工程科学学报，第39卷，第3期：449-455,2017年3月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.3:449-455,March 2017 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2017.03.018:http://journals.ustb.edu.cn 棒式文丘里除尘器气液两相流阻力特性 夏毅敏”四，杨端”，胡承欢”，唐浦华12)，卜英勇” 1)中南大学机电工程学院，长沙4100832)长沙学院机电工程系，长沙410003 区通信作者，E-mail:xiaymj@csu.cdu.cn 摘要为了掌握棒式文丘里除尘器内气液两相流的阻力特性，基于多相流理论，建立其三维C℉D模型，研究分析棒间距、 除尘风量和液气比对棒式文丘里除尘器阻力特性的影响，并建立了阻力预测公式以及三者之间的关系式.结果表明：文丘里 棒层与下筒体的压力损失随着棒间距的减小和风量的增大呈幂指数关系增大，随着液气比的增大呈近线性增大：上筒体的压 力损失与风量呈近平方关系：通过与实验数据对比，关系式最大误差为16.88%，验证了其有效性 关键词棒式文丘里：阻力特性；两相流：数值模拟 分类号U455.3·1 Resistance characteristics of gas-liquid two-phase flow in stick venturi scrubbers XIA Yi-min,YANG Duan,HU Cheng-huan,TANG Pu-hua2,BU Ying-yong 1)School of Mechanical and Electrical Engineering,Central South University,Changsha 410082,China 2)School of Mechanical and Electrical Engineering,Changsha University,Changsha 410082,China Corresponding author,E-mail:xiaymj@csu.edu.cn ABSTRACT In order to grasp the resistance characteristics of gas-liquid two-phase flow in stick venturi scrubbers,based on the multiphase flow theory,a three-dimensional CFD model was established.The impacts of stick spacing,air flow and liquid-gas ratio on the pressure loss were studied,and a resistance characteristic model was established.The relationship among stick spacing,air flow and liquid-gas ratio was obtained based on the resistance characteristic model.The results show that the pressure loss between the venturi bar layer and the lower cylinder increases in power exponent with the decrease of stick spacing and the increase of air flow,and it increases in linear with the increase of liquid-gas ratio.The pressure loss of the upper cylinder increases in quadratic with the increase of air flow.The max error between the resistance characteristic model and experimental data is 16.88%,which verifies the model effectiveness. KEY WORDS stick venturi;resistance characteristics:two-phase flow;numerical simulation 文丘里除尘器是一种构造简单，除尘效率高的湿确的预测了高压文丘里除尘器的压力损失. 式除尘器，由于其具有占地少，能够有效处理含易燃、 Viswanathan☒通过实验方法对McInnis-一Bischoff可变 易黏着粉尘的气体的特点，目前已广泛应用到矿井、隧喉管文丘里除尘器压力损失进行了研究分析，建立了 道工程中.然而由于文丘里除尘器中高速气流的动能 简化的压力损失经验公式.Silva等国搭建了一个大型 要用于雾化和加速液滴，因此压力损失要大于其他湿 多功能文丘里管试验台用于测量工业应用中所需的相 式除尘器.为了更好的掌握文丘里除尘器的阻力特 关参数，并建立了可靠的实验数据库.Nasseh等使 性，许多学者已开展了相关的研究.Sun等0通过建立 用人工神经网络建立了文丘里除尘器的压力损失预测 文丘里除尘器气相边界层的发展与分离模型，较为准 模型，并通过遗传算法对其进行了优化，该模型较传统 收稿日期：2016-0602 基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目(2012AA041801):国家重点研发计划资助项目(2016YFC0209300):中南大学中央高校基本科 研业务费专项资金资助项目(2016zs292)
