基于CFD-DEM的金属纤维滤网反吹过滤特性研究

金属纤维滤网是一种应用于化工、冶金、石油、环保等领域的新型滤网，可以拦截流体中的固体污染物[1-3]。相较于传统的布式滤袋，具有耐高温、抗腐蚀、可加工性强、使用寿命长等特点，可以很好地解决恶劣工况下极易发生的糊膜、高温烧袋、滤袋破损导致的粉尘泄露等问题，有效降低企业的生产成本，提高设备的连续生产能力[4]。

反吹清灰技术是提高滤网使用寿命的关键技术。通常是将压缩空气从滤袋过滤的反方向吹扫，使滤袋表层及内部的粉尘脱离，恢复滤袋的过滤性能[5]。很多学者对纤维滤袋的反吹过程进行了广泛研究，发现反吹清灰效果主要受滤袋的大小、喷吹压力、喷吹设备形式、滤袋排布方式等诸多因素影响。张景霞等[6]利用计算流体动力学对脉冲袋式除尘器喷吹管内气流进行了数值模拟，研究了气流在滤袋内的气体流量、速度和静压的分布。 Yan等[7]发现较大的侧壁压力峰值更有利于清灰，而Humphries等[8]的研究则显示侧壁压力峰值与喷吹压力呈正相关关系。胥海伦等[9]自行设计了气体喷吹器，并对滤筒除尘器的脉冲喷吹清灰流场进行了分析，得到了最佳的喷吹器开口直径。安蓉蓉等[10]提出了一种转角正方形排布的袋式除尘器，并通过试验与数值模拟结合的方法研究不同进气条件下排布方式除尘器内部的速度分布规律以及流量分配系数。秦文茜等[11]通过试验的方法，分析了喷吹压力、喷吹距离以及喷吹孔径对金属滤袋的压力分布影响，得到了最佳操作参数，并指出金属滤袋的中、下部清灰需重点关注。

已有研究多侧重于从宏观角度分析各种参数对反吹清灰效果的影响，对于反吹时操作参数对颗粒在滤网中停留分布的影响少见报道。本文中对金属纤维滤网结构特性进行分析，并以此为基础进行三维模型重建，通过实验与数值模拟的方法验证了模型的可靠性，采用计算流体力学-离散单元法(CFD-DEM)联合仿真的方法，模拟球形颗粒在金属纤维滤网内部的反吹过程，研究了反吹压力、反吹时间对清灰效果的影响，并对反吹前、后颗粒在滤网内的分布情况进行探讨，为金属纤维滤袋在实际工业应用中的操作条件的选定提供理论依据。

1 数值模型

1.1 气流相模型

金属纤维滤网内部气体为复杂的三维湍流流场，考虑到固相颗粒及模型对气体流动的影响，在连续性方程中加入额外的体积分数项εg(即空隙率)，从而进行流固耦合分析。气流相的控制方程[12]为

式中： p为气体压力， Pa； ρg为气体密度， kg/m3； τg为黏性应力张量； ug为网格中气体速度，m/s； g为重力加速度， m/s2； S为气固之间的动量交换。

1.2 颗粒相模型

将颗粒设为离散相，每个粒子在流场中运动时位置和速度都将被追踪，颗粒所受力有颗粒之间的碰撞力、颗粒与流体和壁面之间的作用力、重力等，其运动规律遵循牛顿第二定律，运动方式包括转动和平动2种，颗粒相的控制方程[13]为

式中： mi为颗粒i的质量， kg； ωi为角速度， rad/s； Ii为惯性矩， N·m； vi为平动速度， m/s； mig为质点重力， N； Ft,ij为颗粒间的切向接触力， N；Fn,ij为颗粒间的法向接触力， N； Fc,i为颗粒与流体的相互作用力， N； Fnc,i为非接触力， N； Mr,ij为滚动摩擦力矩， N·m； Ri为颗粒质心与接触点的距离矢量。

由于颗粒之间存在着多次和长时间碰撞，因此采用软球接触模型，此时，颗粒所受外力和外力矩为

式中： μr是滚动摩擦系数； vn,ij和vt,ij是相对法向和切向速度， m/s； γn和γt是法向和切向黏性阻尼系数，N·s/m； kn和kt是法向和切向弹性系数，N/m； δn,ij和δt,ij是法向和切向方向变形， m。

1.3 气固两相耦合算法

气固相互作用力是颗粒与周围气体相互作用形成的，主要包括附加质量力、阻力、压力梯度力、浮力、 Basset力、 Magnus力、 Saffman力等。为了简化计算，本文中主要考虑曳力对颗粒运动的影响，则气固两相之间的动量交换方程[14]为

