基于CFD的长大隧道旋风除尘器结构优化研究

基于CFD的长大隧道旋风除尘器结构优化研究

李子建，刘保成

中铁二十二局集团第四工程有限公司，天津 301700

摘 要：采用CFD软件FLUENT，对应用于长大隧道中的旋风除尘器进行气固两相流数值模拟研究，考察了大型旋风除尘器的结构参数对其性能的影响以及对不同粒径粉尘的分离效率。研究发现，随着入口尺寸的减小，旋流器的除尘效率先增大后减小，排气口的插入深度应在大于入口高度和小于直筒体高度之间取值为宜，而排气口直径的减小对微小颗粒影响显著。旋风除尘器对于隧道中的粒径为7μm以上的粉尘，去除效率满足要求，而7μm以下粉尘颗粒应在旋风分离器基础上加以改进或加入针对性除尘装置进行处理，已解决长大隧道施工中的粉尘问题。

关键词：隧道除尘；旋风分离器；计算流体力学；FLUENT；结构参数；分离效率

Research on structure of cyclone dust collector in long tunnel based on CFD

Abstract: using CFD software FLUENT, the characteristics of gas-solid two-phase flow of cyclone used in long tunnel were numerically simulated. The effects of structural parameters of large cyclone on its performance and the separation efficiency of dust with different particle sizes were investigated. It is found that with the decrease of inlet size, the dust removal efficiency of cyclone increases first and then decreases. The insertion depth of exhaust port should be greater than the inlet height and less than the straight cylinder height, and the decrease of exhaust port diameter has a significant impact on small particles. The particle size of the cyclone in the tunnel is 7μm above, the removal efficiency meets the requirements, and 7μm Dust particles below m shall be improved on the basis of cyclone separator or added with targeted dust removal device for treatment, which has solved the dust problem in long tunnel construction.

Key words: tunnel dust removal; Cyclone separator; Computational fluid dynamics; FLUENT；Structural parameters; separation efficiency

0引言

从50年代我国开始第一代隧道工程建设起，至今我国投入运营的铁路隧道共16798座，总长19630千米，公路隧道共19067座，总长度达到18967千米。随着我国经济的不断发展这些数字还在不断增加，而在隧道施工中，钻孔、爆破、喷射混凝土等过程中会产生大量粉尘，不仅如此，随着施工的进行，掌子面的推进，加之整个隧道处于一种接近封闭的空间内，其粉尘浓度会不断加大[1]，会导致隧道施工环境进一步恶化，严重影响作业人员的身体健康。因此，隧道中的除尘措施成为重中之重。目前工程中除尘方式主要分为减、降、排、除、阻等，即按照防治机理为其分为五类[1]。在除尘的过程中，逐渐出现了以袋式除尘器、电除尘器、旋风除尘器等为主体的各种改进式除尘器[2]。而在众多种类的除尘器中，旋风旋流除尘器因其结构简单，使用方便，处理范围广等优点，被广泛应用。

随着我国隧道施工要求的不断提升，对除尘效率的要求也不断提高。虽然旋风旋流除尘器的结构简单，但其内部流场复杂，更涉及气固两相湍流运动，导致为其建立完美的数学模型极为复杂，因此在设计及优化旋流器方面有很大困难[3]。 由于CFD软件的广泛应用，对于此类问题有了更优的解决方案。通过实际模型的建立，参数以及边界条件的设置，进行数值模拟以达到近乎现实的情况。

兰雅梅[4]通过ANSYS FLUENT软件分析了旋流器结构参数对其性能的影响，吕晨腾[5]通过数值模拟研究了入口速度，温度及粒径大小对旋流器性能的影响；王振兴[6]运用FLUENT软件研究了旋流器入口形状对分离器性能的影响。而旋流器大都应用在化工及工业厂房除尘中，由于场地及结构尺寸的限制，在之前研究中，实验者基本以毫米为单位，测试各种对应环境中小型旋流器对应的性能。本研究中，则将工作环境设定为长大隧道，对长大隧道中的大型旋流器进行建模，并模拟隧道中的粉尘环境，用FLUENT进行测试，得出不同结构的大型旋流器对隧道中不同粒径粉尘的去除效率。

1理论与数值模拟模型建立

1.1 旋风旋流除尘器结构及原理

旋流器（如图1所示）通过使含尘气体高速通过气体入口进入旋流器使粉尘颗粒受到强大的离心力向外运动向下运动后在底流口排出，而清洁空气在旋流器内旋流后在中心轴运动并形成向上的漩涡，最后在溢流口排出，完成气体和粉尘的分离。

图1 旋流器结构图

1.2实验模型的建立

在彭丽[7]的研究中发现，在结构中切向入口高度a、切向入口高度b、排气管插入深度L、筒体总高度H这几个参数决定着旋流器的除尘效率，其他参数影响可忽略不计。本模拟的环境为长大隧道中的旋流除尘器，由于旋流器的高度越高，除尘效率越高[3]，综合考虑隧道内施工环境，旋流器优先放置在隧道断面的一侧，为施工运输车辆提供足够的空间的同时，又能充分利用高度上的空间，故综合选定高度H=6m进行这次实验。根据相关经验公式1、2、3[3]，确定普通取值范围后，依次选定D0=1.5m、Hc=2.5m、Dd=0.5m为本实验固定参数。

            (1)

            (2)

         (3)

