控制体积，将待解的微分方程对每一个控制体积进行积分，得出一组离散方程。然后，采用计算机编程或专门的计算软件求解已离散控制方程，可以得到求解区域内任一点的气流速度值。该方法采用计算机模拟，从而达到了快速获得计算区域内气体速度的目的。

为解决上述技术问题，本发明解决问题的技术方案是：它包括下列方法：

(1)根据除尘器的类型，先确定一种除尘器形式；

(2)对气流分布的参数根据经验或类比做出基本设定，气流分布的参数包括气流分布板层数、各层的开孔率、孔径、导流板的间距和尺寸，这些参数和模型实验的设定方法相同；

(3)根据除尘器的尺寸和这些参数进行计算机建模并生成计算网格文件，并保存到磁盘上；根据除尘器的尺寸和这些参数进行计算机建模并生成计算网格，网格的数量控制在1500000～2500000个之间效果最佳

(4)在计算机上启动计算流体软件，读入已经建立好的网格文件，在软件中设定边界条件，进口边界条件设定为速度进口边界条件，出口边界条件采用压力出口边界条件，气流分布板采用多孔介质边界条件，导流板采用固体壁面的边界条件；

采用编程或计算流体力学的软件，在计算机上计算求解控制方程，根据计算流体力学的原理，控制方程有连续性方程：

$\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂t}+\frac{\∂}{\∂x_i}\left(\mathrm{\ρ}{u}_i\right)=S_m$

动量守恒方程：

$\frac{\∂}{\∂t}\left(\mathrm{\ρ}{u}_i\right)+\frac{\∂}{\∂x_j}\left(\mathrm{\ρ}{u}_i{u}_j\right)=-\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂x_i}+\frac{\∂{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}}{\∂x_j}+\mathrm{\ρ}{g}_i+F_i$

能量方程为：

$\frac{\∂}{\∂t}\left(\mathrm{\ρE}\right)+\frac{\∂}{\∂x_i}\left(u_i(\mathrm{\ρE}+p)\right)=-\frac{\∂}{\∂x_i}(k_{\mathrm{eff}}\frac{\∂T}{\∂x_i}-\underset{j^{\′}}{\mathrm{\Σ}}{h}_{j^{\′}}{J}_{j^{\′}}+u_j({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}{)}_{\mathrm{eff}})+S_h$

(5)边界条件设定好后，就需要进行选择计算模型；

(6)边界条件和模型设置完后就可以进行计算求解，通过求解，可以获得定量描述除尘器内部流场的数值解；

(7)根据计算的结果判断气流分布是否达到要求，依据是：对于电除尘单元判断一电场进口断面的相对均方根差系数σr值是否小于0.20

${\mathrm{\σ}}_r=\sqrt{\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left[\frac{v_i-\stackrel{\‾}{v}}{\stackrel{\‾}{v}}\right]}^2}$

对于袋式除尘单元要求烟气流量按一定的比例进入预定空间，均匀输送和分配到各个滤袋单元。

对于电-袋复合式除尘器，既要判别电除尘单元进口端断面的相对均方根差系数σr值是否小于0.20，同时也要判断袋除尘单元进口断面流量分配是否按一定比例(如图16所示)在要求区域分配。

如果同时达到要求，说明这组参数已经能满足要求，可以利用这组参数来进行设计。否则，根据计算结果，修改初始设定值，重新计算。

(8)当气流分布满足要求后，保存、处理、气流分布的参数，给出数值分析报告。

本发明的有益效果是，本发明数字实验可以克服了传统方法的不足之处，有效地获得除尘器内部整体气流流型，大幅度降低了实验成本和时间。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的数字实验原理图；