工程科学学报，第 39 卷，第 3 期: 449--455，2017 年 3 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 39，No． 3: 449--455，March 2017 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2017． 03． 018; http: / /journals． ustb． edu． cn 棒式文丘里除尘器气液两相流阻力特性 夏毅敏1) ，杨 端1) ，胡承欢1) ，唐浦华1，2) ，卜英勇1) 1) 中南大学机电工程学院，长沙 410083 2) 长沙学院机电工程系，长沙 410003 通信作者，E-mail: xiaymj@ csu． edu． cn 摘 要 为了掌握棒式文丘里除尘器内气液两相流的阻力特性，基于多相流理论，建立其三维 CFD 模型，研究分析棒间距、 除尘风量和液气比对棒式文丘里除尘器阻力特性的影响，并建立了阻力预测公式以及三者之间的关系式． 结果表明: 文丘里 棒层与下筒体的压力损失随着棒间距的减小和风量的增大呈幂指数关系增大，随着液气比的增大呈近线性增大; 上筒体的压 力损失与风量呈近平方关系; 通过与实验数据对比，关系式最大误差为 16. 88% ，验证了其有效性． 关键词 棒式文丘里; 阻力特性; 两相流; 数值模拟 分类号 U455. 3 + 1 Ｒesistance characteristics of gas--liquid two-phase flow in stick venturi scrubbers XIA Yi-min1) ，YANG Duan1) ，HU Cheng-huan1) ，TANG Pu-hua1，2) ，BU Ying-yong1) 1) School of Mechanical and Electrical Engineering，Central South University，Changsha 410082，China 2) School of Mechanical and Electrical Engineering，Changsha University，Changsha 410082，China Corresponding author，E-mail: xiaymj@ csu． edu． cn ABSTＲACT In order to grasp the resistance characteristics of gas--liquid two-phase flow in stick venturi scrubbers，based on the multiphase flow theory，a three-dimensional CFD model was established． The impacts of stick spacing，air flow and liquid--gas ratio on the pressure loss were studied，and a resistance characteristic model was established． The relationship among stick spacing，air flow and liquid--gas ratio was obtained based on the resistance characteristic model． The results show that the pressure loss between the venturi bar layer and the lower cylinder increases in power exponent with the decrease of stick spacing and the increase of air flow，and it increases in linear with the increase of liquid--gas ratio． The pressure loss of the upper cylinder increases in quadratic with the increase of air flow． The max error between the resistance characteristic model and experimental data is 16. 88% ，which verifies the model effectiveness． KEY WOＲDS stick venturi; resistance characteristics; two-phase flow; numerical simulation 收稿日期: 2016--06--02 基金项目: 国家高技术研究发展计划资助项目( 2012AA041801) ; 国家重点研发计划资助项目( 2016YFC0209300) ; 中南大学中央高校基本科 研业务费专项资金资助项目( 2016zzts292) 文丘里除尘器是一种构造简单，除尘效率高的湿 式除尘器，由于其具有占地少，能够有效处理含易燃、 易黏着粉尘的气体的特点，目前已广泛应用到矿井、隧 道工程中． 