袋式除尘器气流组织多参数优化方法
【专利摘要】本发明涉及到一种袋式除尘器气流组织多参数优化方法。其首先确定袋式除尘器气流组织主控设计参数及除尘器基本几何参数，利用响应面法进行多参数工况优化设计，建立各工况除尘器几何模型并确定计算区域，运用网格划分工具对计算区域划分拓扑网格，然后采用计算流体动力学原理进行离散化方程迭代求解计算，基于响应面法对求解计算结果进行多参数优化设计，最终得到最优解集。该方法不仅可以得到除尘器内任意断面处的速度、压力分布，而且还可以基于响应面法也就是多参数优化设计方法，对袋式除尘器气流组织进行多参数优化设计，该方法适用于各种类型袋式除尘器的气流组织优化设计，并且结果可靠准确。
【专利说明】
[0001] 袋式除尘器气流组织多参数优化方法
技术领域
[0002] 本发明涉及袋式除尘器，属于袋式除尘器气流组织优化设计领域，具体涉及到一 种袋式除尘器气流组织多参数优化方法。
【背景技术】
[0003] 随着计算机技术的飞速发展，计算流体动力学已被广泛应用于各行各业的除尘设 备的气流组织数值模拟。袋式除尘器作为一种可靠性强的气固分离设备已被广泛应用于各 行各业的粉尘治理，其内部流过的气流为稀相气固两相流(可简化为单向流进行气流组织 数值模拟），并且袋式除尘器内部气流组织对其滤袋使用寿命、过滤效率和压力损失等有至 关重要的影响，因此，需要对袋式除尘器内部气流组织进行优化设计。目前，针对袋式除尘 器气流组织数值模拟多局限于单一工况单变量参数的数值模拟，只能保证特定工况下除尘 器的性能，但不能确保多参数(除尘器本体结构参数、滤料特性参数及运行参数)共同作用 下的除尘器最佳性能。
【发明内容】
[0004] 本发明是为了解决传统袋式除尘器内气流组织设计方法的不足，公开了一种袋式 除尘器气流组织多参数优化方法，该方法不仅可以得到除尘器内任意断面处的速度、压力 分布，而且还可以基于响应面法对袋式除尘器气流组织进行多参数优化设计。
[0005] 为了实现以上目的，本发明袋式除尘器气流组织多参数优化方法的技术方案为： 包括以下步骤： 1) 根据烟气量、过滤风速及现场空地尺寸确定除尘器基本几何尺寸，确定主控设计参 数及袋式除尘器基本几何参数； 2) 以定量衡量除尘器气流组织分布的综合流量不均幅值作为目标函数，以步骤1)中所 确定的主控设计参数作为自变量，利用响应曲面法进行多参数工况优化设计； 3) 利用建模单元建立袋式除尘器几何模型并确定求解计算区域； 4) 将步骤3)中几何模型文件导入计算网格划分单元进行离散化拓扑网格划分，对除尘 器实际物理边界进行简化，设定计算边界条件，保存计算结果并导出网格文件； 5) 将网格文件导入CH)求解单元，选取计算求解模型，对方程进行离散化处理，设定求 解计算初始参数，选取数值计算迭代方法进行迭代求解计算，直至计算收敛，保存计算结 果； 6) 对计算结果进行相关后处理，得到任意截面处的速度、压力分布云图及各工况下的 综合流量不均幅值，基于响应面法对计算结果进行多参数优化设计，得到最优解集。
[0006] 优选的，步骤1)中所述的主控设计参数包括安全高度，进口风速，滤料厚度;所述 的袋式除尘器基本几何参数包括灰斗、中箱体、上箱体具体尺寸。
[0007]优选的，步骤2)中所述的响应曲面法以滤料厚度、安全高度、进口速度为响应因 素，响应值为数值模拟所获得袋式除尘器气流组织分布的综合流量不均幅值。
[0008] 进一步优选的，所述的步骤3)采用Solidworks建模单元建立步骤2)中各工况的三 维几何模型;再打开所述的步骤4)中的拓扑网格划分单元，读取所述的三维几何模型，对读 取的模型进行拓扑计算，依据实际几何模型边界对各部分进行划分并命名，设定全局及各 网格划分尺寸，选择八叉树算法对计算模型进行拓扑网格划分，并对网格进行光滑处理，再 对除尘器实际物理边界进行简化，分别设定袋式除尘器进口为速度进口边界条件、出口为 压力出口边界条件、花板及壳体壁面为固壁边界条件、滤袋为跳跃多孔介质边界条件，导出 网格文件再将网格文件导入步骤5)中的CFD求解单元Fluent中，采用标准k-e双方程模型， 对方程进行离散化处理，设定求解计算初始参数，选取数值计算迭代方法进行迭代求解计 算，直至计算收敛，保存计算结果。
[0009] 本发明的技术效果在于:本发明基于CFD多参数共同作用，该方法不仅可以得到除 尘器内任意断面处的速度、压力分布，而且还可以基于响应面法也就是多参数优化设计方 法，对袋式除尘器气流组织进行多参数优化设计，该方法适用于各种类型袋式除尘器的气 流组织优化设计，并且结果可靠准确。其首先确定袋式除尘器气流组织主控设计参数及除 尘器基本几何参数，利用响应面法进行多参数工况优化设计，建立各工况除尘器几何模型 并确定计算区域，运用网格划分工具对计算区域划分拓扑网格，然后采用计算流体动力学 (CFD)原理进行离散化方程迭代求解计算，基于响应面法对求解计算结果进行多参数优化 设计，最终得到最优解集(气流组织最佳时，各参数实际对应取值）。
