燃气发生器旋风式过滤器除尘效率数值模拟-上海联兵环保免费电话：400-600-5030

摘要:旋风式燃气过滤器是一种对燃气发生器产生的燃气进行过滤的装置,入口倾角和燃气温度的变化都会对其内部流动状况和除尘效率产生影响。用SIMPLE算法和IPSA算法对旋风过滤器内的三维两相流场进行了数值模拟。通过计算发现,对于所研究的过滤器,最佳入口倾角为10°左右,而温度变化会引起流动状况和除尘效率的较大改变。
关键词:燃气发生器;旋风分离器;除尘;数值模拟
中图分类号:V434+·22　　文献标识码:A
1　引言
旋风式燃气精过滤器是一种用于进行气固分离的装置,它能够对燃气发生器产生的含有杂质颗粒的燃气进行过滤,使其达到所需的洁净度。它既可单独使用,也可以与粗过滤网结合使用。其优点有分离精度高、压降小、耐高温、处理燃气量大等。带有颗粒的气流经入口沿切向进入过滤器内部,并在过滤器内旋转向下流动,由于离心力的作用,固体颗粒被甩向圆筒壁,并沿圆锥部分向下进入到集料斗内,同时,洁净的气流旋转向上,经过出口管离开过滤器。
除旋风过滤器本身的结构参数外,影响其除尘效率的因素还有很多,如颗粒粒度、颗粒密度、含尘浓度、入口速度、气体的粘性和温度等。本文主要从入口倾角和燃气温度两个方面加以分析。
2　方法及模型
文中计算的物理模型采用某激光制导航弹上的燃气精过滤器,颗粒相采用不同粒径的推进剂燃烧产物Al2O3颗粒,假设入口处气粒两相的速度相同,均为7.5m/s,入口颗粒相的体积分数0.05。
由于过滤器内气流速度较低,计算模型采用三维不可压Reynolds平均的N-S方程,两相流的计算采用颗粒拟流体模型[1],流体相湍流模型采用参考文献[2]所给出的适合于第二相为颗粒相时的校正形式,颗粒湍流模型采用简单的Hinze-Tchen代数模型,计算方法采用以SIMPLE算法为基础的求解多相流多流体模型的IPSA算法(Inter-phase slip algorithm)。采用三维曲线坐标划分网格,如图1所示。设周向、径向和轴向的网

3　不同倾角入口下的计算
为了研究不同入口倾角对流动况状和除尘效率的影响,寻找最佳的入口倾角,分别对0°、5°、10°和15°四种不同入口倾角下的流动情况进行了模拟(颗粒相均采用粒径为5μm的Al2O3颗粒)、入口气流温度为20℃。图2给出了各种情况下气相场的轴向速度矢量图(图形旋转90°)。表1给出了各种不同倾角入口时精过滤器的除尘效率,通过比较可以看出,10°倾角下得到的除尘效率最高[3],由此可以认为除尘效率与精过滤器的入口倾角有关,存在一个最佳的入口角度使得过滤器的除尘效率最高。这可能是由于下述原因:如果这一角度过小,会使旋转的气流间相互干扰(由图2(b)、(c)可观察到这种现象),从而影响其除尘效率,但如果入口倾角过大,则会减少气流在过滤器内的旋转圈数,不能达到最好的分离效果。


4　不同温度下的计算
由于高温燃气的过滤条件比较恶劣,不利于直接进行高温实验,多数情况下是进行常温试验,而通过数值计算来模拟高温情况,考察其流动和除尘效率。文献[3]中对旋风过滤器进行了冷流实验和常温下的两相模拟,并把通过计算得到的除尘效率与冷流实验进行对比,结果符合较好。文中计算就是在此基础上进行的,入口燃气的温度取800℃。
图3(a)和(b)分别给出了常温和高温两种情况下气相场的周向速度矢量图,通过比较可以看出,高温下的流动状况与常温下有明显的不同,不仅在出口管壁面附近有旋涡,在外层的过滤器壁面处也有明显的涡旋出现,这一方面是由于气相的密度改变引起的,另一方面则是由于温度升高导致气体粘性系数变化而引起的。
通过对不同直径的颗粒进行计算,得到各种情况下的体积分数分布情况,从而计算出高温下本燃气式精过滤器的除尘效率,连同文献[3]中计算得到的常温下的除尘效率列于表2中。可以看出,两者除尘效率随粒径变化的趋势基本相同,对大直径颗粒除尘效率明显大于精颗粒的除尘效率。但两种温度下的除尘效率在数值上差别较大。估计这是由于以下两方面因素综合作用的结果:一方面,温度的升高导致气流粘性系数变大,使得两相不容易分离,除尘效率应该降低;另一方面,高温燃气的密度远低于压缩空气的密度,气固两相间密度差别变大,这会导致除尘效率升高。从计算得到的本过滤器高温和常温下的分离界限粒径为d50=2~3μm。


5　结论
a.通过计算可以看出,含颗粒物两相流进入旋风过滤器入口倾角的变化会影响其流动状况和除尘效率,入口倾角为10°左右时的除尘效率最高;
b.温度的变化对过滤器的流动状况和除尘效率有较大影响。

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