然而由于文丘里除尘器中高速气流的动能 要用于雾化和加速液滴，因此压力损失要大于其他湿 式除尘器． 为了更好的掌握文丘里除尘器的阻力特 性，许多学者已开展了相关的研究． Sun 等［1］通过建立 文丘里除尘器气相边界层的发展与分离模型，较为准 确 的 预 测 了 高 压 文 丘 里 除 尘 器 的 压 力 损 失． Viswanathan ［2］通过实验方法对 McInnis--Bischoff 可变 喉管文丘里除尘器压力损失进行了研究分析，建立了 简化的压力损失经验公式． Silva 等［3］搭建了一个大型 多功能文丘里管试验台用于测量工业应用中所需的相 关参数，并建立了可靠的实验数据库． Nasseh 等［4］使 用人工神经网络建立了文丘里除尘器的压力损失预测 模型，并通过遗传算法对其进行了优化，该模型较传统
·450· 工程科学学报，第39卷，第3期 数学模型更加灵活 效率 近年来，随着计算机技术的快速发展，CFD(计算 干净空气 径向直 流体力学)技术在文丘里除尘器研究中的应用也越来 叶片风机 越多.Pak等田针对环形皮斯-安东尼文丘里除尘器 建立了一个三相流计算模型，其中气相流动通过N-S 上简体 方程描述，采用欧拉法进行求解，粉尘和液滴运动采用 含尘气体 Basset--Boussinesq-Oseen(B-B-O)方程描述，采用拉 格朗日法进行求解：由于该模型中的液滴大小是不精 扉 旋流板 确的且没考虑液膜的影响，因此所预测的压力损失较 ■1a 下筒体 小.Lu等回在考虑相变传热与传质的情况下，建立了 个Y 一个工业高温气体文丘里除尘器模型，并通过商业 进气管 CFD软件进行了求解，研究结果表明，水的注射对压 文丘里棒层心粉尘 力、速度、温度和蒸汽的摩尔分数有着较大的影响，尤 图1棒式文丘里除尘器结构示意图 其是在喉管的喷雾区域.Guerra等m利用标准k-e湍 Fig.I Schematic diagram of stick venturi scrubber 流模型和VOF(volume of fluid)多相流模型分析了矩 形文丘里洗涤器在不同液体喷射量、喷射速度以及 数学模型 液气比下压力损失的变化规律，结果表明，在相同 空气和洗涤液在文丘里除尘器中的运动是极其复 气、液流量的情况下，液体喷射口的数目对压力损失 杂的气液两相流运动，本文基于欧拉一拉格朗日方法， 没有影响，但对液相体积分数分布有着较大影响. 通过适当简化，建立了三维稳态风流模型和液滴运动 Sharif等网第一次将粒数衡算方程(population bal- 模型. ance equation)与欧拉-欧拉CFD模型相结合，用于预 2.1风流模型 测文丘里除尘器中的压力损失，结果表明，不同结构 通风空气的流动传热过程遵循质量守恒定律、动 与尺寸的喷嘴对文丘里除尘器的压力损失几乎没有 量守恒定律和能量守恒定律，其数学模型分别为连续 影响. 方程、Navier-Stokes方程和能量守恒方程，如下所示： 本文针对井下矿产资源开采的恶劣环境，结合现 有矿用除尘器，设计了一种新型文丘里除尘器：棒式 +7.(pU)=0, (1) at 文丘里除尘器.基于多相流理论，建立其三维CFD 模型，研究分析棒间距、除尘风量和液气比对棒式文 是o0+:oUw0=-p+r+R, (2) 丘里除尘器阻力特性的影响，并建立棒式文丘里除 尘器阻力特性预测模型，为棒式文丘里除尘器的设 是on+-m-(传T+r (3) 计提供依据 式中，p为空气密度，t为时间，U=(山，4,4)为速度 矢量P为压力，r为黏性应力，F=(F,F,F)是微元 1棒式文丘里除尘器工作原理 体上的体力矢量，T为温度，k为空气的传热系数，cp 棒式文丘里除尘器由文丘里棒层、下筒体、风机、 为空气定压比热容，$，为黏性耗散相. 上简体等部分组成，如图1所示.与传统的文丘里除 除尘器内气体的流场为高速旋转的湍流.目前使 尘器不同，棒式文丘里除尘器在下筒体入口处安装一 用最广的湍流模型是k一s模型（蒋仲安等网，Torafio 排开有缝隙的水管（缝隙与竖直方向夹角为20°），这 等@，杜翠凤等，Kumnia等网).考虑到湍流漩涡 不仅简化了洗涤液的注射系统，而且由于采用缝隙注 的影响，Yakhot等国在标准k一e模型基础上，推导了 入，大大降低了喷嘴堵塞概率，保证了其在恶劣的矿采 RNGk一ε湍流模型，其对强流线弯曲、漩涡和旋转流 环境下的正常工作.含尘气体穿过文丘里棒层时，在 动的预测有较高的精度.因此，本文采用三维不可压 棒层内产生负压，一定压力的水从缝隙喷射而出，并被 缩的RNGk一ε湍流模型模拟棒式文丘里除尘器内的 加速后的混合气体冲击形成液滴喷雾，与液滴充分接 湍流流动，其模型如下所示： 触的混合气体沿切线方向进入下筒体，在离心力作用 湍流动能k方程， 下，大部分粉尘被甩到筒壁，被液滴所形成的液膜捕 a(pk)a(pku)a 捉：余下的小部分粉尘随着气流经过除尘风机，进入上 +G-pe.(4) 筒体之中，再一次进行离心分离，以进一步提升除尘 湍流耗散率ε方程
