【正文】 Euler 法的特點是把顆粒相和連續(xù)流體相一樣看作連續(xù)介質(zhì)，并同時在歐拉坐標系中考察顆粒相和連續(xù)流體相的運動，其中最常用的歐拉方法是雙流體模型； EulerLagrange 法主要適用于解決連續(xù)相（氣體或液體）和分散相（如液滴或氣泡）組成的多相流動體系，在這種方法中，連續(xù)相介質(zhì)的運動由經(jīng)。雙流體模型將顆粒相看作是類似流體的連續(xù)相；擬顆 粒模型將顆粒相和流體相都處理為離散相；而顆粒軌道模型將流體相看作是連續(xù)相，顆粒相看作是離散相。由于在物理概念上易于理解，在理論研究中易于簡化模型進行研究和應(yīng)用，因此，近幾十年來，氣固兩相流運動引起了理論界和工程研究 部門的廣泛重視。 氣固 兩相流理論 機械回轉(zhuǎn)反吹袋濾器流場由含塵氣體運動形成，屬于氣固兩相流研究范疇 。 選擇求解器時需要考慮三個因素： ① 求解器的模型適應(yīng)性； ② 網(wǎng)格數(shù)與內(nèi)存容量（特別是在基于密度的求解器中選擇使用隱式格式，或在基于壓力的求解器中使用耦合算法時，需考慮此方面）； ③ 某些模型只在基于壓力的求解器中可供選擇，而某些模型只在基于密度的求解器中可供選擇 [38]。如果要考慮湍流和化學反應(yīng)時，還要加上湍流方程和化學組元方程。 （ 2） 求解方法 Fluent 中有兩種求解器，即基于壓力的求解器（ PressureBased Solver）和基于密度的求解器（ DensityBased Solver） [37]。 與源于泰勒級數(shù)的有限差分法相比， 有限體積法能保證其離散過程的守恒特性并保持其物理意義不變。對于二維問題，“有限元”類型可以采用三角形或四邊形的網(wǎng)格組合；對于三維問題，則可以采用四面體和六面體網(wǎng)格。與有限差分法相比，有限體積法的不足之處是難于建立二階以上的三維高階差分近似。用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格代替 結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，可以定義各種控制體的形狀和位置。有限體積法可以直接對物理空間內(nèi)守恒方程的積分形式進行離散，該方法最初是由 McDonald（ 1971）、 MacCormack 與 Paullay（ 1972）提出的，用來求解二維時域歐拉方程，后來由 Rizzi 和 Inouye（ 1973） [35]拓展到三維流動問題的求解。因此，離散化的目的就是將連續(xù)的偏微分方程組 及其定解條件按照某種方法遵循特定的規(guī)則在計算區(qū)域的離散網(wǎng)格上轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組，以得到連續(xù)系統(tǒng)的離散數(shù)值逼近解。 CFD 求解技術(shù) 計算流體力學求解過程 包括 兩步 ：第一步將偏微分方程及其輔助（邊界和初始）條件轉(zhuǎn)換為離散代數(shù)方程組，也就是我們熟悉的離散階段；第二步 是用數(shù)值方法來求解代數(shù)方程組。 kS 包含化學反應(yīng)放（吸）熱以及任何其它由用戶定義的體積熱源。 能量方程在 Fluent 中的定義如下： ? ? ? ?? ? ? ?? ?e f fe f f j i kE v E p k T h J v St ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? （ ） 其中， effk 為有效熱導率 ( eff fk k k?? ，其中 fk 為湍流引起的導熱率，由計算 中使用的模型 確定 )， iJ 為組分 i 的擴散通量。然而我們了解到，內(nèi)能 i 與溫度 T 之間存在一定關(guān)系，即pi CT? ，其中 pC 是比熱容。 （ 3）能量方程 [34] 能量守恒方程是從熱力學第一定律 推導 出來的 ： 能量隨時間的變化率 =熱量凈增加量 ? ?Q? +凈做功量 ? ?W? （ ） 上式物理意義為：流體機械能的變化率等于流體吸收熱量的變化率和流體做功變化率的總和。 