摘 要：本文在分析风流数值模拟基本过程的基础上，介绍了商业化流体计算软件FLUENT，并以静电－布袋除尘器为例，对其内部风流的流线、速度场、穿孔板以及内部压力分布进行了模拟，其结果可用以指导除尘器的设计或系统改造。
　　关键词：除尘器 风流 数值模拟 CFD FLUENT
　　1、前言
　　从现场应用的角度看，系统阻力是决定除尘系统成功的关键因素之一，它涉及到能源消耗的多少。除尘系统的阻力与管道、除尘器内部结构、风流速度、进出口形状等许多因素有关。尽管人们已经积累了一些除尘器设计的经验和常用的除尘器降阻措施，但对于除尘器内部风流形状、阻力、静压分布等参数的掌握还仅停留在经验的水平或实验测试的阶段，而实验测试通常要投入很多的人力、物力与时间。对于旧系统的改造，由于需要考虑现有条件，设计时会存在更大的针对性，在缺少经验的前提下，如何保证系统风流分布的合理性，使系统阻力最小成为设计者的重要任务。
　　风流的数值模拟是以风流运动的质量、动量和能量守恒微分方程为基础、借助于计算机数值分析的手段对风流在限定的物理模型和运动边界下的流动情况进行模拟的方法。通过对新设计或需改造的系统进行风流模拟，可以提前发现风流的涡流区和速度、压力分布情况，从而通过修改系统形状、尺寸使系统更优。该方法被广泛用于系统的前期设计和结构优化方面。
　　2、风流数值模拟的过程
　　对流体的流动进行数值计算模拟的方法称为计算流体动力学（CFD），该方法通常包括如下步骤：
　　（1）确定研究对象的几何模型
　　针对所要模拟的管道、除尘器、通风系统或现场的实际情况，使用特定的计算机图形软件或一些CFD 的专业前处理器软件，在二维或三维坐标系中，按照现场的实际尺寸来建立精确的几何模型。
　　（2）建立物理模型
　　以流体力学、热力学、传热传质学、燃烧等学科的基本原理为出发点，建立基本的守恒方程组，包括连续方程、动量方程、能量方程、组分方程、湍能方程等，这些方程构成非线性偏微分方程组。并根据实际情况设定边界，边界条件可分为两类，一类是确定物理过程所必需的物理边界条件，另一类是在数值计算中需要给定的辅助数值边界条件，CFD 模拟的基本边界条件包括流体进口边界，流体出口边界，给定压力边界、对称边界，壁面边界、周期性边界。
　　（3）几何模型网格化
　　对所建立的方程组，目前还无法通过解析方法求解，只能使用数值方法。为求解所建立的数学模型，通常需要借助网格使用有限差分法、有限元法、有限体积法来建立针对控制方程的数值离散。网格是CFD 模型的几何表达形式，是模拟与分析过程的关键部分，而且网格质量对CFD 计算精度和计算效率有重要影响。网格划分通常使用工具进行。
　　（4）求解过程
　　求解器使用适当的初始数值和边界条件的输入以及控制参数来对方程组进行迭代，并计算参差，如果误差较大则重新计算，直到精度满足要求。求解需要对离散方程进行某种调整，并对各未知量（如速度、压力、温度等）的求解顺序及方式进行特殊处理。经常使用的两种数值求解方法为分离解法和耦合解法。均可以求解守恒型积分方程，其中包括动量、能量、质量以及其它标量如湍流和化学组分的守恒方程。
　　（5）报告
　　解算的结果可以使用报告形式来表示，如速度、压力和温度的参差，以及气流摩擦因子、压力降等，也可在XY 二维坐标系中显示该结果。
　　（6）后处理
　　数值模拟的优点在于可以使用计算机来直观的表示最终结果，根据所求量的不同，可以有流体的速度矢量图、流线图、压力等值线图、等温线、等浓度线等图形和动画。系统的阻力主要来源于流线的涡流，直观的显示有助于发现缺陷，不断修改设计，使系统的结构最优。
　　3、 模拟软件
　　复杂的 CFD 模型和计算过程使流体的数值仿真的应用存在一定难度，所幸一些通用的商业软件使其成为可能，如FLUENT、PHOENICS、CFX、STAR-CD、FIDIP 等专业化软件。
　　FLUENT 是应用最广的软件。它提供了灵活的网格特性，用户可以方便地使用结构网格和非结构网格对各种复杂区域进行网格划分，对于具有较大梯度的流动区域，FLUENT 提供的网格自适应特性可让用户在很高的精度下得到流场的解。其通用求解器，适用于低速不可压流动、跨音速流动乃至可压缩性强的超音速和高超音速流动等各种复杂的流场。FLUENT丰富的物理模型使得用户能够精确的模拟无粘流、层流、湍流、化学反应、多相流等其它复杂的流动现象。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而FLUENT 能达到最佳的收敛精度，使其在层流、湍流、传热、化学反应、多相流等领域取得了显著的成效。
　　GAMBIT、TGRID、PrePDF 与FLUENT 有着极好的兼容性。使用CAD/CAE 软件或GAMBIT 生成几何模型，并经过TGRID 进行2D 三角形网格、3D 四面体网格、2D 和 3D 杂交网格或经过GAMBIT 离散化。GAMBIT 可生成供FLUENT 直接使用的网格模型，也可将生成的网格传送给TGRID，由TGRID 进一步处理后再传给FLUENT。FLUENT 则导入网格化的几何模型，并选择应用的流体物理模型，输入边界条件和初始值后进行数值化计算。PrePDF 主要用于对某些高温、传热或燃烧问题进行建模。
　　4、电袋复合除尘器内风流模拟
　　下面给出电袋复合除尘器内风流的模拟实例。静电－布袋复合式除尘器的主要特点是静电除尘器单元与布袋除尘器单元两种除尘设备置于同一个箱体内，利用静电除尘和过滤除尘两种机理的联合作用来捕集粉尘。图3 为静电－布袋复合除尘器几何模型的俯视图，气流从除尘器左侧入口进入，静电除尘器对部分粉尘进行捕集，气流经过穿孔板进入布袋室，经外过滤后净气自顶部从右侧排出。
　　从图中 可以看出风流在静电除尘器中部、边壁和顶角处产生漩涡，会造成风流能量损失；图是说明了入口风速在17m/s，渐扩口风速在7－12m/之间，边壁一些部位风速在5m/s,静电除尘器中部风速在1m/s；而图中展示了垂直于穿孔板的风流处形成大涡旋，速度在1.2-5m/s 之间；在图中入口管道动压较高可以达到170Pa，而除尘器内部压力值分布相对较均匀，大约为15Pa。
　　根据上述结果，可以对除尘器的几何尺寸重新进行设计，使其风流分布更合理，阻力更小。
　　5、结论
　　CFD 是目前流体研究内比较活跃的领域，在建立几何模型的基础上，通过对几何模型的网格化和对流体方程组的离散化，辅之以适当的边界条件，并使用FLUENT 等商业软件，能得到直观的模拟结果，该结果可以用以指导除尘系统的设计。