图2是实施例1电除尘器结构图；

图3是实施例1计算机几何模型图；

图4是实施例1计算网格图；

图5是实施例1计算结果图；

图6是实施例1一电场进口计算结果图；

图7是实施例1保存数据；

图8是实施例2几何模型图；

图9是实施例2计算网格图；

图10是实施例2计算结果图；

图11是实施例3结构图；

图12是实施例3几何模型图；

图13是实施例3计算网格图；

图14是实施例3计算结果图；

图15电-袋复合式除尘器的流量分配图；

图16直通进气袋式除尘器的流量分配图。

具体实施方式

在图1中给出了采用计算流体力学软件进行数字实验的过程。

(1)根据除尘器的类型，先确定一种除尘器形式。

(2)对气流分布的参数根据经验或类比做出基本设定。气流分布的参数包括气流分布板层数、各层的开孔率、导流板的间距和尺寸等。这些参数和模型实验的设定方法相同。

(3)根据除尘器的尺寸和这些参数进行计算机建模并生成计算网格，(例如采用Fluent公司的Gambit软件)。文件并保存到磁盘上，网格的数量一般控制在1500000～2500000个之间。

(4)在计算机上启动计算流体力学软件(例如Fluent软件)，读入已经建立好的网格文件，在软件中设定边界条件，进口边界条件设定为速度进口边界条件，出口边界条件采用压力出口边界条件，气流分布板采用多孔介质边界条件，导流板采用固体壁面的边界条件。

采用编程或计算流体力学的软件，在计算机上计算求解控制方程，根据计算流体力学的原理，控制方程有连续性方程：

$\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂t}+\frac{\∂}{\∂x_i}\left(\mathrm{\ρ}{u}_i\right)=S_m$

动量守恒方程：

$\frac{\∂}{\∂t}\left(\mathrm{\ρ}{u}_i\right)+\frac{\∂}{\∂x_j}\left(\mathrm{\ρ}{u}_i{u}_j\right)=-\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂x_i}+\frac{\∂{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}}{\∂x_j}+\mathrm{\ρ}{g}_i+F_i$

能量方程为：

$\frac{\∂}{\∂t}\left(\mathrm{\ρE}\right)+\frac{\∂}{\∂x_i}\left(u_i(\mathrm{\ρE}+p)\right)=-\frac{\∂}{\∂x_i}(k_{\mathrm{eff}}\frac{\∂T}{\∂x_i}-\underset{j^{\′}}{\mathrm{\Σ}}{h}_{j^{\′}}{J}_{j^{\′}}+u_j({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}{)}_{\mathrm{eff}})+S_h$

(5)边界条件设定好后，就需要进行选择计算模型。例如，计算模型包括湍流模型、数值格式、离散格式等。湍流模型选择标准k-ε模型，数值格式分离式的求解方法，离散格式选用二阶格式。

(6)边界条件和模型设置完后就可以进行计算求解，通过求解，可以获得定量描述除尘器内部流场的数值解。

(7)检验气流分布是否达到要求。

对电除尘器来说，气流分布要求各电场进出口断面气流速度的相对标准差在一定范围内，要求第一电场进口端断面的相对均方根差系数σr小于0.20：

${\mathrm{\σ}}_r=\sqrt{\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left[\frac{v_i-\stackrel{\‾}{v}}{\stackrel{\‾}{v}}\right]}^2}$

根据计算的结果来检验第一电场进口端断面的相对均方根差系数σr值是否小于0.20，如果已经小于0.20说明这组参数已经能满足要求，可以利用这组参数来进行设计。否则，根据计算结果，修改初始设定值，重新计算。

对直通式袋式除尘器也是同样的原理，只是判别气流分布是否达到要求是根据袋式除尘器进口断面流量分配是否按一定比例(如图15所示)在要求区域分配。从而根据计算的结果来检验进口端断面的流量分配是否达到这一比例，如果达到，说明这组参数已经能满足要求，可以利用这组参数来进行设计。否则，根据计算结果，修改初始设定值，重新计算。

对于电-袋复合式除尘器，既要判别电除尘单元进口端断面的相对均方根差系数σr值是否小于0.20，同时也要判断袋除尘单元进口断面流量分配是否按一定比例(如图16所示)在要求区域分配，如果同时达到要求，说明这组参数已经能满足要求，可以利用这组参数来进行设计。否则，根据计算结果，修改初始设定值，重新计算。

(8)气流分布满足要求后，保存、处理、气流分布的参数，给出数值分析报告。

实施例1

电除尘器的实施例。电除尘器的型号为GD180/2-III。首先整理电除尘器的尺寸和参数。启动Gambit软件，根据电除尘器的尺寸和参数进行几何建模，如下图2、图3所示。

