基于Fluent的DPM对文丘里管除尘仿真计算 原创

文丘里洗涤器除尘效率的CFD模拟研究

1. 背景介绍

文丘里洗涤器其工作原理是利用高速气流将注入的液体撕裂破碎成大量细小液滴，形成一个巨大的气液接触界面。安全壳内携带放射性粉尘的气体通过文丘里管时，粉尘颗粒与液滴发生碰撞、惯性拦截和扩散等作用，从而被液滴捕获并最终从气流中分离出来。由于其结构简单、除尘效率高且可靠性好，文丘里洗涤器在核能、化工、冶金等工业废气处理领域具有重要地位。

案例旨在通过CFD数值模拟方法，深入研究文丘里洗涤器内部的复杂气液固多相流动和传质过程，精确预测其除尘效率，为优化设计和安全分析提供理论依据。

基于ANSYS Fluent软件，采用计算流体动力学（CFD）方法对文丘里洗涤器的除尘过程进行了数值模拟研究。模拟采用了欧拉-拉格朗日框架，将气相（空气）处理为连续介质，并利用离散相模型（DPM）追踪粉尘颗粒（TiO₂）的运动。

关键词：文丘里洗涤器；CFD；离散相模型（DPM）；除尘效率；多相流

2. 计算模型与设置

2.1 几何模型与网格

计算模型几何结构包含收缩段、喉部和扩散段。计算网格采用多面体网格，在fluent meshing中生成，并对喉部高速剪切区及近壁区域进行了局部加密，以确保能够准确捕捉核心流动特征和颗粒轨迹。最终网格总量约为525万单元，网格质量大于0.6，满足计算精度要求。

图1 计算模型及网格划分

2.2 多相流模型

模拟采用欧拉-拉格朗日方法：

• 气相（连续相）：采用RNG k-ε湍流模型进行模拟，该模型对于处理文丘里管内的高速、强剪切流动具有较高的精度。

• 离散相：包括洗涤液滴和粉尘颗粒，均通过离散相模型（DPM） 进行追踪。

粉尘：疏水性二氧化钛（TiO₂）颗粒，密度为4230 kg/m³，粒径为1 μm，被视为惰性颗粒。

2.3 关键模型与边界条件

• 颗粒捕集机制：粉尘颗粒的捕集主要基于惯性碰撞机理。单个液滴的碰撞效率η由经验公式计算：

• 边界条件：

气相入口：采用质量流量入口。

液相入口：采用质量流量入口。

离散相边界：所有壁面设置为trap（捕获），出口设置为escape（逃逸）。

2.4 求解设置与除尘效率计算

计算采用基于压力的耦合求解器，所有方程均采用二阶迎风格式进行离散。除尘效率通过在文丘里进出口界面监测离散相的质量流量进行计算。

3. 计算结果与分析

3.1 流场特性分析

图2 流场分布-切面

图3 粒子密度分布-切面

3.2 除尘效率

图4 出口粒子质量流量

根据出口和入口粒子质量流量，计算文丘里管除尘效率。

4. 结论

本案例成功运用CFD方法对文丘里洗涤器的除尘性能进行了高精度的数值模拟，得出以下结论：

1. 采用的欧拉-拉格朗日多相流模型、RNG k-ε湍流模型及DPM模型能够有效地模拟文丘里洗涤器内的复杂多相流动和捕集过程。

3. 方法可为文丘里洗涤器的优化设计和工程应用提供重要的理论指导和技术支持。

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