文丘里洗滌器本科畢業(yè)論文劉付杰成

1、<p><b>　　本科生畢業(yè)論文</b></p><p>　　起止時(shí)間：2016年3月1日至2016年6月10日</p><p>　題目文丘里洗滌器的實(shí)驗(yàn)研</p><p>　及CFD模擬</p><p>　學(xué)院名稱化學(xué)工程學(xué)院</p><p>　專業(yè)名稱化學(xué)工程與工藝</p&g

2、t;<p>　學(xué)生姓名劉付杰成</p><p>　指導(dǎo)教師曹睿副教授</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　我國(guó)化學(xué)工業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展現(xiàn)狀，我國(guó)化學(xué)工業(yè)經(jīng)歷了半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展,已經(jīng)形成了門類比較齊全、品種大體配套并基本可以滿足國(guó)內(nèi)需要的化學(xué)工業(yè)體系，但隨之而來的是嚴(yán)重的空氣污染。</p><

3、;p>　　在工業(yè)生產(chǎn)加工過程中會(huì)產(chǎn)生大量的帶塵煙道氣，是給大氣帶來嚴(yán)重污染的主要因素之一，但目前關(guān)于這方面的研究較少，本文是在煤化工除塵條件下對(duì)影響文丘里洗滌器水力性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)及工作狀態(tài)進(jìn)行研究，通過CFD計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)文丘里洗滌器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行探究。以進(jìn)口管直徑50mm的文丘里管作為研究對(duì)象，進(jìn)行單變量研究。運(yùn)用實(shí)驗(yàn)和CFD流體力學(xué)數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究不同進(jìn)流量、喉管長(zhǎng)度和擴(kuò)張段錐度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)文丘里洗滌器出口斷面流速

4、、管內(nèi)壓力分布和內(nèi)部流動(dòng)均勻性的影響。對(duì)喉管長(zhǎng)度分別為50mm，75mm和100mm的文丘里管進(jìn)行單空氣和空氣—水兩相實(shí)驗(yàn)，并且在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上分析流場(chǎng)分布。再對(duì)單空氣相進(jìn)氣的文丘里管進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證，對(duì)比數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)分析的結(jié)果，最終確定文丘里管優(yōu)質(zhì)運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)氣量、喉管長(zhǎng)度和擴(kuò)張段錐度的選取。</p><p>　　關(guān)鍵字：除塵；文丘里洗滌器；壓降</p><p>　　Venturi sc

5、rubber experimental study and CFD simulation</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　The chemical industry to realize the sustainable development of our country , the development of chemic

6、al industry in China has experienced half a century and has formed a relatively complete categories, varieties in general and basic can meet the needs of the domestic chemical industry system. But what followed was a ser

7、ious air pollution.</p><p>　　In the process of industrial production will produce large amounts of dust flue gas, is one of the main factors that bring the atmosphere serious pollution, but at present the re

8、search about this aspect is less, This article is based on research that study the structure parameters of influence _ venturi scrubber hydraulic performance, To explore internal flow field of venturi scrubbers

9、   by CFD computational fluid dynamics software . In this paper, based on the import of pipe diameter of 50 mm v</p><p>　　Key Words：dust flue gas；venturi scrubber；pressure drop</p><p><b

10、>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　ABSTRACTII</p><p>　　前 言- 1 -</p><p>　　第1章文獻(xiàn)綜述- 2 -</p><p>　　1.1 課題背景- 2 -</p>

11、;<p>　　1.1.1 我國(guó)煤化工發(fā)展現(xiàn)狀- 2 -</p><p>　　1.1.2 煤化工加工流程- 2 -</p><p>　　1.1.3 減少空氣污染的措施- 3 -</p><p>　　1.2 除塵- 4 -</p><p>　　1.2.1 工藝除塵技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀- 4 -</p>&l

12、t;p>　　1.2.2 除塵方式- 5 -</p><p>　　1.3 流體流動(dòng)[15]- 5 -</p><p>　　1.3.1 流體及其特點(diǎn)- 5 -</p><p>　　1.3.2 流體的性質(zhì)- 6 -</p><p>　　1.4 文丘里洗滌器的除塵機(jī)理- 7 -</p><p>　　1

13、.4.1 文丘里管- 7 -</p><p>　　1.4.2 除塵機(jī)理- 8 -</p><p>　　1.5 壓降模型- 8 -</p><p>　　1.5.1 Calvert壓降模型- 8 -</p><p>　　1.5.2 環(huán)狀流壓降模型- 9 -</p><p>　　1.5.3 段振亞模型

14、- 13 -</p><p>　　1.6 液滴模型- 17 -</p><p>　　1.6.1 Nukiyama和Tanasawa液滴直徑關(guān)聯(lián)式- 17 -</p><p>　　1.6.2 Boll et al液滴直徑關(guān)聯(lián)式- 18 -</p><p>　　1.7 軟件介紹- 18 -</p><p>

15、　　1.7.1 FLUENT介紹- 18 -</p><p>　　1.7.2 GAMBIT介紹- 18 -</p><p>　　1.7.3 ORIGIN介紹- 19 -</p><p>　　1.8 本章小結(jié)- 19 -</p><p>　　第2章 文丘里洗滌器擴(kuò)張角- 20 -</p><p>　　2

16、.1 文丘里洗滌器擴(kuò)張角度確定- 20 -</p><p>　　2.2 文丘里洗滌器優(yōu)擴(kuò)張角下氣量的考察- 25 -</p><p>　　第3章實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及數(shù)據(jù)處理- 29 -</p><p>　　3.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容- 29 -</p><p>　　3.1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 29 -</p><p>　　3

17、.1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備- 29 -</p><p>　　3.1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備流程圖- 29 -</p><p>　　3.1.4 實(shí)驗(yàn)原理- 30 -</p><p>　　3.1.4 實(shí)驗(yàn)步驟- 31 -</p><p>　　3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理- 32 -</p><p>　　3.3 本章小結(jié)- 39

18、-</p><p>　　第4章氣液兩相數(shù)值模擬- 40 -</p><p>　　4.1 文丘里洗滌器氣液兩相數(shù)值模擬- 40 -</p><p>　　4.2 模擬與實(shí)驗(yàn)的壓力分布對(duì)比- 41 -</p><p>　　第五章 結(jié)論- 44 -</p><p>　　5.1 文丘里洗滌器擴(kuò)張角度對(duì)壓力降的影響

19、- 44 -</p><p>　　5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論- 44 -</p><p>　　5.3 實(shí)驗(yàn)與模擬對(duì)比結(jié)論- 44 -</p><p>　　致 謝- 45 -</p><p>　　參考文獻(xiàn)- 46 -</p><p>　　附錄1 文獻(xiàn)翻譯原文錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>

20、;　　附錄2 文獻(xiàn)翻譯譯文錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p><b>　　前 言</b></p><p>　　如今，大多數(shù)的工業(yè)生產(chǎn)甚至農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中都會(huì)產(chǎn)生大量的煙道氣，這些煙道氣中含有大量的固體顆粒，即為我們熟知的灰塵。這些灰塵如若直接排放到大氣中將會(huì)對(duì)周邊環(huán)境直接造成污染，導(dǎo)致空氣質(zhì)量嚴(yán)重下降，更有甚者會(huì)成為當(dāng)今社會(huì)熱門關(guān)注的霧霾。因此，煙道氣除塵成為必不

21、可少的研究課題。</p><p>　　在目前的眾多研究中，文丘里洗滌器的除塵效果顯著，是我們首選的的除塵設(shè)備之一。本研究即為文丘里洗滌器在煙道氣除塵中的實(shí)驗(yàn)研究。使含塵氣體與液體密切接觸，利用液滴對(duì)固體顆粒進(jìn)行捕集，從而把氣體中的固體顆粒帶走，達(dá)到除塵的目的。</p><p>　　文丘里洗滌器又稱文丘里管除塵器。除塵過程可分為霧化、凝聚和除霧三個(gè)階段，霧化和凝聚階段在文丘里管內(nèi)進(jìn)行，除霧階