工程科学学报，第 39 卷，第 3 期 数学模型更加灵活． 近年来，随着计算机技术的快速发展，CFD( 计算 流体力学) 技术在文丘里除尘器研究中的应用也越来 越多． Pak 等［5］针对环形皮斯--安东尼文丘里除尘器 建立了一个三相流计算模型，其中气相流动通过 N--S 方程描述，采用欧拉法进行求解，粉尘和液滴运动采用 Basset--Boussinesq--Oseen ( B--B--O) 方程描述，采用拉 格朗日法进行求解; 由于该模型中的液滴大小是不精 确的且没考虑液膜的影响，因此所预测的压力损失较 小． Lu 等［6］在考虑相变传热与传质的情况下，建立了 一个工业高温气体文丘里除尘器模型，并通过商业 CFD 软件进行了求解，研究结果表明，水的注射对压 力、速度、温度和蒸汽的摩尔分数有着较大的影响，尤 其是在喉管的喷雾区域． Guerra 等［7］利用标准 k--ε 湍 流模型和 VOF( volume of fluid) 多相流模型分析了矩 形文丘里洗涤器在不同液体喷射量、喷射速度以及 液气比下 压 力 损 失 的 变 化 规 律，结 果 表 明，在 相 同 气、液流量的情况下，液体喷射口的数目对压力损失 没有影响，但对液相体积分数分布有着较大影响． Sharifi 等［8］ 第一 次 将 粒 数 衡 算 方 程( population balance equation) 与欧拉--欧拉 CFD 模型相结合，用于预 测文丘里除尘器中的压力损失． 结果表明，不同结构 与尺寸的喷嘴对文丘里除尘器的压力损失几乎没有 影响． 本文针对井下矿产资源开采的恶劣环境，结合现 有矿用除尘器，设计了一种新型文丘里除尘器: 棒式 文丘里除 尘 器． 基 于 多 相 流 理 论，建 立 其 三 维 CFD 模型，研究分析棒间距、除尘风量和液气比对棒式文 丘里除尘器阻力特性的影响，并建立棒式文丘里除 尘器阻力特性预测模型，为棒式文丘里除尘器的设 计提供依据． 1 棒式文丘里除尘器工作原理 棒式文丘里除尘器由文丘里棒层、下筒体、风机、 上筒体等部分组成，如图 1 所示． 与传统的文丘里除 尘器不同，棒式文丘里除尘器在下筒体入口处安装一 排开有缝隙的水管( 缝隙与竖直方向夹角为 20°) ，这 不仅简化了洗涤液的注射系统，而且由于采用缝隙注 入，大大降低了喷嘴堵塞概率，保证了其在恶劣的矿采 环境下的正常工作． 含尘气体穿过文丘里棒层时，在 棒层内产生负压，一定压力的水从缝隙喷射而出，并被 加速后的混合气体冲击形成液滴喷雾，与液滴充分接 触的混合气体沿切线方向进入下筒体，在离心力作用 下，大部分粉尘被甩到筒壁，被液滴所形成的液膜捕 捉; 余下的小部分粉尘随着气流经过除尘风机，进入上 筒体之中，再一次进行离心分离，以进一步提升除尘 效率． 图 1 棒式文丘里除尘器结构示意图 Fig． 1 Schematic diagram of stick venturi scrubber 2 数学模型 空气和洗涤液在文丘里除尘器中的运动是极其复 杂的气液两相流运动，本文基于欧拉--拉格朗日方法， 通过适当简化，建立了三维稳态风流模型和液滴运动 模型． 2. 1 风流模型 通风空气的流动传热过程遵循质量守恒定律、动 量守恒定律和能量守恒定律，其数学模型分别为连续 方程、Navier--Stokes 方程和能量守恒方程，如下所示: ρ t + Δ ·( ρU) = 0， ( 1) t ( ρU) + Δ ·( ρUU) = － Δ p + Δ ·τ + F， ( 2) t ( ρT) + Δ ·( ρUT) = Δ ·( k cP Δ ) T + sT ． ( 3) 式中，ρ 为空气密度，t 为时间，U = ( ux，uy，uz ) 为速度 矢量，p 为压力，τ 为黏性应力，F = ( Fx，Fy，Fz ) 是微元 体上的体力矢量，T 为温度，k 为空气的传热系数，cP 为空气定压比热容，sT 为黏性耗散相． 除尘器内气体的流场为高速旋转的湍流． 目前使 用最广的湍流模型是 k--ε 模型( 蒋仲安等［9］，Torao 等［10］，杜翠凤等［11］，Kurnia 等［12］) ． 考虑到湍流漩涡 的影响，Yakhot 等［13］在标准 k--ε 模型基础上，推导了 ＲNG k--ε 湍流模型，其对强流线弯曲、漩涡和旋转流 动的预测有较高的精度． 因此，本文采用三维不可压 缩的 ＲNG k--ε 湍流模型模拟棒式文丘里除尘器内的 湍流流动，其模型如下所示: 湍流动能 k 方程， ( ρk) t + ( ρkuj ) xj = x [j akμeff k x ]j + Gk － ρε． ( 4) 湍流耗散率 ε 方程， · 054 ·
夏毅敏等：棒式文丘里除尘器气液两相流阻力特性 ·451 a(pe)a(peupa 在文丘里除尘器中，气流激发液滴直径d,的半经 at CNSG-Cp 验公式如下： (5) 4.22×10-2+5.77×10-3(1000Q,/Q)12 d= 式中，G=Cp（业+)肥为平均速度梯度引起 e\ax:ax:/ax; (12) 的湍动能产生项：μ=μ+Cp足为流场中有效黏性系 式中：。为通过文丘里棒层时气流速度，m·s:Q,为 文丘里棒层喷出的水量，Ls:Q。为风量，m3s 数：Cn=0.0845:a。=a.=1.39:C1=1.42:C2=1.68+ 2.3网格划分与边界条件 Cn (1-n/no) 棒式文丘里除尘器主要由文丘里棒层、下筒体、上 1+Bn 2==( 筒体和径向直叶片风机组成，为了研究方便，本文建立 2)%=48A-002 了文丘里棒层与下筒体、上筒体和风机三个物理模型， 分别对其阻力特性进行分析研究. 2.2液滴运动模型 采用混合网格技术对这三个物理模型进行网格划 在棒式文丘里除尘器除尘过程中，含尘气体经过 分，如图2所示.