文丘里洗滌器除塵效率的CFD模擬研究

1. 背景介紹

文丘里洗滌器其工作原理是利用高速氣流將注入的液體撕裂破碎成大量細小液滴，形成一個巨大的氣液接觸界面。安全殼內攜帶放射性粉塵的氣體通過文丘里管時，粉塵顆粒與液滴發生碰撞、慣性攔截和擴散等作用，從而被液滴捕獲并最終從氣流中分離出來。由于其結構簡單、除塵效率高且可靠性好，文丘里洗滌器在核能、化工、冶金等工業廢氣處理領域具有重要地位。

案例旨在通過CFD數值模擬方法，深入研究文丘里洗滌器內部的復雜氣液固多相流動和傳質過程，精確預測其除塵效率，為優化設計和安全分析提供理論依據。

基于ANSYS Fluent軟件，采用計算流體動力學（CFD）方法對文丘里洗滌器的除塵過程進行了數值模擬研究。模擬采用了歐拉-拉格朗日框架，將氣相（空氣）處理為連續介質，并利用離散相模型（DPM）追蹤粉塵顆粒（TiO?）的運動。

關鍵詞：文丘里洗滌器；CFD；離散相模型（DPM）；除塵效率；多相流

2. 計算模型與設置

2.1 幾何模型與網格

計算模型幾何結構包含收縮段、喉部和擴散段。計算網格采用多面體網格，在fluent meshing中生成，并對喉部高速剪切區及近壁區域進行了局部加密，以確保能夠準確捕捉核心流動特征和顆粒軌跡。最終網格總量約為525萬單元，網格質量大于0.6，滿足計算精度要求。

圖1 計算模型及網格劃分

2.2 多相流模型

模擬采用歐拉-拉格朗日方法：

? 氣相（連續相）：采用RNG k-ε湍流模型進行模擬，該模型對于處理文丘里管內的高速、強剪切流動具有較高的精度。

? 離散相：包括洗滌液滴和粉塵顆粒，均通過離散相模型（DPM） 進行追蹤。

粉塵：疏水性二氧化鈦（TiO?）顆粒，密度為4230 kg/m3，粒徑為1 μm，被視為惰性顆粒。

2.3 關鍵模型與邊界條件

? 顆粒捕集機制：粉塵顆粒的捕集主要基于慣性碰撞機理。單個液滴的碰撞效率η由經驗公式計算：

? 邊界條件：

氣相入口：采用質量流量入口。

液相入口：采用質量流量入口。

離散相邊界：所有壁面設置為trap（捕獲），出口設置為escape（逃逸）。

2.4 求解設置與除塵效率計算

計算采用基于壓力的耦合求解器，所有方程均采用二階迎風格式進行離散。除塵效率通過在文丘里進出口界面監測離散相的質量流量進行計算。

3. 計算結果與分析

3.1 流場特性分析

圖2 流場分布-切面

圖3 粒子密度分布-切面

3.2 除塵效率

圖4 出口粒子質量流量

根據出口和入口粒子質量流量，計算文丘里管除塵效率。

4. 結論

本案例成功運用CFD方法對文丘里洗滌器的除塵性能進行了高精度的數值模擬，得出以下結論：

1. 采用的歐拉-拉格朗日多相流模型、RNG k-ε湍流模型及DPM模型能夠有效地模擬文丘里洗滌器內的復雜多相流動和捕集過程。

3. 方法可為文丘里洗滌器的優化設計和工程應用提供重要的理論指導和技術支持。

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