确定基本参数后，根据模拟重点研究的几个变量，分别设置不同的对照组，用SolidWorks针对不同结构旋流器构建模型，并用Mesh进行划分网格（如图2所示）后导入FLUENT进行数值模拟。

图2 旋流器模型建立及网格划分

1.3边界条件及计算参数设置

本数值模拟采用 Fluent2020R2进行旋风除尘器的流场模拟，旋风除尘器的进气口（inlet）设置为速度入口（velocity-inlet），排气口（outlet）设置为压力出口（pressure-outlet）。气流相的湍流模型选用雷诺应力模型（RSM），压力速度耦合算法采用SIMPLEC算法，压力差值格式选用PRESTO!。离散相（DPM）模型中将壁面设置为reflect，排气口设置为escape，排灰口设置为trap，默认到达排灰口的粉尘都被捕捉。

2影响旋风除尘器性能的因素分析

2.1入口高度a和宽度b的影响

在王振兴[6]对旋风除尘器的入口研究中，指出当入口为矩形时，长宽比为1.5的矩形入口降压最小，故设置入口高度a和入口宽度b的比值均为1.5，设置4组不同的高度和宽度实验数据，并导入三种不同粒径的粉尘，经数值模拟得出结果如图3所示。

图3 不同入口尺寸下的分离效率

在实验中分离效率在入口尺寸为0.680.45处达到峰值，随后呈下降趋势。但对于7μm以上颗粒，分离效率受入口形状影响不大。由于当入口宽度b设置为0.5m时，宽度大于排气口到除尘器筒体内壁的距离，导致气流携带粉尘进入时受到阻碍，从而导致除尘效率骤降。由此可知气流入口宽度不可大于排气管外壁到除尘器筒体内壁。

2.2排气管插入深度L的影响

在测试排气管深度L对除尘效率的影响时，设置多组对照组，全面测试排气管插入到各种深度的除尘效率，从而判断，排气管插入到什么位置时，效率达到高峰。经试验得到一下结果，如图4所示。

图4 不同插入深度的分离效率

根据模拟实验结果分析得出：排气管的插入深度对粒径大于7μm或小于5μm粒径的粉尘颗粒影响不大，但在整体趋势中仍可得出，在插入深度为1~1.5m时除尘效率达到顶峰，在插入深度超过1.5m后，效率开始逐步下降。由此可知，应用在长大隧道的大型旋流器的排气管插入深度首先要大于进气口的高度，其次要控制在筒体高度以上一段距离，这样设计可达到效率的提升。

2.3排气管的直径DC的影响

在保证旋流器其他结构参数不变的情况下，建立不同排气管直径的模型，并导入相同的参数行数值模拟，尝试找出大型旋流器的排气管最佳直径。最终得出结果如图5所示。

图5 不同排气管直径的分离效率

根据模拟结果可以得出：旋流器对于大颗粒粉尘的除尘效率较高，排气口直径的变化并不能对其产生影响。而对于7μm及以下的粉尘颗粒，当排气口直径达到0.3m时，粉尘分离效率达到峰值，并且排气口直径的变化对于5μm粉尘颗粒影响显著。

3.结论

采用基于FLUENT，后导入DPM的数值模拟方法，对用于长大隧道的旋风旋流器进行结构优化实验，得出以下结论：

1）旋流器对于粒径为10μm及以上的粉尘有着极高的效率，结构的变化对此类颗粒的去除效率几乎没有影响。而旋流器对于10μm以下的粉尘颗粒效率逐步下降，至5μm及以下时，所实验的大型旋流器几乎起不到除尘效果。

2）在所实验的大型旋流器模型中，入口尺寸选择0.68m×0.45m，排气管插入深度选择1.5m，排气口直径选择0.3m时，除尘效率达到最优。

3）对于实验所述的大型旋流器中，入口宽度以小于等于排气口至旋流器内壁的距离为宜，不可大于排气口至旋流器内壁的距离，否则会导致旋流器除尘效率的下降。插入深度的取值范围应大于进气口的高度，小于旋流器直筒段高度，并在直筒段高度的1/2处左右达到效率最优。另外当排气口直径不断缩小时，除尘效率随之先增大后减小。

参考文献：

[1]门本，马强. 隧道粉尘颗粒物的危害及控制措施分析[J].交通节能与环保，2021（81）：144-147.

[2]乔力伟.风幕通风方式下施工隧道粉尘浓度场相似模化实验与数值模拟[D].四川：西南交通大学，2019.

[3]李强.旋风除尘器优化设计及分离特性研究[D].湖南：中南大学，2008.

[4]兰雅梅，张婷婷，王世明，宋秋红.旋流器结构参数对其性能的影响分析[J].化工机械，2021（5）：678-682.

[5]吕晨腾，杨冬.旋风分离器除尘器的数值模拟研究及分析[J].区域供热，2021（2）：63-67.

[6]张振兴，毕荣山，李玉刚，张丽君，入口形状对旋风分离器性能的影响[J].青岛科技大学学报（自然科学版），2012（3）：277-281.

[7]彭丽，石战胜，董方，敬旭业，马治安，基于CFD-DPM的旋风分离器性能影响研究[J].华电技术，2020（12）：43-48.

李子建（1986—），男，河南汤阴人，毕业于长沙理工大学，交通土建工程专业，高级工程师，主要从事工程项目管理等方面工作。

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