文丘里棒层与下筒体和上筒体的出、 文丘里棒层时，由于流通截面积逐渐减少，气体得到加 入口分别设定为速度进口和outflow出口，风机的出、 速，在棒层内侧产生负压区，一定压力的水从文丘里棒 入口分别设定为压力进口和压力出口：壁面均为标准 的缝隙中喷射出来，并被高速气流冲击雾化成具有一 壁面边界：文丘里棒上的注射缝隙为面注射，液滴从此 定直径的水滴，液滴与加速后的含尘气体发生强烈的 处进入除尘器：考虑到实际情况中，液滴碰到壁面后会 相互作用，气体中的粉尘被液滴吸附和包裹。为了模 附着在壁面之上，并由于离心作用，很难再回到空气之 拟液滴在棒式文丘里除尘器中的运动状态，本文对液 中，故假定液滴接触壁面时将完全被壁面吸附，终止液 滴模型做了适当的假设与简化： 滴轨迹的计算. (1)假设从水管缝隙中喷射出来的是具有一定直 风机入口 径的液滴； (2)假设液滴为惰性球体，并不考虑液滴间的破 直叶片 碎及合并 由于液滴的密度远大于空气密度，且除尘器内温 度基本恒定，因此液滴所受的附加质量力、热泳力以及 布朗力可以忽略.由此可简化单位质量液滴在空气中 的运动方程为： 文丘里棒层 dU-g+F+F+P 风机出口 上简体 (6) 文丘里棒层与下筒体 风机 对于球状液滴，其单位质量液滴的浮力F。、绕流 图2棒式文丘里除尘器网格划分 阻力F:和压力梯度力F。的计算公式如下： Fig.2 Computation grid used for the stick venturi serubber model E,=1,(U,-U), Prdi 24 (7) 3 结果与讨论 F=-2g, (8) 利用CD技术，分别对文丘里棒层与下筒体、上 筒体和风机3个模型进行数值模拟.通过对数值模拟 F.=-1Vpe (9) 结果的分析，分别获得了各部分的阻力特性，并由此建 式中，U,为空气流动速度矢量：U。为液滴速度矢量4 立了棒式文丘里的阻力特性模型. 为空气动力黏度p为空气密度Pp为液滴密度；d。为 3.1文丘里棒层与下筒体两相流场分布 液滴直径P:为空气压力：颗粒雷诺数Re。的定义和绕 文丘里棒间距、液气比、风量是影响除尘器内压力 流阻力系数C:计算公式分别如下： 损失的3个关键因素，改变不同的参数如表1所示，对 e。=pu,lU-Ul 其进行数值模拟分析.图3为文丘里棒间距s=25 (10) mm,棒个数x为4，棒直径d=24mm,风量Q,=900m3· C=a1+2+9 h,液气比L=0.1L·m条件下，文丘里棒层与下筒 Re+Re (11) 体内气液两相流各截面液滴质量浓度的分布图. 其中，a1a2a3为常数. 从图3可以看出，在文丘里棒层至下简体入口段
夏毅敏等: 棒式文丘里除尘器气液两相流阻力特性 ( ρε) t + ( ρεuj ) xj = x [j aεμeff ε x ]j + C1ε k Gk － C2 ρ ε2 k ． ( 5) 式中，Gk = Cμ ρ k 2 ( ε uj xi + ui x ) j ui xj 为平均速度梯度引起 的湍动能产生项; μeff = μ + Cμ ρ k 2 ε 为流场中有效黏性系 数; Cμ = 0. 0845; aε = ak = 1. 39; C1 = 1. 42; C2 = 1. 68 + Cμη3 ( 1 － η /η0 ) 1 + βη3 ，η = ( 2Si，j Si，j ) 1 /2 k ε ，Si，j = ( 1 2 uj xi + ui x ) j ，η0 = 4. 38，β = 0. 012． 2. 2 液滴运动模型 在棒式文丘里除尘器除尘过程中，含尘气体经过 文丘里棒层时，由于流通截面积逐渐减少，气体得到加 速，在棒层内侧产生负压区，一定压力的水从文丘里棒 的缝隙中喷射出来，并被高速气流冲击雾化成具有一 定直径的水滴，液滴与加速后的含尘气体发生强烈的 相互作用，气体中的粉尘被液滴吸附和包裹． 为了模 拟液滴在棒式文丘里除尘器中的运动状态，本文对液 滴模型做了适当的假设与简化: ( 1) 假设从水管缝隙中喷射出来的是具有一定直 径的液滴; ( 2) 假设液滴为惰性球体，并不考虑液滴间的破 碎及合并． 由于液滴的密度远大于空气密度，且除尘器内温 度基本恒定，因此液滴所受的附加质量力、热泳力以及 布朗力可以忽略． 由此可简化单位质量液滴在空气中 的运动方程为: dUP dt = g + Fb + Fd + Fp ． ( 6) 对于球状液滴，其单位质量液滴的浮力 Fb、绕流 阻力 Fd 和压力梯度力 Fp 的计算公式如下: Fd = 18μ ρP d2 P CdＲeP 24 ( Uf － UP ) ， ( 7) Fb = － ρ ρP g， ( 8) Fp = － 1 ρP Δ pf ． ( 9) 式中，Uf 为空气流动速度矢量; UP 为液滴速度矢量; μ 为空气动力黏度; ρ 为空气密度; ρP 为液滴密度; dp 为 液滴直径; pf 为空气压力; 颗粒雷诺数 Ｒep 的定义和绕 流阻力系数 Cd 计算公式分别如下: ＲeP = ρdP | UP － Uf | μ ， ( 10) Cd = a1 + a2 Ｒe + a3 Ｒe． ( 11) 其中，a1、a2、a3 为常数． 在文丘里除尘器中，气流激发液滴直径 dP 的半经 验公式［14］如下: dP = 4. 22 × 10 － 2 + 5. 77 × 10 － 3 ( 1000Ql /Qg ) 1. 932 v0 ． ( 12) 式中: v0 为通过文丘里棒层时气流速度，m·s － 1 ; Ql 为 文丘里棒层喷出的水量，L·s － 1 ; Qg 为风量，m3 ·s － 1 ． 