22、段在除霧器內(nèi)進(jìn)行。文丘里管包括收縮段、喉管和擴(kuò)散段。含塵氣體從文丘里洗滌器的收縮段進(jìn)入，收縮段的縮徑使流體流速增大，直徑最小喉管是流速達(dá)到最大值。液相從文丘里洗滌器的入口處加入，由于氣液兩相間相對(duì)流速很大，液相被高速的氣相霧化，氣體濕度增加，氣相中的灰塵顆粒（簡(jiǎn)稱塵粒）被液相潤(rùn)濕。塵粒與液滴或塵粒之間發(fā)生激烈碰撞和凝聚形成團(tuán)聚物。進(jìn)入擴(kuò)散段后，流體流速減小，壓力得到回升，以塵粒為核心的凝聚作用加快，凝聚成直徑較大的團(tuán)聚物，進(jìn)而在除霧器內(nèi)

23、被捕集。</p><p>　　本文針對(duì)于工業(yè)除塵進(jìn)行研究。本研究通過對(duì)不同型號(hào)的文丘里洗滌器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)及模擬，在改變文丘里洗滌器的喉管段長(zhǎng)度、進(jìn)氣量及進(jìn)液量等因素下，對(duì)其壓力和壓降進(jìn)行研究比較。通過改變文丘里洗滌器的喉管長(zhǎng)度、氣體流量、液體流量等，研究文丘里洗滌器各部分的壓力和壓降的變化。對(duì)于喉管長(zhǎng)度的影響，目前說法不一，William[1] 認(rèn)為，文丘里洗滌器的壓力損失對(duì)喉管長(zhǎng)度變化不敏感，天津大學(xué)段振亞[2]

24、認(rèn)為，喉管長(zhǎng)度對(duì)于壓力損失的影響不可忽略。</p><p>　　本文針對(duì)于喉管長(zhǎng)度、進(jìn)氣量及進(jìn)液量對(duì)文丘里洗滌器的壓力和壓降進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和模擬的研究比較，并對(duì)其分別作出分析和評(píng)價(jià)。</p><p><b>　　第1章文獻(xiàn)綜述</b></p><p><b>　　1.1 課題背景</b></p><p>

25、;　　1.1.1 我國(guó)煤化工發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　煤炭是重要的化石能源，也是很多化工品的主要原料。在我國(guó)，煤炭能源占到總能源的68%，而石油只占了18%，是典型的“少油富煤”的國(guó)家。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014年中國(guó)石油儲(chǔ)量為150億桶，占世界石油儲(chǔ)量的1.1%。近年來我國(guó)原油的對(duì)外依存度持續(xù)保持在一個(gè)很高的水平。近些年來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)逐漸建設(shè)有眾多動(dòng)力用煤產(chǎn)地，以煤炭為主要構(gòu)成的能源消耗持續(xù)增長(zhǎng)，煤化

26、工在化工和能源領(lǐng)域中已占有重要地位。因此，我國(guó)以煤炭資源為主的能源結(jié)構(gòu)不會(huì)改變。</p><p>　　但值得注意的是，在煤化工生產(chǎn)的各環(huán)節(jié)中，都會(huì)有大量的粉塵產(chǎn)生，不僅影響了工業(yè)生產(chǎn)，還對(duì)人們的健康有害。因此為了保證生產(chǎn)安全以及后續(xù)工作能夠正常進(jìn)行，煤化工生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)除塵的要求十分嚴(yán)格，不同于環(huán)境保護(hù)規(guī)定中對(duì)大氣中粉塵的限制條件。所以，煤化工對(duì)除塵設(shè)備的要求也非常嚴(yán)苛。</p><p>

27、;　　另一方面，控制大氣污染的規(guī)定近年來也變得越來越嚴(yán)格。為了滿足規(guī)定的要求，高除塵效率的設(shè)備已經(jīng)成為了研究的主題。盡管在化學(xué)工業(yè)中的除塵設(shè)備很多，但能除去0.1μm以下的顆粒的除塵器就寥寥無幾了。文丘里洗滌器就是一種高效率的洗滌器。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用性強(qiáng)，但是其高除塵效率是以所提供的能量以及氣體壓力損失為代價(jià)的。因此，研究文丘里洗滌器的壓降模型以及除塵效率是有重要意義的。</p><p>　　1.1.2 煤化工

28、加工流程</p><p>　　煤化工可分為傳統(tǒng)煤化工與新型煤化工。傳統(tǒng)煤化工包括甲醇、甲醛、合成氨/尿素、乙酸、電石和乙炔衍生物等。而新型煤化工則包括煤制油、煤制乙二醇、煤制烯烴、煤制天然氣以及煤制二甲醚。由于我國(guó)二甲醚市場(chǎng)的需求遠(yuǎn)低于預(yù)期，產(chǎn)能過剩，下面主要介紹其他4種煤化工[3]~[4]</p><p><b>　　(1) 煤制烯烴</b></p>

29、<p>　　乙烯、丙烯作為重要的化工原料，其產(chǎn)量的高低一直被視為一個(gè)國(guó)家石化工業(yè)發(fā)達(dá)程度的標(biāo)志。傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝是通過石腦油裂解制取乙烯和催化裂化副產(chǎn)丙烯。該工藝的不足在于其過分依賴石油，尤其是在石油資源日漸匱乏的今天，其前景令人十分擔(dān)憂。因此，采用煤制烯烴技術(shù)，可以在一定程度上減少我國(guó)對(duì)石油資源的過分依賴，對(duì)于推動(dòng)石油貧乏地區(qū)的工業(yè)發(fā)展也具有重要意義。</p><p>　　國(guó)內(nèi)的一些科研機(jī)構(gòu)，如中國(guó)石油大

30、學(xué)、中科院大連化物所、中國(guó)石化石油化工科學(xué)研究院等均開展了煤制烯烴的研究工作。在MTP工藝的研究方面，也取得了重大的突破，由中國(guó)化學(xué)工程集團(tuán)公司、淮南化工集團(tuán)公司、清華大學(xué)聯(lián)合開發(fā)了新一代煤制丙烯技術(shù)，即FMTP,并于2009年一次性開車成功[5]</p><p>　　(2) 以煤為原料生產(chǎn)乙二醇，主要有三種工藝路線[6] 。</p><p>　?、偻ㄟ^煤氣化來制得合成氣，合成氣再經(jīng)過一步

31、直接制取乙二醇。其反應(yīng)的化學(xué)方程式如下：</p><p>　　該反應(yīng)的反應(yīng)條件很苛刻，需要在高溫高壓和有催化劑的條件下進(jìn)行。</p><p>　?、谕ㄟ^煤氣化制得合成氣，再經(jīng)合成氣制取，甲醇制乙烯，乙烯氧化制環(huán)氧乙烷，最后用環(huán)氧乙烷水合法制乙二醇。不足之處是流程較長(zhǎng)，并且在甲醇制乙烯的過程中會(huì)產(chǎn)生丙烯。</p><p>　　③煤氣化制取合成氣，催化偶聯(lián)合成草酸酯，然

32、后加氫生成乙二醇。該方法是最先實(shí)現(xiàn)煤制乙二醇工業(yè)化的方法[7]。</p><p><b>　　(3) 煤制油</b></p><p>　　廣義上，煤制油包括煤炭間接液化、煤炭直接液化、甲醇制汽油和煤焦油氫化。但屬于新型煤化工范疇的是煤炭間接液化、煤炭直接液化。</p><p>　　煤間接液化基于煤氣化工藝，然后以合成氣為原料，在催化劑的作用下合

33、成液態(tài)烴類產(chǎn)品。主要方法有：采用漿態(tài)床反應(yīng)器的費(fèi)托合成技術(shù)，改良費(fèi)托法，荷蘭殼牌公司開發(fā)的SMDS法。</p><p>　　煤直接液化是由德國(guó)科學(xué)家Bergius于1913年首先發(fā)明的。于50年前煤直接液化已達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用水平。目前，國(guó)內(nèi)從事煤直接液化的示范項(xiàng)目研究主要是以神華為代表，而且其研究主要集中在催化劑研發(fā)，工藝開發(fā)以及示范工程建設(shè)等幾個(gè)方面[8] 。</p><p><b&