【附图说明】
[0010] 图1为本发明实施例的流程图。
【具体实施方式】
[0011] 为了实现在多参数共同作用下袋式除尘器气流组织优化设计，该方法具体实施方 案如下： (1) 根据烟气量、过滤风速及现场空地尺寸确定除尘器基本几何尺寸，确定主控设计参 数及袋式除尘器基本几何参数； (2) 以定量衡量除尘器气流组织分布的综合流量不均幅值作为目标函数，以上述所确 定的主控设计参数作为自变量，利用响应面法进行多参数工况优化设计； 响应曲面法(Response surface methodology, RSM)是一种数学和统计学相结合的数 据处理方法，用来对目标函数响应值受多个变量影响的问题进行建模和分析，并对响应结 果进行优化。选取二次响应曲面方程，考虑所有的一次项，二次项和两两交叉项，响应曲面 方程可表示为:_
其中，Y为目标函数或称响应;Xi为自变量;私，Pii，队」代表一次、二次、交互作用项的回 归系数;k为影响因素的数量;e为误差。上式中的回归系数可由最小二乘法拟合得到。为方 便起见，将所有变量按下式规格化：
黑其中XiH和Xa*别为变量的最大值和最小值，为变量的平均值。
[0012] (3)利用建模单元(如：Solidworks、ProE)建立袋式除尘器几何模型并确定求解 计算区域； (4) 将上述几何模型文件导入计算网格划分单元(如:ICEM-cfd、Gambit)进行离散化拓 扑网格划分，对除尘器实际物理边界进行合理简化，设定计算边界条件，保存计算结果并导 出网格文件； (5) 将网格文件导入CFD求解单元(如:Fluent、OpenFoam)，选取计算求解模型，对方程 进行离散化处理，设定求解计算初始参数，选取数值计算迭代方法进行迭代求解计算，直至 计算收敛，保存计算结果； 其中计算求解所涉及的三大守恒方程分别为： a)连续性方程 由质量守恒定律可知，单位时间内流进、流出控制体的流体质量差等于控制体内流体 面密度发生变化所引起的质量增量。由此可推导出连续性方程，其表达式为：
其中，P为流体的密度，kg/m3; u为流体速度，m/s。
[0013] b)动量守f旦方程 根据动量定理，单位时间内，控制体的动量的变化率等于作用在该体积上的质量力和 表面力之和，由此得出动量守恒方程如下：
其中P，t分别为单位体积上流体所受压力及粘性应力，pf表示单位体积上的质量力。 [0014] c)能量守恒方程 由能量守恒定律可知，单位时间内控制体内流体的动能和内能的变化率等于作用于控 制体上的质量力和面力所作的功加上单位时间内给予该体积的热流量，其表达式为：
其中e，u2/2分别是单位质量流体的内能和动能;k为热传导系数，W/m2 ? K; T是温度;q 为由于辐射或其它原因在单位时间内传入单位质量的热量分布函数。
[0015] (6)对计算结果进行相关后处理，得到任意截面处的速度、压力分布云图及各工况 下的综合流量不均幅值，基于响应面法对计算结果进行多参数优化设计，得到最优解集。 [0016]为了更加形象至关地阐述本发明的方案及优点，下述实施例将结合附图对本发明 的实施步骤进行详细深入的说明，具体实施步骤流程如图1所示（图示中响应面法即所述的 响应曲面法）。
[0017] 实施例： 以一种气箱脉冲喷吹袋式除尘器LFGM-32-2为例，基于响应面法对其气流分布进行多 参数优化设计，详细实施步骤如下所示： (1) 根据烟气量、过滤风速及现场空地尺寸确定除尘器基本几何尺寸，确定主控设计参 数(安全高度、进口风速、滤料厚度)及袋式除尘器基本几何参数(灰斗、中箱体、上箱体等具 体尺寸）； (2) 以定量衡量除尘器气流组织分布的综合流量不均幅值作为目标函数，以上述所确 定的主控设计参数作为自变量，利用响应面法进行多参数工况优化设计。以滤料厚度t (XI)、安全高度h (X2)、进口速度v (X3)为响应因素，响应值为数值模拟所获得袋式除尘器 气流组织分布的综合流量不均幅值A K (Y)。三种响应因素的水平值如表1所示。采用三因 素三水平Box-Behnken法进行设计，本文所需数值模拟次数为15次，其中析因部分实验次数 12次，保证均一精密性的中心点重复次数为3。具体设计工况见表2。
[0018]表1 RSM模型中各因素水平值设置