2. 3 网格划分与边界条件 棒式文丘里除尘器主要由文丘里棒层、下筒体、上 筒体和径向直叶片风机组成，为了研究方便，本文建立 了文丘里棒层与下筒体、上筒体和风机三个物理模型， 分别对其阻力特性进行分析研究． 采用混合网格技术对这三个物理模型进行网格划 分，如图 2 所示． 文丘里棒层与下筒体和上筒体的出、 入口分别设定为速度进口和 outflow 出口，风机的出、 入口分别设定为压力进口和压力出口; 壁面均为标准 壁面边界; 文丘里棒上的注射缝隙为面注射，液滴从此 处进入除尘器; 考虑到实际情况中，液滴碰到壁面后会 附着在壁面之上，并由于离心作用，很难再回到空气之 中，故假定液滴接触壁面时将完全被壁面吸附，终止液 滴轨迹的计算． 图 2 棒式文丘里除尘器网格划分 Fig． 2 Computation grid used for the stick venturi scrubber model 3 结果与讨论 利用 CFD 技术，分别对文丘里棒层与下筒体、上 筒体和风机 3 个模型进行数值模拟． 通过对数值模拟 结果的分析，分别获得了各部分的阻力特性，并由此建 立了棒式文丘里的阻力特性模型． 3. 1 文丘里棒层与下筒体两相流场分布 文丘里棒间距、液气比、风量是影响除尘器内压力 损失的 3 个关键因素，改变不同的参数如表 1 所示，对 其进行数值模拟分析． 图 3 为文丘里棒间距 s = 25 mm，棒个数 x 为4，棒直径 d = 24 mm，风量 Qg = 900 m3 · h － 1，液气比 L = 0. 1 L·m － 3条件下，文丘里棒层与下筒 体内气液两相流各截面液滴质量浓度的分布图． 从图 3 可以看出，在文丘里棒层至下筒体入口段， · 154 ·
·452· 工程科学学报，第39卷，第3期 表1参数设定 携带液滴进入到下简体下半部分，在靠近壁筒附近的 Table 1 Parameters setting 液滴浓度较高，而在壁筒中心区域液滴浓度则较低，这 参数 数值 是因为在离心力作用下，大部分液滴被甩到靠近壁筒 文丘里棒层棒间距，s/mm 5,10,15,25 附近区域，只有少部分粒径较小的液滴留在下筒体中 风量，Q./(m3h) 300,500,700,900,1100,1300 心区域.当气流继续向上流动时，由于在旋流板和液 液气比，L/(Lm3) 0.1,0.2,0.3,0.4,0.5 滴自身重力作用下，一部分液滴被旋流板的壁面所捕 捉，一部分液滴则下流至壁筒底部被壁面所捕捉，因此 液滴质量浓度/kg·m3 在气流经过旋流板后，下筒体的上半部分以及出口处 0.500 的液滴浓度几乎为零，只在壁面附近有少量的水。 0.455 3.2棒式文丘里除尘器阻力特性的变化规律 038 3.2.1文丘里棒层与下筒体阻力特性 027 图4为液气比L=0.1L·m3时，不同棒间距与不 同风量对文丘里棒层与下筒体压力损失的影响关系， 0.91 0.046 图5为风量Q。=900m3h时，不同棒间距情况下液 0.001 4-A 气比与压力损失的关系.从图4可以看出，文丘里棒 层与下筒体的压力损失随棒间距增大呈幂指数降低， 图3液滴质量浓度分布 Fig.3 Droplet mass concentration distribution 且下降幅度不断减小：压力损失随风量的增大呈幂指 数增大，且上升幅度不断增大.从图5可以看出，压力 从6个水管缝隙中喷射出来的液滴，由于加速气流的 损失随着液气比的增大而增大，且近似呈直线规律，随 强烈冲击作用，这段区域内的液滴浓度较大，增大了粉 着棒间距的减小，压力损失与液气比的关系曲线斜率 尘与液滴碰撞的概率，有利于粉尘被液滴捕捉.气流 越来越大. 3000r (a ·-Q=300m3.h4 30000间 2500 Q=500m3.h1 2500 Q=700m3.h4 -s=5 mm ◆=10mm 2000 Q0.-900m3.hl Q=1100m3.h3 色 2000 +-s=15mm +-Q=1300m3.h1 s=25 mm 1500 1500 1000 1000 500 500 10 15 20 300 500 7009001100 1300 棒间距，smm 风量，Qm3.h) 图4棒间距(a)和风量(b)对压力损失的影响 Fig.4 Effects of stick spacing (a)and air flow (b)on pressure loss 2400 根据流体力学理论，在工程上对于除尘器的阻力 -s=5mm◆-s=l0mm 计算模型为的： 2000 -s=15mm-3=25mm (13) 三1600 p=3p, 1200 (14) 800 V 0 s(x-1)b' (15) 400 (16) 0.2 03 0.4 0.5 Re=v 液气比，L·m 式中∫为阻力系数，p为喉管处混合气体密度，V为棒 图5液气比与压力损失变化曲线 式文丘里喉管处速度，c、m为待定系数；L.表示通道特 Fig.5 Relation between liquid-gas ratio and pressure loss 征长度：d,表示特征水力直径：b=0.174m为文丘里棒