网格划分。由于使用二维模型，生成5545个网格如图4所示。

在计算机上启动Fluent软件，读入网格文件。

设定边界条件。进口边界条件设定为速度进口边界条件，出口边界条件采用压力出口边界条件，气流分布板采用多孔介质边界条件，导流板采用固体壁面的边界条件。

选择计算模型。湍流模型选择标准k-ε模型，数值格式分离式的求解方法，离散格式选用二阶格式。

计算求解。解出的结果见图5、图6。

可以取任一断面的数据，取一电场进口，保存数据(见图7)：

检验气流分布是否达到要求。根据计算值计算相对均方根差系数σr值是否小于0.20。

进行模型实验验证数值计算的结果。锅炉预热器出口至2台电除尘器4个进口喇叭，烟气管道形状相同，对称布置，2台电除尘器4个出口喇叭后，分别设置型号相同风机1套。因此电除尘器各单室处理气量相等，进口喇叭前烟气流动状态相同。实验模型按GD180/2-III电除尘器单室设计，模型比例1∶10。经过调整后，根据实验数据计算的σr＝0.11，根据数字实验计算的σr＝0.10。实验数据如下：

流速(m/s)	L1	L2	L3	L4	L5
						H1	2.20	2.05	1.95	2.35	2.55
H2	2.05	2.05	1.80	2.40	2.30
						H3	1.88	1.75	1.92	2.05	2.10
H4	2.05	2.20	2.00	2.30	1.85
						H5	2.30	1.75	1.95	2.00	1.95
H6	1.80	2.08	2.40	1.98	1.75
						H7	1.75	1.90	1.95	1.82	1.90

实施例2

直通式袋式除尘器实施例。直通式袋式除尘器的型号为MC-D-12，首先整理电除尘器的尺寸和参数。启动Gambit软件，根据袋式除尘器的尺寸和参数进行几何建模，如下图8。

网格划分。由于使用二维模型，生成46994个网格如上。图9所示。

在计算机上启动Fluent软件，读入网格文件。

设定边界条件。进口边界条件设定为速度进口边界条件，出口边界条件采用压力出口边界条件，气流分布板和滤袋采用多孔介质边界条件，导流板采用固体壁面的边界条件。

选择计算模型。湍流模型选择标准k-ε模型，数值格式分离式的求解方法，离散格式选用二阶格式。

计算求解。解出的结果见图10。

进行模型实验验证数值计算的结果。模型比例1∶8，模拟范围从预热器出口至引风机全部管道，模型和实型流动处在同一自模区内。测试断面和见图2。现场测试断面I尺寸宽×高＝5900×7000mm，断面II尺寸宽×高＝5900×4383mm，断面尺寸III宽×高＝960×11830，测量结果见下表。从实验的结果可以看出数值模拟的结果与实验的结果是一致的。

数值模拟、模拟实验的结果比较

流量百分比(％)	断面I	断面II	断面III
				数值模拟	28.2	41.2	30.6
模拟实验	31.3	40.3	28.4

实施例3

直通进气电-袋复合式除尘器的实施例。首先整理电除尘器的尺寸和参数。启动Gambit软件，根据直通进气电-袋复合式除尘器的尺寸和参数进行几何建模，如图11、图12。

由于使用二维模型，生成14808个网格如图13所示。

在计算机上启动Fluent软件，读入网格文件。

设定边界条件。进口边界条件设定为速度进口边界条件，出口边界条件采用压力出口边界条件，气流分布板采用多孔介质边界条件，导流板采用固体壁面的边界条件。

选择计算模型。湍流模型选择标准k-ε模型，数值格式分离式的求解方法，离散格式选用二阶格式。

计算求解。解出的结果见图14。

检验气流分布是否达到要求。首先是电除尘单元进口，进行模型实验验证数值计算的结果。模型比例1∶8，模拟范围从预热器出口至引风机全部管道，模型和实型流动处在同一自模区内。根据实验数据计算的σr＝0.15，根据数字实验计算的σr＝0.16。

