【HVAC】叶片型式与数量对轴流式旋风除尘器性能影响的模拟分析

　　目前，机械通风系统中的常规除尘方式为过滤器过滤除尘，具有除尘效率高、安装方便等优点，但存在易积灰堵塞、滋生细菌、维护成本高等问题。在一些场合，如发生沙尘天气、室内存在高强度尘源，新风或回风中颗粒的浓度很高，导致过滤器的积灰堵塞等问题更加严重，甚至使通风系统无法正常运行。过滤器过滤除尘存在上述问题的根本原因是该方式为接触式除尘方式，必须通过过滤材料与颗粒的接触，并将颗粒收集在过滤材料表面或内部，才能除去空气中所含的颗粒。因此，解决该问题的关键是寻找一种非接触式除尘方式，降低空气中的颗粒浓度，达到替代过滤器或降低过滤器入口空气中颗粒浓度的目的。所以，非接触式除尘方式必须既能有效地分离空气中的颗粒，又能满足通风系统在空间大小、运行能耗等方面的要求。

　　现有非接触除尘方式主要分为重力沉降室、惯性除尘器、旋风除尘器和静电除尘器。其中，旋风除尘器结构简单并具有较高的颗粒分离效率，在通风系统中具有一定的应用潜力。旋风除尘器分为反转式和轴流式2种形式，能够有效地分离粒径大于5 μm的颗粒。反转式相对于轴流式具有更高的分离效率，但阻力较大且对安装空间要求很高，很难应用于通风系统中；而轴流式旋风除尘器，具有设备体积小、空气处理量大、易于组装等优点，且在结构设计合理的情况下，可以保证较高颗粒分离效率的同时将压力损失控制在一定的范围内。

　　由于民用通风系统的风机压头一般为300～400 Pa，且处理风量较大，如果旋风除尘器阻力过大或处理风量太小，则无法应用于民用通风系统中。目前，关于轴流式旋风除尘器的研究主要集中在提高颗粒分离效率这个单一目标上，对分离效率、处理风量及压力损失3个因素之间关系的综合研究较少。国外学者主要研究设备在气溶胶采样领域的应用，设备的空气处理量很小，且压力损失很大；国内研究以大颗粒的分离为主，对小颗粒的分离及降低设备的压力损失研究不足。现有文献对压力损失的研究不足，导致轴流式旋风除尘器难以在通风系统中得到广泛的应用。

　　因此，在保证颗粒分离效率及处理风量的前提下，通过优化结构参数降低轴流式旋风除尘器的压力损失极为重要。研究表明，轴流式旋风除尘器的压力损失、分离效率等性能指标取决于外筒尺寸、稳流体尺寸、叶片参数、排气口结构等结构参数。在结构参数中，叶片参数对设备性能的影响较为显著，但目前仍缺少不同叶片型式和数量下设备性能的系统研究。因此本文针对轴流式旋风除尘器，通过数值模拟方法分析叶片参数对设备性能的影响。主要研究叶片为正交直母线叶片时，叶片准线类型和叶片数量2个参数对设备性能的影响。

1　建模与算例设计

1.1　物理模型

　　本文研究的轴流式旋风除尘器如图1所示，主要包括以下部件：进风入口、导流叶片、环形导流区域、导流体、出口和集尘箱。当含颗粒的空气从入口进入旋风除尘器时，气流由于导流叶片的诱导作用在环状导流区域内旋转并向出口方向流动，颗粒在离心力的作用下向设备外筒移动，最终颗粒被集尘箱收集，处理后的空气从出口流出设备。与常规轴流式旋风除尘器相比，该设备具有一个环状区域，能够有效地控制气流的流动轨迹并避免内旋流的产生，从而提高颗粒分离效率并降低能量损失。该设备的结构参数主要包括导流体半径R₁、外筒半径R₂、设备环形导流区域长度L₁和导流叶片高度H。

图1　轴流式旋风除尘器结构

　　由于除尘器出口区域的流道复杂，导致模拟该设备内部流场时存在收敛精度低和结果准确性差等问题。为了提高收敛精度和结果准确性，本文在模拟中忽略出口部分，仅选择设备出口前区域进行研究分析。此外，适当扩展进气入口区域，在此基础上得到模拟区域，如图2所示。其中R₁＝65 mm，R₂＝103 mm，H＝100 mm，L＝1 200 mm，L₁＝700 mm。

图2　模拟区域设置

1.2　数值模型与边界条件

　　文献研究表明，旋风除尘设备内部为强旋转流场，两方程模型（K-ε模型）对此类流场模拟精度低，一般需采用雷诺应力模型（RSM）保证模拟精度。因此，本文采用RSM模型进行模拟分析。颗粒在流场中的运动模拟采用Fluent软件中的离散相模型（DPM）。DOM中颗粒和气流之间为单向耦合关系，气流影响颗粒运动，而颗粒对气流流动无影响，适用于气流中颗粒含量很小的情况。求解方法采用SIMPLE算法，对流项离散格式采用QUICK格式，压力差补格式采用PRESO。

