铁道车辆用离心沉淀式机械过滤器结构优化研究

作者:亚洲城官网 | 2020-10-04 15:43

  战红红,苏 义,王 浩,权光辉 (南车青岛四方机车车辆股份有限公司技术中心,山东青岛266111) 摘 要:对铁道车辆目前常用的离心沉淀式机械过滤器的流动阻力特性和过滤效率进行了分析,在此基础上提出了新型结构形式的机械过滤器,并借助计算流体力学(CFD)软件和试验测试2种研究方式,对新型过滤器的阻力特性和过滤效率进行了对比。结果表明,改进结构后的c型过滤器具有较为优良的性能。

  关键词:离心沉淀式机械过滤器;结构形式;流动阻力特性;过滤效率 中图分类号:U270.38+3 文献标识码:B 文章编号:1002-7602(2011)05-0018-05 为保证铁道车辆发热设备(如牵引电机等)的正常工作,通常设置通风系统采用强迫通风冷却的方式来转移热量,系统前端设置的空气过滤器是必不可少的关键部件,用以过滤进入设备的冷却空气。

  近年来应用于机车车辆上的离心沉淀式机械过滤器是利用惯性碰撞和离心沉淀原理设计、由几排交错排列的不同形式的管状零件组成的框架式结构(图1)。其前部为外凸、封闭、带尾翼的管状导流体,对气流起导向和加速作用;中部为带尾翼的圆缺形管状分离器,起分离捕集粉尘(雨雪)的作用;后部为尺寸略小且不带尾翼的圆缺形管状分离器,起进一步分离捕集粉尘(雨雪)的作用。

  离心沉淀式机械过滤器的工作原理是:利用各管状元件间的间隙使粉尘(雨雪)在运动中产生惯性离心力,以达到分离粉尘(雨雪)的效果,分离出的粉尘(雨雪)被2排分离器收集,或吸附于内壁,或在重力作用下自动排出。

  过滤器的压力损失和过滤效率是工程上最为关注的性能参数,对其进行研究的方法包括理论分析、数值计算和试验测试等。目前,实际运用的离心沉淀式机械过滤器均为图1所示的结构形式,相关的数值研究文献、试验研究文献也多以图1所示的结构形式为研究对象,且数量较少。查阅前期的研究资料后发现,较传统过滤器而言,机械过滤器具备如下较为优良的性能:

  (1)压力损失低,能耗低。过滤器采用了优化的流线结构设计,使气流流过过滤器的压力损失小,使整个通风系统的功率消耗降低。

  (2)过滤效率高。过滤器流道长,集尘空间大,可充分分离收集粉尘,分离器上设置的挡尘钩可防止对气流造成二次污染。

  (4)工程适用性高,过滤器元件可根据需要任意组合,尺寸亦可任意调整,以满足现车应用。 机械过滤器虽具备以上优良的性能,但其结构形式还存在改进空间,可进一步提高性能:

  (1)机械过滤器前部导流体的背风面有一个截面形状的突变,在此处会形成旋涡区,旋涡的出现将会增加湍流的脉动速度,引起流体机械能的损失,导致过滤器的压力损失加剧,因此需探索前部导流体的替代形式。

  (2)后部分离器相对于中部分离器集尘分离性能有所减弱,而分离器排数的增加则使过滤器压力损失加剧,因此可尝试减少分离器排数,以寻求更为经济适用的过滤器。

  针对上述不足,本文将通过优化过滤器的结构形式,研制开发新型过滤器,并借助计算流体力学(CFD)软件及试验测试手段对新型过滤器进行分析研究。

  机械过滤器的优化工作应从改变其结构参数和结构形式上着手。查阅相关的研究文献后发现,现有结构形式的机械过滤器的结构参数是经过优化设计后选取的,已具有较为优越的性能,通过结构参数的调整很难使其性能有较大提升,因此过滤器的优化工作应主要体现在对其结构形式的研究上。本文将通过改变过滤器的结构形式,研究新型结构形式的过滤器的性能状况,以期探索出更为高效合理的过滤器。

  利用CFD软件对现有结构形式的过滤器进行仿真计算,通过对其内部流场的分析研究,对过滤器结构形式进行改进。 图2给出了入口风速为4 m/s的工况下过滤器横截面的流速矢量图、流速分布云图和压力分布云图。

  由图2中的流速矢量图可以看出,进口速度一定的气流进入过滤器后,由于前部导流体沿气体流动方向截面形状的改变,导致气流速度的大小和方向均发生变化。由于截面变窄,气流得到加速,相应气流中的颗粒也间接得到加速。

  当气流运动至带尾翼的中部分离器的凹口时,流道截面突然变大,气体流速降低且因分离器的阻挡而使气流方向改变,而气流中的部分颗粒在惯性的作用下仍然保持原来的方向和速度,进入集尘分离区。