式中： ΔV是控制体的体积， m3； n为粒子数； Fd,i为曳力，其计算方式为

式中： Vi是粒子体积， m3； vp是当前网格中粒子的速度， m/s； β是相间动量交换系数，计算方式为

式中： μg为流体的动力黏度，Pa·s； dp是颗粒直径， m； cd是有效曳力系数，计算方式为

式中Rep为颗粒雷诺数。

2 模型建立及验证

2.1 金属纤维滤网结构特性及其三维模型

组成滤网的金属纤维(由西部宝德科技股份有限公司提供)材料为06Cr17Ni12Mo2，出厂性能参数如表1所示。

金属纤维滤网电镜扫描图像及其三维模型如图1所示。由图1 a)的金属纤维滤网截面扫描图可以看出，整个金属纤维滤网类似“三明治”结构，上、下区域由直径为20 μm的金属纤维组成，每侧约有5层，中间区域由直径为8 μm的金属纤维组成，金属纤维的排布没有明显的方向性。根据电镜扫描结果采用Pro/Engineer 5.0进行三维模型重建的金属纤维过滤网如图1 b)所示，金属纤维滤网三维模型由3个区域组成，上、下2个区域采用直径为20 μm的圆柱状金属丝随机排布，每个区域均由5层堆叠而成；中间区域由直径为8 μm的圆柱状金属丝构成，共有37层，因此模型的总厚度为0.496 mm，与实际金属纤维滤网的厚度吻合；每一层上的圆柱体随机排布，每层约为9～10个圆柱体。为了验证金属纤维滤网模型与实际金属纤维滤网的符合度，使用Pro/Engineer 5.0对三维模型进行体积分析，得到滤网模型的孔隙率为74.8%，且粗细纤维质量分数分别为0.47、 0.53，这与金属纤维过滤网出厂报告中的孔隙率为75%相吻合。

2.2 金属纤维滤网建模准确性验证

为了进一步验证金属纤维滤网建模的准确性，搭建如图2所示金属纤维滤网实验平台。由图2 a)可知，装置两侧为透明筒体，筒体材料为亚克力，筒体内径为100 mm，筒体长度均为500 mm。实验装置中间夹有金属纤维滤网，通过螺栓将其与两侧筒体连接。图2 b)为金属纤维滤网实验平台流程图，通过一系列的管路将XGB-370型(浙江亚士霸电机有限公司)风机、球阀、 DN20型涡街流量计(江苏沪仪自动化仪表有限公司)、 TESTO-510型微压差计(德图仪器国际贸易有限公司)、金属纤维滤网和筒体进行连接。气体从鼓风机吹出，通过调节球阀的开度调整入射气流的流量，以此根据滤网面积计算入射气流速度，同时监控压力表的示数。

对金属纤维滤网三维模型进行网格划分，模型的最大网格尺寸设置为0.008 mm，其他部分的最大网格尺寸设置为0.04 mm，划分后的模型中网格总数为2 311 802，网格划分后金属纤维滤网气流场计算模型如图3所示。由图3可见，左侧为气流入口，中间位置为金属纤维过滤网模型，右侧为气流出口。采用ANSYS Fluent 15.0进行气相设置，左端面设置为速度入口边界条件以模拟气流入射条件；右端面设置为压力出口，中间部分纤维设置为壁面无滑移边界条件，其他部分设置为对称边界条件。流体密度和黏度参考25 ℃时的空气性质，分别为1.185 kg/m3和1.835×10-5 Pa·s。

在ANSYS Fluent 15.0中，设置进口气流速度分别为0.2、 0.4、 0.6、 0.8、 1.0 m/s进行计算，得出金属纤维滤网两侧的压力降随气流速度的变化情况，并在实验台设置相同的气体流速，得出相应气体流速所对应的压力降，最后进行数值模拟与实验结果的比较。数值模拟与实验获得的气流速度与压降的关系曲线如图4所示。从图4中可知，数值模拟结果与实验结果具有很好的匹配性，实验结果略大于数值模拟结果，且最大误差小于5%。这是由于金属纤维滤网在生产过程中，模压成型工艺使得纤维滤网受到挤压，存在微小的变形导致孔道阻塞，因此导致实验测量结果略大于模拟结果，据此，可以确定所建立的三维金属纤维滤网模型是可靠的。

2.3 金属纤维滤网反吹模型的构建

金属纤维滤网较为合适气体流速设为0.2～0.4 m/s[15]。为生成清灰初始模型，使颗粒沉积在金属纤维滤网上，在含尘气流速度为0.4 m/s的情况下，共生成3 200个直径为12 μm的圆球形颗粒，颗粒物理性质参考煤粉设定，最终生成的金属纤维滤网反吹模型如图5所示。

由图5可见，大部分颗粒附着在滤网表面，少部分颗粒沉积在滤网内部，且滤网内部颗粒沉积位置集中在滤网反吹方向后半部分。通过计算得出，此时金属纤维滤网的容尘量为3.85 mg/cm2，接近表1中金属纤维滤网的设计容尘量4 mg/cm2，故可将其作为反吹清灰的初始状态模型。反吹清灰模型的相关计算参数如表2所示。