34、gt;　　(4) 煤制天然氣</b></p><p>　　隨著中國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷升級(jí)，對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視，全國(guó)的民用和工業(yè)的天然氣消費(fèi)量不斷增加。但產(chǎn)量嚴(yán)重不足，所以發(fā)展煤制天然氣技術(shù)得到越來越多的重視。</p><p>　　煤制天然氣工藝分為兩步法和一步法[9] 。兩步法是指以煤為原料制取合成氣，在合成氣經(jīng)凈化和轉(zhuǎn)化之后，在催化劑的作用之下，發(fā)生甲烷化反應(yīng)，以生產(chǎn)替代天然氣

35、。一步法煤制天然氣技術(shù)是指煤直接合成甲烷，進(jìn)而得到煤制天然氣。</p><p>　　我國(guó)自20世紀(jì)80年代以來，包括西北化工研究院、中科院大連化物所等單位已經(jīng)開始煤氣甲烷化的研究，并取得了小規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用。但我國(guó)至今仍未掌握大型的合成氣高溫甲烷化工藝。</p><p>　　1.1.3 減少空氣污染的措施</p><p>　　隨著化工工業(yè)的高速發(fā)展，環(huán)境問題也越來越

36、被重視。近年來，空氣質(zhì)量已經(jīng)成為政府和人民關(guān)注的對(duì)象。特別是我國(guó)的重工業(yè)地區(qū)如京津冀工業(yè)區(qū)，霧霾已經(jīng)成為最重要的污染因素之一。</p><p>　　那么，針對(duì)于這種情況，從工業(yè)生產(chǎn)的源頭進(jìn)行處理是減少空氣污染的重要方法之一。工業(yè)生產(chǎn)過程中，煙道直接排放出來的煙氣中帶有大量的煙塵和粉塵，它們是造成空氣中固體顆粒含量升高的直接因素，對(duì)大氣造成嚴(yán)重污染，所以對(duì)于煙道氣的除塵工作刻不容緩。</p><

37、p>　　煙道氣除塵，主要是利用一些有效的除塵設(shè)備對(duì)出廠氣進(jìn)行后處理，使煙氣中的含塵率降低到指定標(biāo)準(zhǔn)下，再排放到大氣中。能直接有效的減少對(duì)大氣的污染。</p><p>　　故對(duì)煙道氣的除塵研究為本文的目的所在。</p><p><b>　　1.2 除塵</b></p><p>　　除塵，是指把粉塵從煙氣中分離出來的過程，是減少大氣污染的重

38、要手段。</p><p>　　1.2.1 工藝除塵技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀</p><p>　　目前在煤化工中，為了減少粉塵的排放，除塵設(shè)備得以廣泛的應(yīng)用。根據(jù)在除塵器中是否采用液體進(jìn)行除塵，除塵系統(tǒng)中的除塵器可分為干式除塵器和濕式除塵器兩大類。前者指不使用液體捕集和分離空氣或氣體中粉塵粒子的除塵器；后者則是指借助含塵氣體與液滴或液膜接觸、撞擊等作用，從而使顆粒從氣流中分離出來的設(shè)備[10]~[12

39、]。</p><p>　　根據(jù)《環(huán)境保護(hù)設(shè)備分類與命名》（HJ/T11-1996），可將除塵設(shè)備分為以下七大類：</p><p><b>　　重力和慣性除塵器。</b></p><p>　　濕式除塵器。包括噴淋式除塵器、泡沫除塵器、水膜除塵器、文氏管除塵器等等。</p><p>　　旋風(fēng)除塵裝置。包括單筒旋風(fēng)除塵器和多筒

40、旋風(fēng)除塵器。</p><p>　　過濾層除塵器。包括多孔材料除塵器、顆粒層除塵器、纖維填充過濾器和紙質(zhì)過濾器。</p><p>　　靜電除塵裝置。包括管式靜電除塵器、板式靜電除塵器以及濕式靜電除塵器。</p><p>　　袋式除塵裝置。包括電振動(dòng)式除塵器、機(jī)械振動(dòng)式除塵器、噴嘴反吹式除塵器、分室反吹式除塵器、脈沖噴吹式除塵器以及振動(dòng)式除塵器。</p>

41、<p>　　組合式除塵器。臥式旋風(fēng)水膜除塵器、靜電顆粒層除塵器和靜電袋式除塵器等。</p><p>　　此外，按照除塵器工作時(shí)溫度也可以將其分為常溫除塵器與高溫除塵器兩類；按照除塵器的工作狀態(tài)，可以分為正壓除塵器和負(fù)壓除塵器兩類；按照除塵器大小可分為小型、中型、大型和超大型除塵器等。</p><p>　　1.2.2 除塵方式</p><p>　　各種除塵

42、設(shè)備的工作原理不盡相同，因此，按照除塵機(jī)理可有以下分類：</p><p>　　生物納膜。生物納膜是層間距達(dá)到納米級(jí)的雙電離層膜，水分子的延展性得到最大程度的增加，而且極具電荷吸附性；其原理為生物納膜對(duì)小顆粒粉塵的吸附、聚合作用，物料表面的生物納膜對(duì)周圍的小顆粒粉塵聚合成大顆粒狀，大顆粒由于重力作用發(fā)生沉降，達(dá)到除塵效果；生物納膜抑塵技術(shù)的除塵率最高可達(dá)99%以上。</p><p>　　云霧

43、抑塵。云霧抑塵技術(shù)是通過高壓離子霧化和超聲波霧化，可產(chǎn)生1μm~100μm的超細(xì)干霧；超細(xì)干霧顆粒細(xì)密，大大增加了與粉塵顆粒的接觸面積，水霧顆粒與粉塵顆粒凝聚，形成團(tuán)聚物自然沉降，達(dá)到消除粉塵的目的。</p><p>　　濕式收塵。濕式收塵技術(shù)通過壓降來實(shí)現(xiàn)空氣中粉塵的脫除的，在離心力以及水與粉塵氣體混合的雙重作用下除塵；獨(dú)特的葉輪等關(guān)鍵設(shè)計(jì)可提供更高的除塵效率[13][14]。</p><p

44、>　　重力。利用粉塵與氣體的比重不同，使揚(yáng)塵靠本身的重力從氣體中自然沉降下來，這種通常稱被為沉降室或降生室。有著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積大、阻力小、易維護(hù)、效率低等特點(diǎn)，適用于粗凈化。</p><p>　　慣性。氣體與塵粒密度差距較大，導(dǎo)致塵粒與氣體的慣性力不同，所以在氣體運(yùn)動(dòng)中將塵粒除去有較明顯的效果。在氣體前設(shè)置障礙物，使氣體流向急劇改變，使其流速增大，慣性增大，便于將塵粒脫離。</p><p

45、>　　靜電。含有塵粒的氣體，在高壓電場(chǎng)中通過時(shí)，陰極發(fā)生使氣體被電離，此時(shí)帶負(fù)電的氣體離子在電場(chǎng)力的作用下向陽極運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中與塵顆相碰撞，使塵粒帶上負(fù)電，帶負(fù)電的塵粒繼續(xù)向陽極運(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)陽極時(shí)，塵粒放出所帶的電子沉積在陽極板上，氣體得到凈化。</p><p>　　本文使用濕式除塵技術(shù)進(jìn)行研究實(shí)驗(yàn)。</p><p>　　1.3 流體流動(dòng)[15]</p><