  从图2中的流速分布云图可看出集尘分离区的气流速度很小,几乎为零。而前部导流体背风面的圆弧壁面附近存在回流区,该回流区的存在使得过滤器的压力损失加剧。

  继续前行的气流进入由导流体尾翼和中部分离器的外壁组成的流线型通道,在该流道内气流又一次得到加速。当气流运行至无尾翼的后部分离器进口时,流道截面变大使气体速度降低且方向也发生改变,在惯性作用下部分颗粒进入第2排集尘分离区。

  由图2中的压力分布云图可见中部、后部分离器的集尘分离区内静压值很大,且中部分离区静压值大于后部分离区的静压值。高静压使得来流不易穿透,于是形成相对滞止区,此区间气流速度很小。这种压力分布对颗粒的分离较为有利。

  由于颗粒在该区域内所受阻力较大,因此在穿透滞止区的过程中动量不断地减少,同时颗粒因碰撞壁面也将损耗自身的动量,所以一部分颗粒就因为动量的减少而无法逃逸出高静压区,从而被分离出来。同时,后部集尘分离区的静压值小于中部集尘分离区,导致后部分离器的集尘分离性能要低于中部分离器。同时从压力场沿流动方向的变化规律可见,增加管状分离器排数将使过滤器的压力损失加剧,同时后部分离器的集尘分离性能较中部分离器逐渐减弱。

  由上述分析可知,由于前部导流体截面形状的突变在导流体背风侧内凹部位形成了旋涡区。旋涡的出现大大增加了湍流的脉动速度,引起流体机械能的损失,从而导致过滤器压力损失加剧,因此需要探索前部导流体的替代形式,以开发压力损失低但除尘效率高的机械过滤器。

  另外,前述分析表明分离器排数的增加将导致过滤器压损增大,而后部分离器的集尘分离性能低于中部,因此可尝试减少分离器排数,以寻求更为经济适用的过滤器。

  图3给出了3种不同结构形式的过滤器:a型过滤器为现有结构形式的机械式过滤器;b型过滤器是在a型过滤器基础上去掉不带尾翼的后部分离器后得到的产品;c型过滤器无前部导流体,是在a型过滤器基础上用带尾翼的分离器替代前部导流体得到的产品,其他结构参数与a型过滤器相同。

  相对于a型过滤器,b型过滤器去掉了后部分离器,保留了前部导流体和中部分离器,因此气流通过时所受扰动较a型过滤器要小,气流行程也相对要短,理论分析b型过滤器压力损失应该比a型过滤器略小;同时去掉后部分离器后,b型过滤器的过滤性能较a型过滤器应该会有些许减弱。

  相对于a型过滤器,c型过滤器未采用前部导流体,而是用带有尾翼的圆缺形倒钩分离器进行了替代,其流道过渡相对平缓,局部阻力损失较a型过滤器小;流道的宽度与a型过滤器基本相同,沿程阻力损失相差不大。(参考)

  综合来讲,c型过滤器的压力损失应低于a型过滤器。c型过滤器的集尘分离区比a型过滤器多,二者流道宽度又相同,因此理论上分析c型过滤器的过滤效率要高于a型过滤器。

  针对上述3种新型结构形式的过滤器,分别运用CFD仿真计算及试验测试手段,研究分析其压力损失及过滤效率,以验证上述理论分析的正确性,并为过滤器的设计选型提供参考依据。

  机械式过滤器的内部流场涉及气体与固体颗粒物的两相流动,本次仿真对气相采用realizablek-ε湍流模型分析过滤器的压力损失,使用realizablek-ε湍流模型加入固体颗粒相以计算其过滤效率;对于固体颗粒相,则采用基于拉格朗日坐标的随机轨道模型,分析颗粒在流场中的受力、气固两相之间的作用以及颗粒与固体壁面之间的相互作用。

  realizablek-ε模型在工程应用上的准确性经过了大量的试验验证,其精度可靠,且相对于大涡模拟等计算量要小很多。

  研究气体与颗粒物两相流的传播与沉积有2种CFD模拟方法,即欧拉法与拉格朗日法。欧拉法将颗粒相看作是连续介质,在有限体积元的基础上对其建立浓度守恒方程,与对流体相的处理方法类似;而拉格朗日法将颗粒相看作是离散相,跟踪每一个粒子的运动轨迹。本仿真设定气体含尘粒径主要分布在75μm~300μm,属于大颗粒粒径范畴,采用欧拉方法计算收敛很困难,因此采用拉格朗日计算方法。

  3种新型结构形式的过滤器三维模型如图4所示。 为了提高计算的精确度,避免因网格质量不好而带来计算收敛困难的问题,所有网格均采用非结构化多面体网格划分。

  过滤器入口定义为速度入口:Y方向速度分量等于给定的风速v, X、Z方向速度分量等于0;过滤器出口定义为压力出口,其相对压强为0;过滤器壁面及导流体、分离器均给定无滑移壁面条件。

  因试验测试给定的沙尘粒径主要集中在75μm~300μm之间,所以本次计算将颗粒相设定于上述粒径范围。对于固体壁面,采用了“trap”边界条件,即认为颗粒轨迹到达壁面被壁面吸收而不再进行轨迹计算;对于出口,采用了“escape”边界条件,认为颗粒到达出口就逃出计算区域,从而未被过滤器过滤。