工程科学学报，第 39 卷，第 3 期 表 1 参数设定 Table 1 Parameters setting 参数 数值 文丘里棒层棒间距，s/mm 5，10，15，25 风量，Qg /( m3 ·h － 1 ) 300，500，700，900，1100，1300 液气比，L /( L·m － 3 ) 0. 1，0. 2，0. 3，0. 4，0. 5 图 3 液滴质量浓度分布 Fig． 3 Droplet mass concentration distribution 从 6 个水管缝隙中喷射出来的液滴，由于加速气流的 强烈冲击作用，这段区域内的液滴浓度较大，增大了粉 尘与液滴碰撞的概率，有利于粉尘被液滴捕捉． 气流 携带液滴进入到下筒体下半部分，在靠近壁筒附近的 液滴浓度较高，而在壁筒中心区域液滴浓度则较低，这 是因为在离心力作用下，大部分液滴被甩到靠近壁筒 附近区域，只有少部分粒径较小的液滴留在下筒体中 心区域． 当气流继续向上流动时，由于在旋流板和液 滴自身重力作用下，一部分液滴被旋流板的壁面所捕 捉，一部分液滴则下流至壁筒底部被壁面所捕捉，因此 在气流经过旋流板后，下筒体的上半部分以及出口处 的液滴浓度几乎为零，只在壁面附近有少量的水． 3. 2 棒式文丘里除尘器阻力特性的变化规律 3. 2. 1 文丘里棒层与下筒体阻力特性 图 4 为液气比 L = 0. 1 L·m － 3时，不同棒间距与不 同风量对文丘里棒层与下筒体压力损失的影响关系， 图 5 为风量 Qg = 900 m3 ·h － 1时，不同棒间距情况下液 气比与压力损失的关系． 从图 4 可以看出，文丘里棒 层与下筒体的压力损失随棒间距增大呈幂指数降低， 且下降幅度不断减小; 压力损失随风量的增大呈幂指 数增大，且上升幅度不断增大． 从图 5 可以看出，压力 损失随着液气比的增大而增大，且近似呈直线规律，随 着棒间距的减小，压力损失与液气比的关系曲线斜率 越来越大． 图 4 棒间距( a) 和风量( b) 对压力损失的影响 Fig． 4 Effects of stick spacing ( a) and air flow ( b) on pressure loss 图 5 液气比与压力损失变化曲线 Fig． 5 Ｒelation between liquid-gas ratio and pressure loss 根据流体力学理论，在工程上对于除尘器的阻力 计算模型为［15］: Δp = 1 2 fρV2 ， ( 13) f = c Lc dh Ｒem， ( 14) V = Qg s( x － 1) b ， ( 15) Ｒe = Vdh ν ． ( 16) 式中: f 为阻力系数，ρ 为喉管处混合气体密度，V 为棒 式文丘里喉管处速度，c、m 为待定系数; Lc 表示通道特 征长度; dh 表示特征水力直径; b = 0. 174 m 为文丘里棒 · 254 ·
夏毅敏等：棒式文丘里除尘器气液两相流阻力特性 ·453 层宽度.v为运动黏度，取空气值v=1.57×105m2s1 Tn=1700rmin-,p.=3807Q-4905Q5+256.60g+2148; 阻力计算公式(14)是工程上计算单相流阻力系 n=1500r*nmin,4p。=4078Q-5119Q+323.7Q.+1820: 数的常用形式.对于棒式文丘里管内气液两相流阻力 系数计算，在公式(14)的基础上增加液相修正的办法 n=1300r*mim-,4p.=4328Q3-5448Q+490.9Q.+1338: 来处理，则棒式文丘里气液两相流阻力系数计算公 n=1100r'min-,p.=4607g:-5516Q+370.1Q.+983.2 式为： (22) 3.2.3上筒体阻力特性 (17) 影响上筒体阻力的主要参数是风量，对不同风量 将式(15)~(17)代入到式(13)中得： 下上筒体流动过程进行模拟，其结果如图7所示，拟合 d-Q*2 压力损失与筒体风量的函数关系式： p=c20e-l)g (18) △p2=8932Q20. (23) 其中，文丘里棒层的水力直径d计算公式为： 1600 4=(x-1)b (19) 1400 s+b 1200 由于b=174s=5~25mm,因此采用在棒间距s 上加上一个修正指数的方式近似替代水力直径d,对 800 常数项进行合并后，棒式文丘里管气液两相流阻力经 验公式化简为： 400 △p=c1sQL. (20) 200 其中，C12心3c:为经验系数，利用大量不同参数下数 2004006008001000120014001600 值模拟结果，拟合得到文丘里棒层与下筒体阻力特性 风量，Qm3h) 经验关系式： △p1=e3n6s-a965Q9429LA1574 (21) 图7上筒体阻力特性曲线 Fig.7 Upper cylinder resistance performance curve 适用范围：5≤s≤25mm,300≤Q.≤1300m3h-1, 0.1≤L≤0.5Lm3 由式(23)可知，在单相流分析中，对于结构尺寸 3.2.2风机特性 ·定的上筒体，其压力损失与风量成指数关系，而且是 为了分析风机特性，在风机入口装一个直管，出口 接近平方的关系. 装一个文丘里管.由前面分析可知，进入到风机的气 3.3棒式文丘里除尘器阻力特性公式 流所含液滴质量浓度较低，基本忽略不计，故对风机只 对棒式文丘里除尘器进出口列伯努利方程式： 进行单相流分析.通过改变出口文丘里管直径，得到 (24) 在不同风机转速n下，风量Q,与风机全压差△p.的关 系，其结果如图6所示 式中，，、2分别为除尘器进口和出口的气流平均速 2400 度；p近似的取空气的密度，p=1.225kg"m3;△p,为除 。