46、p>　　1.3.1 流體及其特點(diǎn)</p><p>　　從力學(xué)的特征講，氣體和液體是一種受任何微小剪切力都能連續(xù)變形的物質(zhì)，它們幾乎沒有抵抗變形的能力，不但整體會(huì)運(yùn)動(dòng)，其內(nèi)部的各個(gè)質(zhì)點(diǎn)也會(huì)發(fā)生相對(duì)的運(yùn)動(dòng)。這種易變形的運(yùn)動(dòng)特征，就是其流動(dòng)性。因此把氣體和液體統(tǒng)稱為流體。</p><p>　　在煉油、石油化工等生產(chǎn)過程中，不論是所處理的原料、還是中間品或是產(chǎn)品，大多都是流體?；どa(chǎn)過程

47、都是在流動(dòng)中進(jìn)行的，因此流體流動(dòng)是煉油、石油化工等生產(chǎn)過程中很重要的單元操作。</p><p>　　1.3.2 流體的性質(zhì)</p><p>　　流體的性質(zhì)很多，此處僅討論與文丘里洗滌器除塵密切相關(guān)的幾個(gè)重要性質(zhì)。</p><p><b>　　流體的溫度</b></p><p>　　流體的溫度，是流體最基本的物理性質(zhì)之一

48、。對(duì)于液體，溫度的改變對(duì)其其他的性質(zhì)影響不是很大，但對(duì)于氣體，溫度的升高或者降低，對(duì)其各個(gè)性質(zhì)都有很大的影響。由理想氣體狀態(tài)方程可知</p><p>　　溫度T對(duì)其壓強(qiáng)P和體積V有著顯著的影響，從而影響到氣體的密度、粘度及流動(dòng)性等性質(zhì)。</p><p>　　故本研究實(shí)驗(yàn)中對(duì)氣體的溫度記錄也尤為重要。</p><p><b>　　流體的流量</b>

49、;</p><p>　　體積流量 單位時(shí)間內(nèi)流體流過管路任一截面的體積成為體積流量，以V表示，單位為或者。</p><p>　　質(zhì)量流量 單位時(shí)間內(nèi)流體流過管路任一截面的質(zhì)量成為質(zhì)量流量，以W表示，單位為或者。</p><p>　　體積流量與質(zhì)量流量的關(guān)系為</p><p><b>　　流體的靜壓強(qiáng)</b></

50、p><p>　　流體垂直作用于單位面積上的力稱為流體的靜壓強(qiáng)，簡(jiǎn)稱壓強(qiáng)，習(xí)慣上稱為壓力。壓力的SI單位是，稱為帕斯卡，以Pa表示。</p><p>　　流體的壓力可根據(jù)不同的基準(zhǔn)來表示。以絕對(duì)真空基準(zhǔn)來表示的壓力稱為絕對(duì)壓力（簡(jiǎn)稱絕壓），是流體的真實(shí)壓力；以當(dāng)?shù)卮髿鈮毫榛鶞?zhǔn)的壓力稱為表壓力（簡(jiǎn)稱表壓）或真空度，分別表示被測(cè)流體壓力高于或低于當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Φ臄?shù)值。當(dāng)被測(cè)流體的絕對(duì)壓力高于當(dāng)?shù)卮髿?/p>

51、壓力時(shí)，常用表壓表示；當(dāng)被測(cè)流體的絕對(duì)壓力低于當(dāng)?shù)卮髿鈮毫r(shí)，常用真空度或者負(fù)表壓表示。它們之間的關(guān)系如下：</p><p>　　絕對(duì)壓力=表壓力+當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?lt;/p><p>　　絕對(duì)壓力=當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?真空度</p><p><b>　　流體的壓力降</b></p><p>　　實(shí)際流體流動(dòng)時(shí)，由于黏性所形成的內(nèi)摩擦

52、力、流體的位置高低、管道摩擦力以及閥門等各種因素的影響，對(duì)流體的機(jī)械能造成損失，直觀的表現(xiàn)在流體本身的壓力降低上。</p><p>　　壓力降實(shí)則為能量的損失，所以在工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)該盡可能的減少壓力降，不僅利于生產(chǎn)，便于控制，更是在節(jié)能環(huán)保上有著重要的意義。</p><p>　　本文就文丘里洗滌器除塵時(shí)造成的壓力降進(jìn)行研究實(shí)驗(yàn)比較。</p><p>　　1.4

53、文丘里洗滌器的除塵機(jī)理</p><p>　　1.4.1 文丘里管[16]</p><p>　　文丘里洗滌器幾何形狀</p><p>　　濕式除塵器要得到較高除塵效率，必須實(shí)現(xiàn)較高的氣液相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度與非常細(xì)小的液滴。文丘里洗滌器即是基于這一原理而發(fā)展起來。</p><p>　　文丘里洗滌器是一種高效濕式洗滌器，常應(yīng)用于除塵和高溫?zé)煔饨禍?，也?/p>

54、以用于吸收氣態(tài)污染物。</p><p>　　文丘里洗滌器由文丘里管（又稱文氏管）和脫水器（分離器）兩部分組成。文氏管由進(jìn)氣管、收縮段、噴嘴、喉管、擴(kuò)大段組成。</p><p>　　文氏管的結(jié)構(gòu)形式有很多種。依據(jù)斷面形狀分類，有圓形和矩形兩類；按照組合方式分類，有單管與多管組合式；依據(jù)喉管構(gòu)造分類，可分為喉口部分無調(diào)節(jié)裝置的定徑文氏管及喉口部分有調(diào)節(jié)裝置的調(diào)徑文氏管。按水的霧化方式，可分為預(yù)

55、霧化（用噴嘴噴成水滴）以及不預(yù)霧化（借助高速氣流使水霧化）兩類方式；按供水方式分類，有徑向外噴、徑向內(nèi)噴、溢流供水和軸向噴霧四類。溢流供水是在收縮段頂部設(shè)溢流水箱，使溢流水沿收縮段管壁流下形成均勻水膜。溢流文氏管可以起到消除干濕交界面上粘灰的作用。不論供水方式如何，均以利于水的霧化并使水滴能夠布滿整個(gè)喉管斷面為原則[17][18]。</p><p>　　文丘里洗滌器可以用來除去粒徑小于0.1μm的粉塵粒子與氣態(tài)污

56、染物。此外，它效率高，造價(jià)低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能用來處理潮濕和腐蝕性的氣體。但是，對(duì)于二氧化硫和細(xì)小粉塵的高捕集率是以所提供的能量以及氣體壓力損失為代價(jià)的。</p><p>　　因此，研究文丘里洗滌器的效率及壓降模型，從而對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，盡可能降低能耗，是很有意義的。</p><p>　　1.4.2 除塵機(jī)理</p><p>　　文丘里洗滌器的除塵過程分為三項(xiàng)：霧化、凝聚

57、和脫水。前兩個(gè)過程在文氏管里進(jìn)行，后一過程在脫水器內(nèi)完成。含塵氣體從文丘里洗滌器的收縮段進(jìn)入，收縮段的縮徑使流體流速增大，直徑最小喉管是流速達(dá)到最大值。液相從文丘里洗滌器的入口處加入，由于氣液兩相間相對(duì)流速很大，液相被高速的氣相霧化，氣體濕度增加，氣相中的塵粒被液相潤(rùn)濕。塵粒與液滴或塵粒之間發(fā)生激烈碰撞和凝聚形成團(tuán)聚物。進(jìn)入擴(kuò)散段后，流體流速減小，壓力得到回升，以塵粒為核心的凝聚作用加快，小顆粒會(huì)凝聚成大顆粒，從而易于被其它除塵設(shè)備或脫

58、水設(shè)備捕集，使氣體得到凈化。</p><p><b>　　1.5 壓降模型</b></p><p>　　文丘里洗滌器能有效除去氣流中非常小的顆粒，適用性強(qiáng)而且簡(jiǎn)單，因此該設(shè)備已經(jīng)成為了眾多研究的主題。但是壓降的存在極大地增大了文丘里洗滌器的操作費(fèi)用。而且最合適操作條件的確定通常需要綜合考慮壓降和效率。因此，對(duì)于文丘里洗滌器中壓降的研究需要引起注意。</p>