袋式除尘器气流分布综合流量不均幅值A K为：
其中kql为气流通过单个滤袋出口的流量分配系数;n为滤袋总数量。
[0019] 表2响应面试验设计
(3)基于气箱脉冲喷吹袋式除尘器LFGM-32-2的基本参数，确定求解计算区域，采用 Sol idworks建立(2)中各工况的三维几何模型，并将所建立的三维模型保存。
[0020] (4)打开拓扑网格划分单元ICEM-cfd，读取(3)中所建立模型的三维模型，对读取 的模型进行拓扑计算，依据实际几何模型边界对各部分进行part划分并命名。设定全局及 各part网格划分尺寸，选择八叉树算法对计算模型进行拓扑网格划分，并对网格进行光滑 等处理。然后，对除尘器实际物理边界进行合理简化，分别设定袋式除尘器进口为速度进口 边界条件、出口为压力出口边界条件、花板及壳体壁面为固壁边界条件、滤袋为跳跃多孔介 质边界条件。最终，将划分好的网格文件保存； 多孔介质模型方程为:_
其中，Si为动量耗散量;y为气体粘度;P为气体密度;a为透气系数;C为内部阻力系数； Vi为垂直于介质表面的速度。
[0021] (5)将网格文件导入求解单元Fluent中，采用标准k-e双方程模型，对方程进行离 散化处理，设定求解计算初始参数，选取数值计算迭代方法进行迭代求解计算，直至计算收 敛，保存计算结果。为了确保计算的准确性，采用二阶迎风格式Simple算法对离散化动量方 程进行压力速度耦合求解。并将连续性方程及动量方程在直角坐标系x，y及z方向上的收敛 残差设定在10-6以内。
[0022] (6)对计算结果进行相关后处理，得到任意截面处的速度、压力分布云图及各工况 下的综合流量不均幅值。
[0023] (7)采用响应面法优化算法对(6)中计算结果进行多参数优化设计，最终得到最优 解集。
【主权项】
1. 一种袋式除尘器气流组织多参数优化方法，其特征在于:包括以下步骤： 1) 根据烟气量、过滤风速及现场空地尺寸确定除尘器基本几何尺寸，确定主控设计参 数及袋式除尘器基本几何参数； 2) 以定量衡量除尘器气流组织分布的综合流量不均幅值作为目标函数，以步骤1)中所 确定的主控设计参数作为自变量，利用响应曲面法进行多参数工况优化设计； 3) 利用建模单元建立袋式除尘器几何模型并确定求解计算区域； 4) 将步骤3)中几何模型文件导入计算网格划分单元进行离散化拓扑网格划分，对除尘 器实际物理边界进行简化，设定计算边界条件，保存计算结果并导出网格文件； 5) 将网格文件导入CH)求解单元，选取计算求解模型，对方程进行离散化处理，设定求 解计算初始参数，选取数值计算迭代方法进行迭代求解计算，直至计算收敛，保存计算结 果； 6) 对计算结果进行相关后处理，得到任意截面处的速度、压力分布云图及各工况下的 综合流量不均幅值，基于响应面法对计算结果进行多参数优化设计，得到最优解集。2. 根据权利要求1所述的袋式除尘器气流组织多参数优化方法，其特征在于:步骤1)中 所述的主控设计参数包括安全高度，进口风速，滤料厚度;所述的袋式除尘器基本几何参数 包括灰斗、中箱体、上箱体具体尺寸。3. 根据权利要求2所述的袋式除尘器气流组织多参数优化方法，其特征在于:步骤2)中 所述的响应曲面法以滤料厚度、安全高度、进口速度为响应因素，响应值为数值模拟所获得 袋式除尘器气流组织分布的综合流量不均幅值。4. 根据权利要求3所述的袋式除尘器气流组织多参数优化方法，其特征在于:所述的步 骤3)采用Solidworks建模单元建立步骤2)中各工况的三维几何模型;再打开所述的步骤4) 中的网格划分单元，所述的网格划分单元采用ICEM-cfd拓扑网格划分，读取步骤3)中所述 的三维几何模型，对读取的模型进行拓扑计算，依据实际几何模型边界对各部分进行part 划分并命名，设定全局及各part网格划分尺寸，选择八叉树算法对计算模型进行拓扑网格 划分，并对网格进行光滑处理，再对除尘器实际物理边界进行简化，分别设定袋式除尘器进 口为速度进口边界条件、出口为压力出口边界条件、花板及壳体壁面为固壁边界条件、滤袋 为跳跃多孔介质边界条件，导出网格文件再将网格文件导入步骤5)中的CFD求解单元 Fluent中，采用标准k-ε双方程模型，对方程进行离散化处理，设定求解计算初始参数，选 取数值计算迭代方法进行迭代求解计算，直至计算收敛，保存计算结果。
【文档编号】G06F17/50GK105912745SQ201610170844
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年3月24日
【发明人】解彬, 李义新, 徐兵
【申请人】安徽威达环保科技股份有限公司