SaintVenant 在 1843年， Stokes 在 1845 年獨立地提出黏性系數(shù)為一常數(shù)的形式，就是 NavierStokes 方程，簡稱 NS 方程。黏性 流體的運動方程首先由 Navier 在 1827 年提出，只考慮了不可壓縮流體的流動。 等式左邊第一項表示控制體 Vol 內(nèi)部質(zhì)量的增量；第二部分表示通過控制表面流入控制體的凈通量。流體通過控制面 1A 流入控制體，同時也會通過另一部分控制面 2A 流出控制體，在這期間控制體內(nèi)部的流體質(zhì)量也會發(fā)生變化。 基本控制方程 （ 1）連續(xù)性方程 [32,33] 流體流動的質(zhì)量守恒定律，就是物質(zhì)既不能被創(chuàng)造也不能被消滅。在物理學中，眾所周知，能量是守恒的，既不能憑空產(chǎn)生，也不能憑空消失； 那么 ，流體動力學控制方程就是自然界里 守恒定律 在物理學中具體的 數(shù)學表達式 。還能將輸出文件導入其它 專業(yè)的后處理軟件完成 ，如 常用的 Tecplot、 origin 和 EnSight 等 [30,31]。后處理可以利用商業(yè)求解器自帶的功能進行，如求解器 Fluent自身就帶有較為完善的后處理功能。 是用于計算 結(jié)構(gòu)與 非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的通用求解器，支持并行計算，分為單精度和雙精度兩種。依據(jù)不同的專業(yè)背景，選用不同類型的求解器。網(wǎng)格沒有問題，可以檢查計算域單位，設(shè)置好各種模型和參數(shù)， 同時還可以具體設(shè)置計算域的邊界條件，然后設(shè)置壓力與速度耦合方式、離散格式、欠松弛因子，最后對計算域進行初始化，并設(shè)置關(guān)鍵位置的監(jiān)測點， 就可以開始進行迭代計算了 。 對計算域劃分好網(wǎng)格后， 就 可定義邊界條件 ， 邊界條件定義好后便可以輸 出求解器所需要的 Mesh 文件 ，這樣就 順利地 完成 了前處理 過程 。在網(wǎng)格的質(zhì)量方面，應(yīng)該盡量使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。網(wǎng)格的數(shù)目和質(zhì)量對求解過程有著重要的 影響?？梢陨?Fluent 計算的網(wǎng)格，也能劃分 CAE 軟件的網(wǎng)格。在前處理器過程中，此文采用了 Gambit 這款前處理軟件。 CFD 解決實際問題一般分為 3 步：前處理、求解、后處理。此外， Fluent 包含了豐富的計算方法及多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，能夠獲得較好的收斂速度及計算精度。 它提供了完全的網(wǎng)格靈活性，用戶可以使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和 混合型非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格， 也 允許用戶根據(jù)解的東北大學碩士學位論文 第 2章 機械回轉(zhuǎn)反吹袋濾器的求解模型 7 具體情況對網(wǎng)格進行修改。而多孔介質(zhì)模型和多孔跳躍介質(zhì)模型是提出的比較適合 過濾的模型，尤其是多孔跳躍介質(zhì)模型是多孔介質(zhì)模型的一維簡化，具有更好的魯棒性和收斂性， 用來模擬袋式除塵器內(nèi) 溫度場 、流場 ，與試驗結(jié)果對比具有一定的可靠性，可以達到工程 上的應(yīng)用要求。 隨著 CFD 技術(shù)的成熟以及計算機速度的提升，目前除塵領(lǐng)域應(yīng)用 CFD 技術(shù)最多也最成熟 的是 旋風除塵器溫度場和流場的研究，對其它除塵器的研究相對較少。 CFD 應(yīng)用領(lǐng)域 CFD 應(yīng)用如今已遍及航空航天、船舶、能源、石油、化工、機械、制造 、生物、汽車、水處理、火山安全、冶金環(huán)境等眾 多領(lǐng)域。