59、;<p>　　文丘里管壓力變化的主要原因是氣相和液相靜壓頭和動(dòng)壓頭相互轉(zhuǎn)化，也就是所謂的氣相和液相的速度變化。其次是摩擦阻力損失，包括液相和氣相相界面間摩擦損失和管壁同氣液相的摩擦阻力損失。還有因流型的差異，所產(chǎn)生的相界面能量損失，在前人研究中也得到證實(shí)。</p><p>　　下文將介紹一些典型的壓降模型。</p><p>　　1.5.1 Calvert壓降模型</p

60、><p><b>　　概述</b></p><p>　　Calvert提出的壓降方程是當(dāng)今工程中運(yùn)用最廣泛的模型，Calvert模型優(yōu)勢(shì)是通過假設(shè)簡(jiǎn)化得到，方便工業(yè)計(jì)算。其對(duì)氣相為連續(xù)相，液相為非連續(xù)相的霧化器（文丘里、孔板和濕式板式洗滌器）提出普適性的壓降和效率模型。Calvert認(rèn)為壓降的產(chǎn)生來源于摩擦阻力損失和液滴的加速度損失，而相對(duì)來說摩擦阻力損失更加依賴于設(shè)備的

61、結(jié)構(gòu)。</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)假設(shè)</b></p><p>　　①視流動(dòng)為一維，忽略流體邊界層，絕熱的；</p><p>　　②此過程為不可壓縮過程；</p><p>　?、垡合嘣诤砉芴?，全都達(dá)到喉管氣速，且液相軸向初速度為零；</p><p>　?、芤饓航档闹饕蛩厥且旱渭铀?，其他因

62、素可以忽略不計(jì)；</p><p>　　⑤引入的液相全部霧化成液滴；</p><p>　　⑥相之間沒有質(zhì)量交換；</p><p>　　⑦喉管中的氣速一定。</p><p><b>　　公式推導(dǎo)</b></p><p>　　Calvert給出喉管處的動(dòng)量守恒方程給出：</p><p

63、>　　-液體加速受到的力-液相質(zhì)量流率為總壓降-喉管截面積</p><p>　　Calvert（1977）積分等式（1）得到壓降公式[19]：</p><p>　　UGt—喉管氣速，m/s</p><p><b>　　—液體密度，</b></p><p><b>　　P—壓力，Pa</b>&l

64、t;/p><p><b>　　L—液體體積流率，</b></p><p><b>　　G—?dú)怏w體積流率，</b></p><p>　　Calvert通過對(duì)比模型值和實(shí)驗(yàn)值提出等式（2）“除了在低液量時(shí)，預(yù)測(cè)壓降比試驗(yàn)壓降高出約15%”。這樣，此后Calvert（1977）在原有模型的基礎(chǔ)上提出修正系數(shù)，并建議值為0.85，Yu

65、ng et al.（1977）年給予理論證明。但在之后工作中，部分研究者在評(píng)價(jià)Calvert模型時(shí)并沒有涉及這個(gè)系數(shù)。</p><p><b>　　后人的評(píng)價(jià)和改進(jìn)</b></p><p>　　對(duì)于文丘里洗滌器中壓降的預(yù)測(cè)，Calvert首先提出了模型，盡管該模型的假設(shè)中存在著不合理，導(dǎo)致了預(yù)測(cè)結(jié)果不夠準(zhǔn)確，但是后人在此簡(jiǎn)化模型的基礎(chǔ)上隨之進(jìn)行了改進(jìn)與發(fā)展，基于Cal

66、vert模型發(fā)展的新等式，保留了最主要的假設(shè)，他們認(rèn)為液滴加速是對(duì)壓降唯一的貢獻(xiàn)。但是改善了液滴的加速。Yung等人和Leith等人是兩個(gè)典型的例子?？梢?，Calvert模型的地位是不容忽視的。</p><p>　　1.5.2 環(huán)狀流壓降模型</p><p><b>　　概述</b></p><p>　　Azzopardi與Govan注意到文

67、丘里洗滌器中的流體力學(xué)現(xiàn)象與環(huán)形兩相流有很多的相似之處。在此基礎(chǔ)上，建立了一種計(jì)算文丘里洗滌器中壓降的新模型。Viswanathan et al.的模型遵循了Azzopardi與Govan的觀點(diǎn)，認(rèn)為文丘里洗滌器中的氣液流動(dòng)形式類似于環(huán)形兩相流的模式[20]。</p><p><b>　　公式推導(dǎo)</b></p><p>　　在Azzopardi模型中，考慮了氣核與液

68、膜之間液滴的交換。即新的液滴不斷從膜上剝落，這種現(xiàn)象叫做夾帶，與此同時(shí)，其他的液滴也會(huì)沉積在膜上。他們提出關(guān)于膜的質(zhì)量平衡方程。其方程如下：</p><p>　　代表液膜質(zhì)量流率，單位：；指的是文丘里的軸向距離，單位：；</p><p>　　D是管徑，單位：；和分別是指沉積到薄膜上的液體流量和從薄膜上被夾帶下來的液體的量，。</p><p>　　該方程通過下面的方程

69、計(jì)算夾帶和沉積的量。</p><p>　　K0是傳質(zhì)常數(shù)，從兩相環(huán)流經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)中獲得，而表示液滴濃度，。</p><p>　　若將液膜加速機(jī)理和重力忽略不計(jì)，則動(dòng)量平衡方程可以寫成如下形式：</p><p>　?。簹怏w體積分率；與分別代表液滴的體積分率和速度，表示氣體與液膜表面的剪切力，；是減去液膜厚度的管道等價(jià)直徑，。</p><p>　　該

70、模型在喉管末端的適用性很好，但對(duì)于擴(kuò)大處壓降的預(yù)測(cè)值比實(shí)際值要低。鑒于此，Azzopardi考慮了邊界層發(fā)展的影響。改進(jìn)后模型的預(yù)測(cè)值相對(duì)可以接受。然而涉及到許多方程和復(fù)雜的算法，為計(jì)算帶來了極大的不便。</p><p>　　Viswanathan et al.繼承了Azzopardi與Govan的觀點(diǎn)，認(rèn)為文丘里洗滌器中的氣液流動(dòng)形式類似于環(huán)形兩相流的模式。該模型可用于預(yù)測(cè)整個(gè)文丘里洗滌器范圍里的壓降。它考慮了

71、氣體與液體的加速，液膜流動(dòng)，以及兩相摩擦損失。盡管如此，Viswanathan等人引入了一個(gè)效率擴(kuò)散因子來校正擴(kuò)散性能，因?yàn)樵跀U(kuò)散段仍存在其他的損失與壓力的恢復(fù)有關(guān)。而且，隨著液氣比的增大，擴(kuò)散性能也會(huì)隨之變差。</p><p>　　Viswanathan(1997a)提出了一個(gè)關(guān)聯(lián)式，通過使用141組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來計(jì)算沿壁面流動(dòng)的平均液體分率[21]。</p><p>　　上述方程的預(yù)測(cè)值相

72、對(duì)比較合理，在可以接受的范圍內(nèi)。擴(kuò)散器效率的計(jì)算應(yīng)用了Wadle的方法。氣體和液體的表觀速度定義如下：</p><p>　　這里，指的是擴(kuò)大段入口處氣核的質(zhì)量流率；X的定義式如下：</p><p>　　將動(dòng)力學(xué)壓力與表觀速度聯(lián)系起來的方程如下：</p><p>　　假設(shè)存在如下比例關(guān)系：</p><p>　　其中的K是要確定的值。</p

73、><p>　　假設(shè)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，壁面摩擦力可以忽略，兩相的密度是常數(shù)，核的質(zhì)量是常數(shù)，上述方程簡(jiǎn)化為</p><p>　　盡管兩相環(huán)形流中空隙占的分率非常小，但是擴(kuò)大處我們用下面的式子來表示：</p><p><b>　??；；</b></p><p><b>　　則可以得到以下方程</b></p>