                             实验数据

流速(m/s)	L1	L2	L3	L4	L5
						H1	2.23	2.04	2.25	2.09	2.10
H2	1.95	2.00	1.84	2.43	2.20
						H3	1.85	1.90	2.00	1.95	1.60
H4	1.60	2.18	1.95	2.10	1.82
						H5	2.14	1.85	2.23	1.50	1.30
H6	1.85	1.90	1.85	2.00	1.50
						H7	1.80	1.88	2.10	1.85	1.70

袋式除尘单元测试断面和见图16。测量结果见下表，从实验的结果可以看出数值模拟的结果与实验的结果是一致的。

                 数值模拟、模拟实验的结果比较

流量百分比(％)	断面I	断面II	断面III	断面IV
					数值模拟	14.1	43.6	13.7	28.6
模拟实验	14.5	41.8	16.2	27.5

Claims (2)

1、一种电-袋复合式除尘器气流分布数字实验方法，其特征是：它包括下列方法：

(1)根据除尘器的类型，先确定一种除尘器形式；

(2)对气流分布的参数根据经验或类比做出基本设定，气流分布的参数包括气流分布板层数、各层的开孔率、孔径、导流板的间距和尺寸，这些参数和模型实验的设定方法相同；

(3)根据除尘器的尺寸和这些参数进行计算机建模并生成计算网格文件，并保存到磁盘上；

(4)在计算机上启动计算流体软件，读入已经建立好的网格文件，在软件中设定边界条件，进口边界条件设定为速度进口边界条件，出口边界条件采用压力出口边界条件，气流分布板采用多孔介质边界条件，导流板采用固体壁面的边界条件；

采用编程或计算流体力学的软件，在计算机上计算求解控制方程，根据计算流体力学的原理，控制方程有

连续性方程：

$\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂t}+\frac{\∂}{\∂x_i}\left(\mathrm{\ρ}{u}_i\right)=S_m$

动量守恒方程：

$\frac{\∂}{\∂t}\left(\mathrm{\ρ}{u}_i\right)+\frac{\∂}{\∂x_j}\left(\mathrm{\ρ}{u}_i{u}_j\right)=-\frac{\∂p}{\∂x_i}+\frac{{\∂\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}}{\∂x_j}+\mathrm{\ρ}{g}_i+F_i$

能量方程为：

$\frac{\∂}{\∂t}\left(\mathrm{\ρE}\right)+\frac{\∂}{\∂x_i}\left(u_i(\mathrm{\ρE}+p)\right)=\frac{\∂}{\∂x_i}(k_{\mathrm{eff}}\frac{\∂T}{\∂x_i}-\underset{j^{\′}}{\mathrm{\Σ}}{h}_{j^{\′}}{J}_{j^{\′}}+u_j{\left({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}\right)}_{\mathrm{eff}})+S_h$

(5)边界条件设定好后，就需要进行选择计算模型；

(6)边界条件和模型设置完后就可以进行计算求解，通过求解，可以获得定量描述除尘器内部流场的数值解；

(7)根据计算的结果判断气流分布是否达到要求，依据是：对于电除尘单元判断一电场进口断面的相对均方根差系数σr值是否小于0.20

${\mathrm{\σ}}_r=\sqrt{\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left[\frac{v_i-\stackrel{\‾}{v}}{\stackrel{\‾}{v}}\right]}^2}$

对于袋式除尘单元要求烟气流量按一定的比例进入预定空间，均匀输送和分配到各个滤袋单元。

对于电-袋复合式除尘器，既要判别电除尘单元进口端断面的相对均方根差系数σr值是否小于0.20，同时也要判断袋除尘单元进口断面流量分配是否按一定比例(如图16所示)在要求区域分配。

如果同时达到要求，说明这组参数已经能满足要求，可以利用这组参数来进行设计。否则，根据计算结果，修改初始设定值，重新计算。

(8)当气流分布满足要求后，保存、处理、气流分布的参数，给出数值分析报告。

2、根据权利要求1所述的电-袋复合除尘器气流分布数字实验方法，其特征是：根据除尘器的尺寸和这些参数进行计算机建模并生成计算网格，网格的数量控制在1500000～2500000个之间效果最佳。

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