尤其是在高速飛行器的設(shè)計上， CFD 已經(jīng)成為不可或缺的工具之一。但隨著科技水平的不斷提高，計算機和算法都有了突破性的發(fā)展 ，刺激了 CFD 技術(shù)的快速發(fā)展 。 在上世紀 50 年代，還沒有出現(xiàn) 今天所謂的 CFD，直至 1970 年， 在一些對稱管道內(nèi)部液體的流動形式上， CFD 才有了初步的應(yīng)用。 東北大學碩士學位論文 第 2章 機械回轉(zhuǎn)反吹袋濾器的求解模型 6 因此， CFD 的本質(zhì)就是解方程，針對具體的物理流動現(xiàn)象選用合適的模型，然后求解方程并得出 速度場等結(jié)果。但 NavierStokes 方程對時間做平均處理后，控制方程組并不封閉，因此需要人為構(gòu)造額外的方程，使方程組封閉，這個構(gòu)造額外方程的過程就是建立湍流封閉模式， 即建立湍流 模型過程。由于 NavierStokes 方程本質(zhì)的非線性和邊界條件 難處理，所以求解 NavierStokes方程非常困難。 根據(jù)流體力學知識，自然界所有的流動現(xiàn)象都可以用連續(xù)性方程（即質(zhì)量守恒方程）和 NavierStokes 方程（即動量守恒方程）來描述 [25]。通過CFD 技術(shù)，我們可利用計算機分析并顯示流場中的現(xiàn)象，從而能在較短的時間內(nèi) 預測流場 溫度場的情況 。 CFD 概述 計算流體力學 英文名稱 簡寫為 CFD（ Computational Fluid Dynamics），它可以定義為一個系統(tǒng)，該系統(tǒng) 分析 了計算域中 流體流動和熱傳導等一系列物理現(xiàn)象 ，并利 用計算機來進行相關(guān)的數(shù)值計算與圖像顯示 [23]。近年來隨著 CFD 技術(shù)的發(fā)展，為開發(fā)設(shè)計不同結(jié)構(gòu)形式的設(shè)備提供了有利的工具，對工業(yè)設(shè)計和產(chǎn)品研發(fā)開拓了新的思路。傳統(tǒng)除塵器在很大程度上是根據(jù) 設(shè)計人員的經(jīng)驗參數(shù)而設(shè)計，再由試驗實際工作的參數(shù)進行檢驗并優(yōu)化各參數(shù)，可能會造成許多由于設(shè)計參數(shù)的不合理而引起的渦流、回流以及內(nèi)部壓力場、速度場分布的不均勻，進而導致除塵效率的偏低和運行阻力偏大等問題。東北大學碩士學位論文 第 2章 機械回轉(zhuǎn)反吹袋濾器的求解模型 5 第 2 章 機械回轉(zhuǎn)反吹袋濾器的求解模型 隨著我國進入信息和科技時代，伴隨著工業(yè)的迅猛發(fā)張，大氣污染越來越嚴重。通過研究，可以分析最優(yōu)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)，為解決減少阻力損失、提高除塵效率等問題提供理論依據(jù)。在大型結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變分析、穩(wěn)定性分析、傳熱分析、電磁場分析、流體分析等方面扮演著越來越重要的角色 [21]。 本課題應(yīng)用 CFD 計算軟件 Fluent 對機械回轉(zhuǎn)反吹 袋濾 器在工作時的溫度場和流場進行數(shù)值模擬，用到傳熱學和流體力學領(lǐng)域的知識。 （ 5）研究褐煤顆粒的運動軌跡及各濾袋在不同條件下的流量分配系數(shù) 情況 。 （ 3） 分別對氣相除塵過程、褐煤 顆粒相除塵過程 進行模擬，對后處理得到的云圖、曲線圖 進行對比分析和研究。 本課題借助計算流體力學軟件 CFD， 對機械回轉(zhuǎn)反吹袋濾器除塵過程 進行溫度場和東北大學碩士學位論文 0 緒論 4 流場的數(shù)值模擬，具體實施方案如下： （ 1） 根據(jù)機械回轉(zhuǎn)反吹袋濾器 的規(guī)格和工況條件，對模型進行分析并簡化，在Gambit 中建立模型并劃分網(wǎng)格，設(shè)置合適的邊界條件類型。 尋求計算機械回轉(zhuǎn)反吹袋濾器流場和溫度場合適的 網(wǎng)格劃分方法，理論模型的選擇方法和數(shù)值計算方法。 