n=1700r*minr 2100 ◆n=1500rmin- 尘器的所有压力损失之和；PP2分别为除尘器进口和 1800 ▲n=1300r*miml 出口的静压，由于进出口直接与大气相连所以P:=P2, n=1100r.min- 子1500 则有： 1200 空受+4 (25) 900 600 由于除尘器的总压力损失是在一定风量下文丘里 300 棒层与下筒体和上筒体共同所消耗的压力，因此 0.00203040506070.8 △p:有： 风量，Qm3·s) 4p,=Ap1+4p2=e2ss-l0Q0L27+560.5Q2. (26) 图6风机特性曲线 Fig.6 Fan performance curves 将式(26)代入到式(25)，且， =9,=,A,= A A, 对图6中的仿真数据进行三次多项式拟合，得到 0.0303m2为入口面积，A2=0.0079m2为出口面积，得 不同转速下的风机特性公式： 到除尘器风机的全压差△p。,即除尘器的阻力△p预测
夏毅敏等: 棒式文丘里除尘器气液两相流阻力特性 层宽度． ν 为运动黏度，取空气值 ν = 1. 57 × 10 － 5 m2 ·s － 1 ． 阻力计算公式( 14) 是工程上计算单相流阻力系 数的常用形式． 对于棒式文丘里管内气液两相流阻力 系数计算，在公式( 14) 的基础上增加液相修正的办法 来处理，则棒式文丘里气液两相流阻力系数计算公 式为: f = c Lc dh Ｒem Lc4 ． ( 17) 将式( 15) ～ ( 17) 代入到式( 13) 中得: Δp = c Lc 2 ρ· dm － 1 h Qm + 2 g ν m ( x － 1) m + 2 bm + 2 s m + 2 Lc4 ． ( 18) 其中，文丘里棒层的水力直径 dh 计算公式为: dh = ( x － 1) sb s + b ． ( 19) 由于 b = 174s = 5 ～ 25 mm，因此采用在棒间距 s 上加上一个修正指数的方式近似替代水力直径 dh，对 常数项进行合并后，棒式文丘里管气液两相流阻力经 验公式化简为: Δp = c1 s c2 Qc3 g Lc4 ． ( 20) 其中，c1、c2、c3、c4为经验系数，利用大量不同参数下数 值模拟结果，拟合得到文丘里棒层与下筒体阻力特性 经验关系式: Δp1 = e5. 1176 s － 0. 9655Q1. 9429 g L0. 1574 ． ( 21) 适用范围: 5≤s≤25 mm，300≤Qg≤1300 m3 ·h － 1， 0. 1≤L≤0. 5 L·m － 3 ． 3. 2. 2 风机特性 为了分析风机特性，在风机入口装一个直管，出口 装一个文丘里管． 由前面分析可知，进入到风机的气 流所含液滴质量浓度较低，基本忽略不计，故对风机只 进行单相流分析． 通过改变出口文丘里管直径，得到 在不同风机转速 n 下，风量 Qg 与风机全压差 Δpe 的关 系，其结果如图 6 所示． 图 6 风机特性曲线 Fig． 6 Fan performance curves 对图 6 中的仿真数据进行三次多项式拟合，得到 不同转速下的风机特性公式: n = 1700 r·min － 1，Δpe = 3807Q3 g － 4905Q2 g + 256. 6Qg + 2148; n = 1500 r·min － 1，Δpe = 4078Q3 g － 5119Q2 g + 323. 7Qg + 1820; n = 1300 r·min － 1，Δpe = 4328Q3 g － 5448Q2 g + 490. 9Qg + 1338; n = 1100 r·min － 1，Δpe = 4607Q3 g － 5516Q2 g + 370. 1Qg + 983. 2 ． ( 22) 3. 2. 3 上筒体阻力特性 影响上筒体阻力的主要参数是风量，对不同风量 下上筒体流动过程进行模拟，其结果如图 7 所示，拟合 压力损失与筒体风量的函数关系式: Δp2 = 8932Q2. 041 g ． ( 23) 图 7 上筒体阻力特性曲线 Fig． 7 Upper cylinder resistance performance curve 由式( 23) 可知，在单相流分析中，对于结构尺寸 一定的上筒体，其压力损失与风量成指数关系，而且是 接近平方的关系． 3. 3 棒式文丘里除尘器阻力特性公式 对棒式文丘里除尘器进出口列伯努利方程式: p1 + ρv 2 1 2 + Δpe = p2 + ρv 2 2 2 + Δpf ． ( 24) 式中，v1、v2 分别为除尘器进口和出口的气流平均速 度; ρ 近似的取空气的密度，ρ = 1. 225 kg·m － 3 ; Δpf 为除 尘器的所有压力损失之和; p1、p2 分别为除尘器进口和 出口的静压，由于进出口直接与大气相连所以 p1 = p2， 则有: Δpe = ρv 2 2 2 － ρv 2 1 2 + Δpf ． ( 25) 由于除尘器的总压力损失是在一定风量下文丘里 棒层与 下 筒 体 和 上 筒 体 共 同 所 消 耗 的 压 力，因 此 Δpf 有: Δpf = Δp1 + Δp2 = e2. 5499 s － 1. 0192Q1. 9606 g L0. 1857 + 560. 5Q2. 044 g ． ( 26) 将式( 26) 代入到式( 25) ，且 v1 = Qg A1 ，v2 = Qg A2 ，A1 = 0. 0303 m2 为入口面积，A2 = 0. 0079 m2 为出口面积，得 到除尘器风机的全压差 Δpe，即除尘器的阻力 Δp 预测 · 354 ·