　　边界条件设定如下：

　　1）入口边界：取入口为常温下的空气，入口速度为4 m/s，湍流强度取5％；

　　2）出口边界：自由出流边界；

　　3）L₁范围内的外筒表面：设为标准壁面，由于在轴流式旋风除尘器的颗粒分离理论中普遍认为颗粒到达外筒壁面或壁面边界层时视为从流体中分离，因此该边界针对颗粒设为捕捉边界，当颗粒与该表面接触后将从流体中分离；

　　4）其他壁面：标准壁面，针对颗粒设为反弹边界。

1.3　模拟工况设定

　　本文主要研究导流叶片为正交直母线叶片时，叶片准线与叶片数量对设备性能的影响。叶片内准线方程采用4种不同类型曲线方程，如表1所示，表中η为圆柱面的展开长度，φ为柱面坐标系中准线上的某点与起点在水平投影上的夹角。不同准线方程叶片的内准线对应圆柱面展开轨迹如图3所示，利用Pro/Engineer三维软件建立的叶片模型如图4所示。

表1　叶片内准线方程

图3　不同类型叶片内准线对应的圆柱面展开轨迹

图4　不同类型叶片的Pro/Engineer模型

　　在保证叶片高度H、宽度d、厚度δ和内准线出口角β₁不变的情况下，在较大范围内调整叶片数量（4，6，8，10，12，14，16个），共28个模拟工况。叶片相关参数依次设定为：H＝100 mm，d＝38 mm，δ＝3 mm，β₁＝30°。

1.4　网格划分与实验验证

　　本文所述工况均采用分区域网格划分方法，其中叶片区域采取非结构化网格并进行加密，其他区域采取结构化网格。针对C型叶片进行网格无关性验证，验证后取网格数目为130万。取叶片数量为8，利用七孔探针测速系统测量了设备内部的气流速度v、轴向速度v_z、切向速度v_τ和静压p_j沿轴向的分布。并取叶片出口后在径向位置r/D＝0.4（其中r为测试点与模型中心线的垂直距离，D为模型的外筒直径）处的实验数据与模拟结果进行对比。由于颗粒在设备内部的运动与分离取决于流场状态及颗粒在流场中受到的作用力，流场确定后颗粒分离效率也随之确定。因此，本文仅验证流场参数，不对流场中颗粒运动进行验证。

　　结果显示，模拟结果中的流场参数变化规律与实验数据相似，说明模拟结果能够较好地反映实际流场中速度和压力参数的变化。

1.5　设备性能评价指标

　　不同叶片型式和数量对应的设备性能通过以下指标进行对比：1）叶片出口截面的平均切向速度v_τ；2）叶片出口截面的平均气流出口角β；3）空气从模型入口到模型出口前区域的全压损失Δp₁；4）空气从叶片入口到叶片出口的全压损失Δp₂；5）从模型入口释放的球形颗粒（空气动力学直径为6 μm）对应的捕捉效率ζ。其中，Δp₁和Δp₂对应的截面位置如图5所示。不同工况的对比结果如图6～10所示。

图5　Δp₁和Δp₂对应的截面位置

图6　叶片出口截面的平均切向速度

图7　叶片出口截面的平均气流出口角

图8　空气从模型入口到模型出口前区域的全压损失

图9　空气从叶片入口到叶片出口的全压损失

图10　从模型入口释放的球形颗粒

（空气动力学直径为6 μm）对应的捕捉效率

2　结果分析

2.1　叶片出口截面平均切向速度和平均气流出口角

　　由图6可以看出：叶片型式对叶片出口截面的平均切向速度有显著影响，相同叶片数量下，不同型式叶片出口截面的平均切向速度从大到小依次为L型、M2型、M1型和C型，说明L型叶片诱导气流转向的能力最强。

　　由图6还可以看出：叶片数量对叶片出口截面的平均切向速度有显著影响，对不同类型叶片，叶片数量对叶片出口截面的平均切向速度的影响有所不同，L型和M2型叶片的叶片数量与叶片出口截面的平均切向速度满足线性关系，每增加2个叶片，叶片出口截面的平均切向速度约增大0.2～0.4 m/s；C型和M1型叶片的叶片数量与叶片出口截面的平均切向速度满足对数函数关系，当叶片数量小于10时，增加叶片数量会显著增大叶片出口截面的平均切向速度。

　　由图7可以看出：叶片型式对叶片出口截面的平均气流出口角有显著影响，相同叶片数量下，不同型式叶片出口截面的平均气流出口角从大到小依次为C型、M1型、M2型和Ｌ型；与叶片理论平均出口角相比，C型、M1型、M2型叶片的叶片出口截面平均气流出口角均大于叶片平均出口角，表明这3种型式叶片在所研究叶片数量范围内的平均气流出口角均不能达到理论值；Ｌ型叶片的叶片出口截面平均气流出口角小于叶片平均出口角，表明该型式叶片在所研究叶片数量范围内均可以有效地诱导气流旋转。

