4 FLUENT三维流场数值模拟 12

4.1 三维模型的建立与网格划分 12

4.2 模拟条件的设定 12

4.3 模拟结果 15

5 除尘系统性能影响因素的研究及优化 17

5.1 分离器结构尺寸因素 17

5.2 灰尘颗粒的物理性质因素 26

结  论 29

致  谢 30

参考文献 31

1 引言

1.1 研究背景与意义

旋风除尘器是一种被广泛使用的除尘器，它借助离心力将灰尘颗粒从气流中分离出来[1]。与其他例如惯性除尘器、电除尘器、过滤式除尘器、湿式除尘器等除尘器相比，旋风除尘器的主要优点在于其结构简单，成本经济，并且对很多特殊的工作环境有很强的适应能力。它的这些优势也使其拥有广泛的应用前景，不仅可应用于传统机械机构的气流除尘，也可应用于微机电系统中，如作为MEMS气体质量流量传感器的除尘系统。

旋风除尘器主要是利用其中高速旋转的旋转气流来实现将密度更大的灰尘颗粒从气流中分离出来。这种高速旋转的气流是极度复杂的三维旋流。近几十年来，研究者们通过实验和数值计算仿真的研究方法研究了旋风分离器不同的几何结构和参数对于旋流的流动形态和其工作性能的影响[1]。针对MEMS气体质量流量传感器，其除尘系统的结构方案设计和结构参数优化需要在前人研究成果的基础上做进一步深入的研究和改进。

1.2 除尘器的研究现状

1.2.1 惯性除尘器

1.2.2 湿式除尘器

1.2.3 过滤式除尘器

1.2.4 旋风除尘器

1.3 旋风分离器理论研究的进展

1.3.1 转圈理论

转圈理论是最早发展起来的理论。转圈理论认为，旋风分离器既有旋转切向速度，又有径向向外的离心沉降速度，若旋转圈数足够多，则尘粒就能从排气管外壁与圆筒内壁间的环形空间被分离[2,5]。这一理论的研究以Rosin, Rammler, Intelman, First为代表。

1.3.2 筛分理论

筛分理论认为在旋风分离器内，每一个尘粒都同时受到方向相反的两种力的作用，一个是使尘粒外移由旋流产生的离心力FZ，另一个是使尘粒内移的内心力W。因而必定存在一临界粒径dc，使得FZ=W，从而使尘粒受力平衡。凡粒径d＞dc的尘粒，其受到的力FZ大于内心力W，结果将被推移到分离器外壁而被分离出来；相反，粒径d＜dc的尘粒将被推到中心部分的上升流内，随着内旋流排出除尘器[6]。这一理论以Lapple, Shepherd, Staimand, Barth和Muschelkmautz等为代表。

1.3.3 边界层分离理论

边界层理论认为旋风分离器的任一截面上尘粒的浓度分布是均匀的，但流体在近壁面处的边界层内是层流流动，只要尘粒进入边界层内，颗粒的运动便由旋转转变为自由沉降扩散运动，即视为被分离[7]。该理论以D.Leith和W.Licht等的研究为代表。

1.4 D6F-P MEMS质量流量传感器的旋风除尘系统现状

2007年11月，欧姆龙电子部品(Omron Electronic Components LLC)推出了一款新型的MEMS气体质量流量传感器D6F-P。该传感器内置了一个独特的旋风除尘系统，从而提高了传感器的工作精度。该旋风除尘系统的示意图如图1.6所示。

如图1.6 b)所示，灰尘颗粒由于离心力的作用被集中在了外层壁面处，最终从排尘口排出，而只有无尘洁净的空气将通过靠近气旋内部的入口流经MEMS传感元件，从而达到了对待被检测气流除尘的目的。