74、;<p>　　對(duì)于單相流來說，，上述表達(dá)式簡(jiǎn)化為</p><p>　　因此，代表單相擴(kuò)大處效率，通常從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中獲得。</p><p>　　實(shí)際應(yīng)用時(shí)，我們通常使用Wade與Fowler（1989）的設(shè)計(jì)圖表。后來發(fā)現(xiàn)擴(kuò)大處的效率可以用曲線來表示，為了簡(jiǎn)化模型，用多項(xiàng)式擬合曲線，得到的比0.99大。</p><p>　?、偃肟谄矫鏋榉叫蔚臄U(kuò)大段<

75、/p><p>　?、谌肟谄矫鏋槠渌螤畹臄U(kuò)大段</p><p>　?、蹐A錐形擴(kuò)大段且馬赫數(shù)小于等于0.5入口處邊界層較薄的情況下</p><p>　　這里，指的是擴(kuò)張角，可以在較大的范圍內(nèi)計(jì)算得出擴(kuò)大段效率。而且忽略摩擦損失，環(huán)形流模型簡(jiǎn)化為如下形式：</p><p><b>　　評(píng)價(jià)</b></p><

76、p>　　Azzopardi模型在喉管末端的適用性很好，但對(duì)于擴(kuò)大處壓降的預(yù)測(cè)值比實(shí)際值要低。改進(jìn)后的模型的預(yù)測(cè)值相對(duì)可以接受。然而算法較復(fù)雜，為計(jì)算帶來了極大的不便。Viswanathan et al.繼承了Azzopardi 與Govan的觀點(diǎn)，認(rèn)為文丘里洗滌器中的氣液流動(dòng)形式類似于環(huán)形兩相流的模式。該模型可用于預(yù)測(cè)整個(gè)文丘里洗滌器范圍里的壓降，但計(jì)算也很復(fù)雜。</p><p>　　1.5.3 段振亞模

77、型</p><p><b>　　假設(shè)</b></p><p>　　在一般情形下，由重力以及液膜加速引起的壓力損失相對(duì)比較小，可以忽略不計(jì)。壓力損失可看作是由氣體流動(dòng)引起的壓力損失、摩擦壓力損失和液滴加速壓力損失三個(gè)部分組成。</p><p><b>　　公式推導(dǎo)[22]</b></p><p>&l

78、t;b>　　文丘里結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　距離Z= 0截面長(zhǎng)度為Z處的直徑:</p><p>　　在距離入口Z= 0處截面的長(zhǎng)度為Z的位置的橫截面積為</p><p><b>　　摩擦壓力損失</b></p><p>　　假設(shè)氣體為不可壓縮流體，沿軸向作一維流動(dòng)，則氣體連續(xù)方程可以表示為<

79、;/p><p>　　對(duì)軸向的一微分長(zhǎng)度體積元作動(dòng)量衡算可以得到</p><p>　　式中，表示由摩擦引起的氣體壓力梯度；為Moody摩擦系數(shù)， ，注意，在完全湍流的情況下，只與相對(duì)粗糙度有關(guān)，與雷諾數(shù)無關(guān)。而且在設(shè)備的材質(zhì)確定的情況下，可近似地看作是常數(shù)，將公式積分得</p><p>　　根據(jù)是上述式子可計(jì)算得到氣體流經(jīng)文丘里洗滌器的摩擦壓力損失為</p>

80、<p><b>　　式中，</b></p><p>　　表示為氣體動(dòng)壓倍數(shù)的形式，如下：</p><p>　　其中, ，表示干氣體通過文氏管時(shí)的摩擦壓力損失系數(shù)。</p><p>　　氣液混合流動(dòng)的壓力損失系數(shù)</p><p>　　在喉管內(nèi)，氣體表現(xiàn)為靜壓損失,液滴被加速。擴(kuò)大段中氣速下降，液滴則由于慣性繼續(xù)

81、加速，在某一位置液滴速度可能高于氣速，此時(shí)液滴減速，氣體隨之回收部分能量。因此,氣液混合流動(dòng)的壓力損失應(yīng)該由喉管內(nèi)液滴加速的壓力損失和擴(kuò)大段液滴減速的壓力回收兩部分組成。</p><p>　　第一部分：喉管液滴被加速的壓力損失</p><p>　　采用Yung模型計(jì)算得</p><p>　　上式中，表示喉管出口處液滴速度與氣體速度之比</p><

82、p>　　式中，X為表征文丘里喉管長(zhǎng)度的無量綱數(shù)群</p><p>　　第二部分：液滴減速時(shí)的壓力恢復(fù)</p><p>　　對(duì)于擴(kuò)大段，假設(shè)如下：液滴在不斷減速，在文丘里洗滌器出口處接管內(nèi)的速度與該處氣體的速度UGe相等；擴(kuò)大段液滴減速的能量均用于液體的壓力恢復(fù)。</p><p>　　對(duì)洗滌器內(nèi)一微分體積元列動(dòng)量平衡得到下式：</p><p&

83、gt;　　將代入上式積分可以得到，</p><p>　　利用分部積分可以得到下式</p><p><b>　　的計(jì)算方法如下：</b></p><p><b>　　根據(jù)上述式子得</b></p><p>　　可以求得氣液混合流動(dòng)的壓力損失</p><p>　　上式中，為氣液混

84、合流動(dòng)壓力損失系數(shù)</p><p><b>　　氣體加速的壓力損失</b></p><p>　　對(duì)流經(jīng)文丘里洗滌器的氣體列動(dòng)量平衡方程</p><p><b>　　將上式積分得</b></p><p>　　其中，，代表氣體加速壓力損失系數(shù)，由文丘里管的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)。</p><p

85、><b>　　壓力損失的數(shù)學(xué)模型</b></p><p><b>　　由式上述式子可得</b></p><p><b>　　1.6 液滴模型</b></p><p>　　準(zhǔn)確預(yù)測(cè)液滴的平均直徑對(duì)預(yù)測(cè)文丘里洗滌器壓降很重要，其主要取決于吸收液的導(dǎo)入方式、噴嘴和氣速[23]。預(yù)測(cè)液滴粒徑的關(guān)聯(lián)式比

86、較多。本文主要總結(jié)了兩種在壓降模型中經(jīng)常使用的關(guān)聯(lián)式。</p><p>　　1.6.1 Nukiyama和Tanasawa液滴直徑關(guān)聯(lián)式</p><p>　　N-T模型是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，認(rèn)為液滴的尺寸是氣液相對(duì)速度、液氣比、液體性質(zhì)（密度、粘度以及表面張力）的函數(shù)。</p><p>　　其中，指的是液體粘度，單位為：；表示表面張力，N/m。</p>&

87、lt;p>　　1.6.2 Boll et al液滴直徑關(guān)聯(lián)式</p><p>　　Boll et al對(duì)許多描述液滴直徑的關(guān)聯(lián)式的使用范圍和準(zhǔn)確程度進(jìn)行了詳細(xì)描述，并和N-T方程進(jìn)行了比較，在此基礎(chǔ)上提出了一個(gè)計(jì)算文丘里管內(nèi)液滴平均直徑的計(jì)算公式[24]。</p><p>　　1.7 軟件介紹[25]</p><p>　　1.7.1 FLUENT介紹&l

88、t;/p><p>　　FLUENT是美國(guó)FLUENT公司于1983年推出的一款CFD軟件，可計(jì)算流體、熱傳遞以及化學(xué)反應(yīng)等工程問題。由于采用了多種解決方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，所以FLUENT能達(dá)到最佳的收斂速度和求解精度。</p><p>　　FLUENT系列軟件包括通用的CFD軟件FLUENT、POLY&shy;FLOW、FIDAP，工程設(shè)計(jì)軟件FloWizard、FLUENT

89、for CATIAV5，TGrid、G/Turbo，CFD教學(xué)軟件FlowLab，面向特定專業(yè)應(yīng)用的ICEPAK、AIRPAK、MIXSIM軟件等。</p><p>　　FloWizard是高度自動(dòng)化的流動(dòng)模擬工具，它允許用戶進(jìn)行設(shè)計(jì)及在產(chǎn)品開發(fā)的早期階段迅速而準(zhǔn)確地驗(yàn)證設(shè)計(jì)。它引導(dǎo)用戶從頭至尾地完成模擬過程，使模擬過程變得非常容易。</p><p>　　FLUENT for CATIAV