　　由图7还可以看出：不同型式叶片，叶片数量对叶片出口截面的平均气流出口角影响效果不同；对C型和M1型叶片，叶片数量与叶片出口截面的平均气流出口角满足指数函数关系，当叶片数量小于10时，增加叶片数量能够显著减小叶片出口截面的平均气流出口角；对M2型叶片，叶片数量与叶片出口截面的平均气流出口角满足线性关系，每增加2个叶片，平均气流出口角约减小0.4°；对L型叶片，改变叶片数量，叶片出口截面的平均气流出口角几乎不变，每增加２个叶片，平均气流出口角减小不到0.03°。

2.2　设备不同位置间的全压损失

　　由图8，9可以看出：叶片型式对设备全压损失（Δp₁，Δp₂）的影响远大于叶片数量；Ｌ型叶片对应的2类全压损失远大于其他3种型式的叶片，主要原因：一是气流在叶片入口处突然改变流动方向，造成较大的局部能量损失，二是L型叶片对应的气流切向速度大于其他型式叶片，气流与壁面间的摩擦损失较大；C型叶片对应的2类全压损失均小于其他型式的叶片，主要是由于叶片准线曲率保持不变和气流切向速度较小，气流在叶片段改变方向导致的能量损失及在环状导流区域与壁面的摩擦损失均小于其他型式叶片。

　　由图8，9还可以看出：叶片数量对设备的２类全压损失（Δp₁，Δp₂）均有一定的影响。对上述4种型式的叶片，叶片数量与２类全压损失较好地满足线性关系，增加叶片数量均会导致２类全压损失增大，主要原因：一是叶片数量增加会导致气流切向速度增大，从而增大环状区域气流与壁面的摩擦损失；二是叶片具有一定厚度，增加叶片数量会加剧叶片进出口的突缩与突扩现象，造成更大的局部损失。叶片每增加2个，Δp₁约增大5.3～17.3 Pa，Δp₂约增大1.4～20.0 Pa。对于L型叶片，叶片数量增加会导致2类全压损失急剧增大；对于其他3种型式叶片，叶片数量对2类全压损失的影响较小。

2.3　颗粒捕捉效率

　　由图10可以看出，叶片型式对颗粒捕捉效率有显著影响，相同叶片数量下，不同型式叶片的颗粒捕捉效率从大到小依次为L型、M2型、M1型和C型（叶片数量不超过10时）。

　　由图10还可以看出：不同型式叶片，颗粒捕捉效率受叶片数量影响较大，但影响效果不同；对C型、M1型和M2型，颗粒捕捉效率随叶片数量增加呈现先提高后下降的趋势，叶片数量介于8～12之间时，颗粒捕捉效率较高；对L型叶片，颗粒捕捉效率随叶片数量的增加而下降。出现上述变化趋势的主要原因：特定粒径颗粒的捕捉效率受气流切向速度和气流湍流强度2个因素共同影响，颗粒捕捉效率随气流切向速度增大而提高，随气流湍流强度增大而降低，而增加叶片数量不仅会提高气流切向速度，同时还会增大气流湍流强度。

3　结论

　　1）导流叶片的型式和数量均对轴流式旋风除尘器性能有显著影响。L型叶片具有较强的诱导气流旋转能力，对应设备的全压损失和颗粒捕捉效率均远大于其他型式叶片，增加叶片数量会导致压力损失增加，但会降低颗粒分离效率；C型叶片的诱导气流旋转能力较弱，对应设备的压力损失和颗粒分离效率相对较低，一定范围内增加叶片数量不会大幅增大压力损失但会显著提高颗粒分离效率，叶片数量为12个时对应的颗粒分离效率最高；M型叶片性能介于C型和Ｌ型之间，且当M型的叶片内准线轨迹与C型相似时，2种型式叶片性能相差不大。

　　2）在实际应用中，由于通风系统中风机的压头有限且风机能耗占通风系统整体能耗的比例较大，从节能角度考虑，保证颗粒分离效率较高的同时降低除尘设备的压力损失极为重要。由于Ｌ型和M2型叶片对应在叶片段的局部压力损失和在设备中的整体压力损失均很大，因此Ｌ型和M2型叶片并不适用于普通通风系统，但适用于对颗粒分离效率要求很高且不关注阻力的场合，叶片数量以4～8个为宜；而C型和M1型叶片既能有效地分离空气动力学直径大于6 μm的颗粒，又具有较小的压力损失，较为适用于要求阻力较小的通风系统中，叶片数量以10～12个为宜。

　　3）如果单独使用轴流式旋风除尘器无法满足通风系统对颗粒浓度的要求，也可以将轴流式旋风除尘器与传统过滤器结合使用，用于降低过滤器处理气流中的颗粒浓度，从而延长过滤器的使用时间。

来源：《暖通空调》2016年第11期

作者：清华大学　王鲁平　李先庭　邵晓亮

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