目前這種除塵器過濾面積最大可達 2022 2m ，濾袋 袋 長 7m，此外還開發(fā)出 了 內(nèi)濾式回轉(zhuǎn)反吹袋濾器和雙層圓袋回轉(zhuǎn)反吹袋濾器 [20]。 機械回轉(zhuǎn)反吹 袋濾 器是目前應(yīng)用最廣泛的一種袋式除塵器 , 特別適用于中小型塵源 [19]。 我國燃煤引起的大氣污染，包括粉塵污染是十分嚴重的，我國現(xiàn)行的鍋爐煙塵排放標準與國際標準相比還是相對較低，隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展和人民生活水平的逐步提高，今后我國環(huán)境保護標準也必將會日趨嚴格。在國外，許多燃燒低硫煤的火電廠使用袋式除塵器。所以燃煤電廠、水泥廠的塵源點、垃圾焚燒廠和 鋼鐵廠的煙氣處理，絕大部分采用的是袋式除塵器。 與靜電除塵技術(shù)相比，我國袋式除塵技術(shù)起步較晚，然而隨著技術(shù)的不斷提高進步，袋式除塵技術(shù)的優(yōu)點也越來越顯著。自靜電除塵器 （ ESP） 被應(yīng)用于工業(yè)以來，已發(fā)展成為一種公認的高效除塵裝置，效率可達到 99%以上 [16]。 美國久益公司的反吹清灰袋式除塵器，由哈爾濱環(huán)保設(shè)備研究所引進后開發(fā)了 HJL型分室反吹袋式除塵器，每室 204條 濾袋，濾袋長約 10m，過濾風速 minm ，總過濾面積可達 16000 2m ，采用玻纖濾料，美國已大量用于電站鍋爐除塵器中，這種除塵器采用薄板式提升閥代替國內(nèi)傳統(tǒng)的箱式切換閥，其漏風率只有 %，并采用設(shè)備內(nèi)部潔凈氣體反吹，使反吹系統(tǒng)始終處于潔凈、干燥、不結(jié)露狀態(tài)。 美國富爾公司的分室反吹袋式除塵器 [13]，由平頂山電除塵器廠生產(chǎn)，結(jié)構(gòu)上分成為標準型和用戶型，處理風量在 hm202200 3 時采用標準型， M6000型（每單元過濾面積10000 2ft ）及 M7500型（每單元過濾面積 7500 2ft ），濾袋長為 8～ 9m。 機械回轉(zhuǎn)反吹袋濾器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 回轉(zhuǎn)反吹袋濾器是日、美等工業(yè)發(fā)達國家于六十年代開發(fā)的一種新穎袋濾器。 本課題主要是對機械回轉(zhuǎn)反吹 袋濾 器的溫度場和流場進行數(shù)值模擬，分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)果，作為機械回轉(zhuǎn)反吹 袋濾 器優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運行參數(shù)、提高除塵效率和節(jié)約能源的重要依據(jù)，實現(xiàn)高效低阻。 袋式除塵器發(fā)展的兩個關(guān)鍵技術(shù)，其一就是有適應(yīng)不同工況的優(yōu)質(zhì)濾料；其二，要求 強勁可靠地清灰機構(gòu)，控制設(shè)備的阻力。 課題研究目的 隨著科學技術(shù)的發(fā)展，機械回轉(zhuǎn)反吹 袋濾 器在工業(yè)應(yīng)用中越來越重要。 由于布袋除塵器在除塵設(shè)備中不可替代的地位 ， 越來越多的廠家 把目光投到布袋除塵器的生產(chǎn)及研究開發(fā)領(lǐng)域 [9]。 機械回轉(zhuǎn)反吹 袋濾器 是由 布袋除塵器和 旋風除塵器 科學有機的 結(jié)合，使原為二級除塵的兩個龐大體系簡化設(shè)計成一體的單臺設(shè)備，其布袋成圓 形布置于圓形殼體內(nèi)，含塵氣流入口按旋風除塵器的流型設(shè)計， 環(huán)形方式 進入筒體 ，在離心力的作用下，能有效地分離出 大部分固體顆粒 ，由除塵器的排料口直接排出， 一部分固體顆粒 隨氣流在除塵器內(nèi)上升，呈浮游狀態(tài)而布滿整個圓柱 形的 過濾 室，在空氣壓差的作用下，空氣進入濾袋，粉塵被阻留在濾袋外 表 面，在 反吹風的 作用下 顆粒 被吹離濾袋表面并在重力