90、5是專門為CATIA用戶定制的CFD軟件，將FLUENT完全集成在CATIAV5內(nèi)部，用戶就像使用CATIA其他分析環(huán)境一樣使用FLUENT軟件。</p><p>　　G/Turbo是專業(yè)的葉輪機(jī)械網(wǎng)格生成軟件。</p><p>　　AIRPAK是面向HVAC工程師的CFD軟件，并依照ISO7730標(biāo)準(zhǔn)提供舒適度、PMV、PPD等衡量室內(nèi)外空氣質(zhì)量(IAQ)的技術(shù)指標(biāo)。</p>

91、<p>　　MIXSIM是專業(yè)的攪拌槽CFD模擬軟件。</p><p>　　除FLUENT外，常用的CFD軟件及相關(guān)仿真軟件還有專業(yè)三維流場(chǎng)分析軟件——CFX、三維CFD快速求解器——CART3D、流體系統(tǒng)仿真、設(shè)計(jì)與優(yōu)化平臺(tái)——Flowmaster、專業(yè)的離散元仿真分析軟件——EDEM等。</p><p>　　1.7.2 GAMBIT介紹</p><p

92、>　　GAMBIT是CFD分析的前處理器，它包括先進(jìn)的幾何建模和網(wǎng)格劃分方法，借助功能靈活、完全集成的和易于操作的界面，GAMBIT可以顯著的減少CFD應(yīng)用中的前處理時(shí)間，是高效的、專用的CFD前處理器。</p><p>　　GAMBIT有如下的功能[26]：</p><p>　　可以構(gòu)造不太復(fù)雜的幾何模型。</p><p>　　GAMBIT可以劃分出結(jié)構(gòu)、非

93、結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和混合網(wǎng)格等多種網(wǎng)格，并能夠細(xì)分和粗化成不連續(xù)網(wǎng)格、可變網(wǎng)格和滑移網(wǎng)格。之后還能指定邊界條件。</p><p>　　1.7.3 ORIGIN介紹</p><p>　　origin是OriginLab公司出品的較流行的專業(yè)函數(shù)繪圖軟件。是公認(rèn)的簡(jiǎn)單易學(xué)、操作靈活、功能強(qiáng)大的軟件，既可以滿足一般用戶的制圖需要，也可以滿足高級(jí)用戶數(shù)據(jù)分析、函數(shù)擬合的需要。</p><

94、;p>　　Origin是一個(gè)領(lǐng)先的科學(xué)繪圖和數(shù)據(jù)分析軟件。Origin被500000多個(gè)注冊(cè)客戶、6000多家公司、6500所學(xué)院和大學(xué)，和3000個(gè)政府機(jī)構(gòu)和研究實(shí)驗(yàn)室所使用，遍布世界各地。</p><p>　　Origin自1991年問世以來，由于其操作簡(jiǎn)便，功能開放，很快就成為國(guó)際流行的分析軟件之一，是公認(rèn)的快速、靈活、易學(xué)的工程制圖軟件。它的最新的版本號(hào)是2015（2014年10月份才發(fā)布）。使用O

95、rigin就像使用Excel和Word那樣簡(jiǎn)單，只需點(diǎn)擊鼠標(biāo)，選擇菜單命令就可以完成大部分工作，獲得滿意的結(jié)果。Origin是個(gè)多文檔界面應(yīng)用程序。它將所有工作都保存在Project(*.OPJ)文件中。該文件可以包含多個(gè)子窗口，如Worksheet，Graph，Matrix，Excel等。各子窗口之間是相互關(guān)聯(lián)的，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的即時(shí)更新。子窗口可以隨Project文件一起存盤，也可以單獨(dú)存盤，以便其他程序調(diào)用。</p>

96、<p><b>　　1.8 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要介紹了我國(guó)目前的環(huán)境狀況和面臨的挑戰(zhàn)，以及除塵研究的重要性。簡(jiǎn)單闡述了文丘里洗滌器除塵設(shè)備特性和功能。在此基礎(chǔ)上介紹了本課題研究的背景、內(nèi)容以及重要意義。</p><p><b>　　文丘里洗滌器擴(kuò)張角</b></p><p>　　2.1

97、 文丘里洗滌器擴(kuò)張角度確定</p><p>　　文獻(xiàn)中描述文丘里管收縮角越小，文丘里洗滌器的氣體阻力就越小，通常為21~30°。當(dāng)用于氣體降溫時(shí)，取22~25°，用于除塵時(shí)取21~28°，最大可達(dá)到30度。擴(kuò)張段的擴(kuò)張角的取值一般與文丘里管出口截面氣速有關(guān)，氣速越大，擴(kuò)張角越小。一般取6~8°。此處收縮段角度不變，保持22°。選擇喉管段長(zhǎng)度為50mm和100mm

98、兩個(gè)尺寸的文丘里，改變擴(kuò)張段角度，從1°到15°，進(jìn)行單氣相的初步分析擴(kuò)張角度的改變對(duì)文丘里洗滌器壓降的影響。圖2-1是文丘里洗滌器的幾何形狀。</p><p>　　圖2-1 文丘里洗滌器幾何形狀</p><p>　　物理模型的建立及網(wǎng)格的劃分采用CFD前處理軟件Gambit2.4.6，建立三維模型，劃分為Cooper形式的六面體網(wǎng)格。由于模型結(jié)構(gòu)規(guī)則，因此劃分的網(wǎng)格質(zhì)

99、量比較好，共產(chǎn)生1082157個(gè)控制體。通過Gambit自帶的網(wǎng)格質(zhì)量檢測(cè)工具對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，網(wǎng)格最大EquiSize Skew（歪斜度）為0.44397，EquiSize Skew0.4以上占到總網(wǎng)格數(shù)的比例為0.27%。網(wǎng)格最大Aspect Ratio（長(zhǎng)寬比）為4.45302，Aspect Ratio4以上占到總網(wǎng)格數(shù)的比例為0.02%。導(dǎo)出mash文件進(jìn)行數(shù)值模擬。圖2-2是文丘里洗滌器單相數(shù)值模擬的網(wǎng)格模型。</p&

100、gt;<p>　　圖2-2 文丘里洗滌器單相數(shù)值模擬網(wǎng)格模型</p><p>　　采用Fluent6.3對(duì)文丘里洗滌器進(jìn)行單氣相數(shù)值模擬。選用標(biāo)準(zhǔn)的k-ξ湍流模型，標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，選擇壓力-速度耦合的隱式求解器。模擬中忽略重力的影響，空氣假定為不可壓縮氣體。殘差精度設(shè)置為10-7，穩(wěn)態(tài)模擬，計(jì)算在1000步內(nèi)達(dá)到收斂。圖2-3為文丘里洗滌器擴(kuò)張角為7°時(shí)單氣相數(shù)值模擬的殘差曲線圖。</

101、p><p>　　圖2-3 文丘里洗滌器擴(kuò)張角為7°時(shí)單氣相數(shù)值模擬的殘差曲線圖</p><p>　　利用Fluent自身的后處理功能對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行處理，選擇喉管長(zhǎng)度為100mm，擴(kuò)張角為7°的一種模型進(jìn)行分析說明。圖2-4是文丘里洗滌的三維壓力分布云圖，由圖可知從入口到出口壓力先降低，在喉管處達(dá)到最低維持一定的穩(wěn)定后進(jìn)入擴(kuò)張段壓力開始回升。總體上出口壓力小于入口壓力，由于壁