  针对上述3种结构形式的过滤器,在20℃和一个标准大气压下,对5种入口风速(1 m/s,2 m/s,4 m/s,5 m/s,6 m/s)下的压力损失值进行了计算。压力损失随入口风速的变化结果如图5所示。

  由图5可见,3种结构形式的过滤器压力损失值均随着入口风速的升高而增加。对过滤器压损在不同风速下的变化幅值用幂函数曲线拟合,均得到与风速平方近似成正比的关系。

  在相同入口风速下,a型过滤器的压力损失均为最大,b型、c型过滤器均小于a型,同时c型过滤器压损略大于b型过滤器。

  图6、图7分别给出了b型、c型过滤器横截面的流速矢量图、流速分布云图和压力分布云图。对比图2与图6可见,b型过滤器去掉后部分离器后,气流通过时所受扰动较a型过滤器减弱,气流行程亦缩短,因此b型过滤器压损较a型过滤器略小,这一点在压力分布云图中也有所体现。

  对比图2与图7可见,空气流经c型过滤器时,其流场较a型过滤器规则,气流多数沿着管状元件表面做弧线运动,而极少沿与主流通道垂直的方向流动,相对平稳的流动减小了过滤器的压力损失,因此c型过滤器压损低于a型过滤器。相同工况下,带有尾翼的圆缺形倒钩分离器的压损要低于水滴形导流体。

  表1给出了3种结构形式的过滤器在2 m/s入口风速下的过滤效率计算值。

  由表1可见,对于粒径在75μm~300μm范围内的沙尘, a型过滤器与b型过滤器的过滤效率几乎相同,表明了颗粒主要被水滴形的前部导流体与带尾翼的圆缺形中部分离器所捕集,而圆缺形后部分离器对于颗粒捕集效果并不明显;c型过滤器的过滤效率明显高于a型与b型,主要是由于c型过滤器采用了3排圆缺形分离器,增加了颗粒的拦截面积,所以过滤效率较a型与b型有了明显提高。

  综合上述气相流场、颗粒相流场模拟结果来看,3种结构形式的过滤器中,c型过滤器性能优于其他2种过滤器,这与对3种过滤器定性分析的结果相符。

  通过测量空气流量测量装置前后的压差,计算得到流经机械过滤器的风量;同时测量机械过滤器前后的压差,即可得到过滤器的压力损失。在规定的空气流量下向机械过滤器送灰,测量送灰量和机械过滤器的排灰量,计算得到机械过滤器的过滤效率。

  图8为试验装置示意图。风量由变频器和引风机调节,以确保不同工况下的流量。空气流量测量装置设置在引风机之前,用压力测量装置测量喷嘴前后的静压差,以计算空气流量。过滤器过滤效率的计算采用直接称重法,仅需测量试验前后的试件质量和试验总喂灰量。

  由图9可以看出,3种过滤器的压力损失试验值的变化规律、对比规律与仿真计算结果是相吻合的。过滤器的压力损失均随着入口风速的升高而增加,压损与风速平方近似成正比关系。在相同工况下,a型过滤器的压力损失均为最大,而c型过滤器的压损略大于b型过滤器。

  试验中加入的沙尘浓度为1 g/m3,沙尘粒径分布于75μm~300μm之间。入口风速为2 m/s时3种过滤器过滤效率的测试结果如表2所示。

  由表2可见,对于粒径在75μm~300μm范围内的沙尘,a型过滤器的过滤效率略大于b型过滤器,但总体相差不大,这再次表明后部分离器对于沙尘的捕集效果并不明显,沙尘主要被前部导流体与中部分离器分离捕集;c型过滤器的过滤效率明显要高于a型与b型,表明带尾翼的圆缺形分离器替代水滴形的前部导流体后,增加了沙尘的拦截面积,过滤效率有了大的提升。

  综合分析3种过滤器阻力特性与过滤效率的试验结果后可见,c型过滤器的性能优于其他2种过滤器,既具有较低的压力损失又具备较高的过滤效率,工程适用性较高。这与前文中对3种过滤器的理论分析和仿真计算对比分析的结论都是相符的。

  离心沉淀式机械过滤器作为通风系统的重要部件,其性能的优劣直接影响到机车车辆运行的稳定性。目前而言,对此类过滤器结构形式的研究较少。本文利用CFD仿线种手段,研究了过滤器结构形式的改变对其压力损失和过滤效率的影响。

  结果显示,现有结构形式的过滤器前部导流体用带尾翼的分离器代替后得到的c型过滤器,具备较为优良的性能,压力损失低于现有结构形式的a型过滤器,同工况下的过滤效率亦优于a型过滤器,因此,在特定条件下应该可以替代a型过滤器应用于机车车辆上。

  参考文献:[1]廖艾贤.流体力学[M].北京:中国铁道出版社,1984.[2]孙一坚.工业通风[M].北京:中国建筑出版社,1994.[3]刘大有.两相流体动力学[M].北京:高等教育出版社,1993.(编辑:田玉坤)


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