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高温陶瓷过滤器正向流动与过滤过程的数值计算
作者:管理员    发布于:2016-02-01 16:14:23    文字:【】【】【

  高温陶瓷过滤器正向流动与过滤过程的数值计算惠晶,徐廷相,章利特,高铁瑜(西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安)切向进气和径向进气时高温陶瓷过滤器内的流场分布。结果表明:对于包含突变截面和多孔介质两类通道的复杂流动系统,合理地选择计算区域和分配网格后,应用FLUENT计算流体力学软件可以得到满意的计算结果;陶瓷过滤器的流动损失主要发生在陶瓷过滤管的多孔陶瓷介质内;当气体径向进入工作段时,对陶瓷管的冲击较大;当气体切向进入时,在工作段壁面附近的速度较大,对陶瓷管的冲击较小;切向进气时高温陶瓷过滤器的进出口压降小于径向进气时。从保护陶瓷管和减小压降两方面考虑,切向进气方式的高高温陶瓷过滤器优于径向进气方式的高温陶瓷过滤器。研究结果为选择高温陶瓷过滤器的进气方式提供了理论依据。

  高温陶瓷过滤器在整体煤气化联合循环(IGCC)和增压流化床燃烧联合循环(PFBC-CC)中有着广阔的发展前景。需要净化的含尘煤(烟)气由进气管进入高温陶瓷过滤器,经多孔陶瓷过滤管过滤后,成为洁净的气体,并在过滤管内沿轴向流入过滤器集气室,再进入燃气轮机,而沉积在陶瓷过滤管外表面的固体颗粒在反向脉冲的作用下,与其余固体颗粒一起落入陶瓷过滤器底部,终排出过滤器。

  国内外学者对于高温陶瓷过滤器反向脉冲过程已经进行了大量的试验和数值研究,而对陶瓷过滤器内的正向流动和过滤过程进行的研究却较少。本文利用FLUENT计算流体力学软件,计算了气体国家高技术研究发展计划资助项目(2001AA333040);国家自然科学基金资助项目(59776025)。

  西安交通大学学报沿径向和切向两种不同的方式进入高温陶瓷过滤器时的流场分布,得到了一些对进气方式的选择很有的结果。

  1陶瓷过滤器的基本结构为高温陶瓷过滤器的基本结构。a是西安交通大学试验用高温陶瓷过滤器的结构简图。它由顶部的集气室、装有数目不等的多孔陶瓷过滤管的圆柱段工作段、连接固体颗粒排出系统的圆锥段过渡段组成。工作段的直径为0 38m,圆柱段长度为1m.工作段顶部的管板上悬挂3根长度各为1m、直径为0 06m,厚度为0 01m的多孔陶瓷过高温陶瓷过滤器内部的流动相当复杂,既包括了流动过程中的突然扩张和收缩,又包括了大截面和多孔介质两类通道。高温陶瓷过滤器内部的流动损失通常是采用试验实测的方法来确定的。实践证明,在一定的简化条件下和合理地分配网格后,采用流体力学计算方法同样可以得到的结果。图lb是简化后的计算区域,包括进气管、包含多孔陶瓷过滤管的圆柱段工作段和集气室3个部分。圆锥段过渡段是用来收集粉尘的,正常工作时粉尘排出口是关闭的,没有气体进出,所以计算时可以省略。

  2计算模型及边界条件滤管。含尘气体由位于陶瓷管顶部下方约400mm 21雷诺应力模型的进气管进入,经3根成等边三角形布置的多孔陶由于陶瓷过滤器中的气体速度较低,完全可以瓷过滤管过滤后,沿过滤管的轴向流入集气室,后看作不可压缩的实际流体。

  从出气管流向燃气轮机。

  气体通过陶瓷过滤管的流动属于多孔介质内的流动,压降与速度的关系可用达西定律给出体的动力粘度(Pa*s);v是流体流过多孔介质的表面速度(m/s);a是多孔介质的渗透率(m2);5是多孔介质的厚度(m)。

  定常流动的质量守恒方程和动量守恒方程可以分别表示为d.在计算中,选取的进气管气流速度为10m/s,此时陶瓷管表面的渗流速度为0 05m/s,完全属于达西流动的范围。

  在集气室内,假定流动是充分发展的,因此除压强之外,所有流动变量的正法向梯度为0,这样集气室出口的质量出口条件也就决定了。

  3网格划分使用分离解算器,采用SIMPLE算法,应用FLUENT雷诺应力模型(RSM)进行计算。为了尽快获得的收敛解,将计算区域分为5个独立的区域,对每一个区域分别进行网格划分:3根陶瓷管内部与集气室联合作为一个区域;3根陶瓷管的多孔陶瓷介质部分分别作为3个独立的区域;除陶瓷管内与多孔陶瓷介质以外的圆柱形工作段部分与进气管联合作为一个区域。5个区域均使用非结构网格,同时对一些区域进行局部加密。计算分径向进气和切向进气2种情况进行。和是计算网格图,坐标原点均位于陶瓷过滤器顶端圆面的圆心,x轴沿进气方向,y轴垂直向上。

  4陶瓷过滤器内流场分析(a)壁面网格(b)进气管中心线上的过滤器横截面网格径向进气时的网格中心区域速度较小,从而避免了对陶瓷过滤管的直接冲击。

  当气体沿径向流入高温陶瓷过滤器时,集气室出口处和进气管进口处的全压差约为25.179kPa;当气体沿切向流入高温陶瓷过滤器时,集气室出口处和进气管进口处的全压差约为24可以看出,切向进气方式的高温陶瓷过滤器的压降低于径向进气方式的高温陶瓷过滤器的压降。

  由可以看出,不论是径向进气还是切向进气,过滤管外的全压都比较均匀,且都高于过滤管内,管内外的压差反映了陶瓷过滤管多孔陶瓷介质的损失,它们占到过滤器进出口间总的压力损失的4/5以上,说明陶瓷过滤器损失主要发生在多孔过滤介质中。

  由可以看出:气体沿径向流入工作段时,在5结论陶瓷管所在的工作段中心区域速度较大,因而对陶瓷管的冲击较大;气体沿切向流入工作段时,以较大(丨)对于既有多孔陶瓷介质,又有大截面通道的的速度沿着工作段壁面旋转流动,在陶瓷管所在的西安交通大学学报(a)壁面网格(b)进气管中心线上的过滤器横截面网格切向进气时的网格单位:m/s(a)径向进气(b)切向进气进气管中心线上的过滤器横截面的速度等值线(a)径向进气(b)切向进气径向进气和切向进气时进气管中心线上的过滤器横截面的静压等值线惠晶,等:高温陶瓷过滤器正向流动与过滤过程的数值计算配网格后,应用FLUENT计算流体力学软件进行数值计算,可以得到满意的计算结果。

  (2)陶瓷过滤器的流动损失主要发生在陶瓷过滤管的多孔陶瓷介质内。减小流动损失的关键是减小陶瓷过滤介质的流动损失。

  (3)气体切向进入工作段比径向进入工作段的陶瓷过滤器的损失小,气流对陶瓷过滤管的直接冲击也小,因此切向进入应该成为陶瓷过滤器设计中优先选择的方式。

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