102、面的摩擦阻力和突然收縮和突然擴(kuò)張的局部阻力均造成了壓力的損失。</p><p>　　圖2-4 文丘里洗滌器的三維壓力分布云圖</p><p>　　圖2-5反映了文丘里洗滌器中湍流程度的三維分布云圖。由圖可知在喉管處氣速達(dá)到最大，湍流程度最強(qiáng)。進(jìn)入擴(kuò)張段，流道變寬，速度開始降低，但中心處的湍流程度依舊很劇烈。圖2-6是文丘里洗滌器的速度分布云圖，同樣更能清晰的反映出文丘里洗滌器中的流動(dòng)情況。

103、</p><p>　　圖2-5 文丘里洗滌器湍動(dòng)能三維云圖</p><p>　　圖2-6 文丘里洗滌器速度分布云圖</p><p>　　對(duì)喉管長(zhǎng)分別為50mm及100mm不同擴(kuò)張角的單氣相三維數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行匯總，圖2-7是兩種喉管長(zhǎng)度不同擴(kuò)張角的壓力變化趨勢(shì)圖。由圖2-7可知隨著擴(kuò)張角的改變文丘里的壓降呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。兩種喉管長(zhǎng)度下得到的變化趨勢(shì)一樣，總體

104、上喉管越長(zhǎng)文丘里壓降越大。當(dāng)擴(kuò)張角在6°~7°時(shí)，文丘里壓降存在最小值，與文獻(xiàn)值吻合。</p><p>　　圖2-7 擴(kuò)張角改變對(duì)文丘里壓降的影響</p><p>　　圖2-8及圖2-9給出了擴(kuò)張角的改變對(duì)喉管壓降及擴(kuò)張段壓力回升的影響。由圖2-8可知隨著擴(kuò)張角的增大，文丘里喉管的壓降逐漸減小，并且變化趨于緩慢。由圖2-9可知隨著擴(kuò)張角的增大，文丘里擴(kuò)張的壓力回升出現(xiàn)先

105、增大，到一個(gè)平穩(wěn)范圍內(nèi)，繼續(xù)增大擴(kuò)張角壓力回升會(huì)開始減小。同時(shí)還可得到喉管越長(zhǎng)，喉管的壓降越大。但對(duì)于擴(kuò)張段壓力的回升，喉管長(zhǎng)度的改變對(duì)其影響很小。不同喉管長(zhǎng)度的文丘里，在相同的擴(kuò)張角度下，其擴(kuò)張段的壓升基本相同。對(duì)于不同喉管長(zhǎng)度收縮段的壓降分析也可以得到同樣的結(jié)論。</p><p>　　圖2-8 擴(kuò)張角改變對(duì)喉管壓降的影響</p><p>　　圖2-9 擴(kuò)張角改變對(duì)擴(kuò)張段壓升的影響<

106、;/p><p>　　2.2 文丘里洗滌器優(yōu)擴(kuò)張角下氣量的考察</p><p>　　通過初步的單相模擬，最終確定出文丘里洗滌器實(shí)驗(yàn)中擴(kuò)張角選擇7°。對(duì)優(yōu)擴(kuò)張角下的文丘里洗滌器做進(jìn)一步的模擬優(yōu)化，改變進(jìn)氣量，考察其對(duì)壓降的影響。圖2-10是不同氣量下文丘里洗滌器的壓降，從圖中可以看出隨著氣量的增大，文丘里管的壓降越大。因?yàn)榇蟮臍饬肯虏徽撌悄Σ磷枇p失還是由于邊界層分離造成的能量損失及突

107、然擴(kuò)張擴(kuò)張和突然收縮造成的局部阻力損失都將增大，因此造成的結(jié)果是文丘里管總壓降增大。</p><p>　　圖2-10 氣量對(duì)文丘里管壓降的影響</p><p>　　在改變氣量的情況下，同時(shí)考察了不同氣量下文丘里洗滌器喉管中心氣速及喉管出口處?kù)o壓的變化趨勢(shì)，如圖2-11所示。從圖可以看出，隨著氣量的增大，喉管中心處的氣速會(huì)增大，同時(shí)當(dāng)氣量達(dá)到一定值后喉管處會(huì)出現(xiàn)局部真空，產(chǎn)生空化。由機(jī)械能守

108、恒原理可知當(dāng)速度越大時(shí)其壓力會(huì)越小，因此當(dāng)速度增大到一定程度后，便會(huì)產(chǎn)生局部真空。</p><p>　　圖2-11 隨氣量改變喉管出口處氣速及靜壓的改變</p><p>　　為了進(jìn)一步考察氣量改變對(duì)文丘里洗滌器喉管處?kù)o壓變化的影響，確定產(chǎn)生空化的臨界氣量。對(duì)會(huì)出現(xiàn)局部真空的氣量附近進(jìn)行細(xì)化的模擬，給出實(shí)驗(yàn)操作時(shí)氣量變化參考值。由圖2-12可知，當(dāng)氣量在435m3/h左右時(shí)，在喉管處便會(huì)產(chǎn)生

109、局部的真空。在氣量超過465m3/h后在喉管處將出現(xiàn)完全真空狀態(tài)。在實(shí)際操作中氣量應(yīng)盡可能的控制在臨界氣量一下，因?yàn)閷?duì)于文丘里洗滌器來說，如果在喉管處產(chǎn)生局部真空，會(huì)形成很大的逆壓梯度，使得在擴(kuò)張段造成嚴(yán)重的邊界分離和強(qiáng)烈的返混，使得操作的壓降升高，洗滌效率的提高也并不明顯，帶來操作成本增大。同時(shí)由于局部真空的產(chǎn)生，回流流體對(duì)管壁的撞擊也使得設(shè)備產(chǎn)生了更多的磨損。都是很不利的影響，應(yīng)當(dāng)避免。</p><p>　　

110、圖2-12 喉管處?kù)o壓隨氣量的變化</p><p>　　在氣量為250m3/h的條件下分別對(duì)喉管長(zhǎng)為50mm及100mm，擴(kuò)張角為7°的兩種實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，分析其中心軸線上靜壓及速度的變化情況。如圖2-13、圖2-14所示。</p><p>　　圖2-13 喉管長(zhǎng)50mm時(shí)文丘里管中心變化情況</p><p>　　圖2-14 喉管長(zhǎng)100mm時(shí)文丘里管中

111、心變化情況</p><p>　　由圖2-13、圖2-14可知從文丘里管入口到出口氣速先增大后減小，相應(yīng)的靜壓先減小后增大。在文丘里管中從收縮段到喉管處?kù)o壓能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能，氣體靜壓能減小，動(dòng)能增大。在喉管處速度達(dá)到最大，靜壓力達(dá)到最小。隨后進(jìn)入擴(kuò)張段，動(dòng)能開始轉(zhuǎn)化為靜壓能，氣體速度減小，靜壓能增大。從整個(gè)過程來看，文丘里管進(jìn)口壓力大于出口壓力，存在壓降。</p><p>　　第3章實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及數(shù)

112、據(jù)處理</p><p><b>　　3.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容</b></p><p>　　本次實(shí)驗(yàn)就文丘里洗滌器為實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究其在不同管徑、不同氣速及不同液速下壓降的變化規(guī)律。</p><p>　　3.1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?lt;/p><p>　　熟知文丘里管的結(jié)構(gòu)和工作原理；</p><p>　　

113、熟知文丘里洗滌器的結(jié)構(gòu)和工作原理；</p><p>　　掌握獨(dú)立實(shí)驗(yàn)的操作技能；</p><p>　　學(xué)習(xí)使用FLUENT軟件。</p><p>　　3.1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備</p><p>　　文丘里洗滌器 一臺(tái)（配50、75、100喉管長(zhǎng)度）</p><p><b>　　壓縮機(jī) 一臺(tái)</b&

114、gt;</p><p><b>　　離心泵 一臺(tái)</b></p><p>　　轉(zhuǎn)子流量計(jì) 兩臺(tái)</p><p>　　自動(dòng)測(cè)壓儀 一臺(tái)（至少接6個(gè)測(cè)壓孔）</p><p>　　3.1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備流程圖</p><p>　　圖3-1 設(shè)備流程圖</p><p&g