3 结果与讨论

3.1 反吹压力对清灰效率的影响

脉冲喷吹气流在滤袋内的清灰作用是一次性的，清灰气流对滤袋的第一次冲击起决定性作用[16]，反吹时金属滤网侧壁压力峰值通常为1 000～2 000 Pa[11]，因而设置滤网反吹压力分别为1 000、 1 300、 1 600、 1 900、 2 200 Pa，研究滤网反吹压力对清灰效率的影响。清灰效率计算公式为

式中： η为清灰效率； N0为颗粒初始沉积个数； N1为残余颗粒个数。

不同反吹压力条件下颗粒在滤网上的残留情况如图6所示。从图6中可以看出，随着反吹压力的增大，滤网上残留的颗粒数量逐渐减少。

反吹压力对清灰效率的影响如图7所示。由图7可知，清灰效率随着反吹压力的增大而增大；其增速随着反吹压力的增大而存在着明显的边际递减效应，当滤网反吹压力达到1 900 Pa之后，虽然反吹压力进一步增大，但清灰效率并无明显提升。究其原因，当反吹压力达到1 900 Pa时，已经清除滤网所含88.1%的颗粒，附着不牢固的颗粒已基本被清吹，剩余的颗粒由于彼此的吸附作用或者被卡在纤维与纤维之间的较小缝隙中，依然停留在滤网内部，此时再增大反吹压力也只能吹走少许颗粒，不能显著提高清灰效率；工程实践表明，反吹压力并不是越大越好，当反吹压力过大时滤网的寿命反而变短，导致滤网频繁更换使得成本提高，因此，在实际工程应用中，反吹压力只需满足清灰条件即可，过大的反吹压力反而会降低设备运行的稳定性。

3.2 颗粒残留的分布

为了研究反吹前、后颗粒在金属滤网中残留的分布情况，沿金属纤维滤网模型的深度方向将整个滤网平均分为20个区域，区域间隔深度为0.025 mm，并统计每个间隔深度区域的颗粒数目。在反吹时间为100 ms、反吹压力为1 900 Pa的条件下，对除表面外的残留颗粒在滤网不同间隔深度区域进行统计。不同过滤网间隔深度反吹前后残留颗粒数量如图8所示。

从图8可知，反吹之前颗粒主要集中在近滤网表面处；在距离滤网表面0.10 mm之内，颗粒数量占滤网内颗粒总数量的49.5%；反吹后，近滤网表面颗粒反吹清灰效果最明显，在距离滤网表面0.10 mm之内，超过94%颗粒被吹除；滤网中后段反吹效果欠佳，在距离滤网表面0.10～0.25 mm的区域内，仅吹除35%的残留颗粒；距离滤网表面超过0.25 mm的区域，反吹前后此区域的颗粒数量基本没有变化。这是由于颗粒沉积深度越深，颗粒在脱离金属纤维滤网的过程中会遇到更多颗粒以及纤维的阻碍；沉积较浅的颗粒遇到的阻碍较小，更容易脱离滤网，因此，滤网表面颗粒反吹效果与滤网中后段反吹效果差别较大。

3.3 反吹时间对清灰效率的影响

在不同反吹压力条件下，分别设置反吹时间为60、 80、 100、 120、 140 ms，对残余在金属纤维滤网上的颗粒数进行分析，计算反吹清灰效率。不同反吹压力条件下反吹时间对清灰效率的影响如图9所示。

由图9可知，在一定反吹压力条件下，清灰效率先是随着反吹时间的增大而逐渐增大，但反吹时间达到某一数值之后清灰效率基本不再增大，说明反吹时间只有在一定范围内影响纤维滤网的清灰效果，继续增加反吹时间只会增加能量的损耗，并不能提高清灰效率。从图9还可以发现，为了达到平衡清灰效果，反吹压力为1 000 Pa时所需反吹时间为120 ms，是反吹压力约为2 200 Pa时所需反吹时间的1.5倍；当反吹压力为1 900 Pa、反吹时间为80 ms时清灰效果最好。反吹压力越大，达到平衡清灰效率所需要的反吹时间越短，其原因在于，反吹压力越大，高压气体对于滤网内的颗粒冲击作用越大，滤网能够很快达到清灰平衡状态。

4 结论

依据金属纤维滤网的结构特性以及出厂参数，建立反吹清灰初始三维模型，研究了滤网表面反吹压力、反吹时间对清灰效果的影响，得出以下结论：

1)清灰效率随着反吹压力的增大而增大，其增速随着反吹压力的增大而存在着明显的边际递减效应；当反吹压力过大时，滤网的使用寿命也会相应变短，增加了使用成本。

2)颗粒主要集中在近滤网表面处，反吹后在距离滤网表面0.10 mm之内超过94%颗粒被吹除。

3)随着反吹时间的增加，清灰效率先逐渐增大，之后保持稳定，反吹时间只在一定范围内影响纤维滤网的清灰效率；反吹压力越大，达到平衡清灰效率所需要的反吹时间越短。

4)对于孔隙率为74.8%、容尘量为3.85 mg/cm2的金属纤维滤网，当反吹压力为1 900 Pa、反吹时间为80 ms时，清灰效率最高。

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