旋风除尘器最优化设计及CFD数值验证

郗 元 ，霍 浩 ，代 岩

1 引言

随着我国工业的迅猛发展，工业生产过程中产生的粉尘已成为造成雾霾的主要原因。究其根本必须做好对粉尘源头的控制，这是最直接也是最有效的治理方法[1]。旋风除尘器作为高效率、低能耗的除尘设备，广泛应用于能源及环保行业中。文献[2]设计了一种用于回收烟气余热的套管换热式旋风除尘器，热回收量可以提高（1.33～3.06）倍。文献[3]通过引入喷雾降尘技术提高了旋风除尘器的除尘效率，并结合MATLAB对其进行了不同压力的计算。文献[4]结合神经网络对旋风分离器进行了多目标优化研究。

上述研究均从不同角度提高了旋风除尘器的性能，但很少有学者针对全局结构参数进行整体优化分析。通过建立除尘效率理论计算模型，综合考虑各结构影响参数，并结合MATLAB进行寻优计算，对新结构下旋风除尘器内部流速、压力及除尘效率进行数值模拟分析，验证理论模型，确定最优结构参数的可行性。

2 物理模型

某型号旋风除尘器结构示意图，如图1所示。其主要结构包括旋风除尘器入口高度a、入口宽度b、筒体高度H；出气口直径Dc、插入筒体深度 L；筒体直径 D0、高度 Hc；排灰口直径 Dd。

图1 旋风除尘器结构示意图Fig.1 Structure Diagram of Cyclone Dust Collector

3 数学模型构建

选取除尘效率作为旋风除尘器分离性能的优化目标，并结合Leith-Licht设计法[5]，建立数学模型。

结合井伊谷钢一的普通直入型旋风分离器的压力损失公式[6]：

式中：K—常数，取16；Vi—进风口速度；ρ—气体密度。

将Vi=Q/ab代入式（3），并整理得

结合除尘器设计……