袋式除塵器氣流組織多參數(shù)優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及到一種袋式除塵器氣流組織多參數(shù)優(yōu)化方法。其首先確定袋式除塵器氣流組織主控設(shè)計(jì)參數(shù)及除塵器基本幾何參數(shù)，利用響應(yīng)面法進(jìn)行多參數(shù)工況優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立各工況除塵器幾何模型并確定計(jì)算區(qū)域，運(yùn)用網(wǎng)格劃分工具對(duì)計(jì)算區(qū)域劃分拓?fù)渚W(wǎng)格，然后采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)原理進(jìn)行離散化方程迭代求解計(jì)算，基于響應(yīng)面法對(duì)求解計(jì)算結(jié)果進(jìn)行多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終得到最優(yōu)解集。該方法不僅可以得到除塵器內(nèi)任意斷面處的速度、壓力分布，而且還可以基于響應(yīng)面法也就是多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，對(duì)袋式除塵器氣流組織進(jìn)行多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，該方法適用于各種類型袋式除塵器的氣流組織優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且結(jié)果可靠準(zhǔn)確。
【專利說(shuō)明】
[0001] 袋式除塵器氣流組織多參數(shù)優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及袋式除塵器，屬于袋式除塵器氣流組織優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及到一 種袋式除塵器氣流組織多參數(shù)優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0003] 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)已被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的除塵設(shè) 備的氣流組織數(shù)值模擬。袋式除塵器作為一種可靠性強(qiáng)的氣固分離設(shè)備已被廣泛應(yīng)用于各 行各業(yè)的粉塵治理，其內(nèi)部流過(guò)的氣流為稀相氣固兩相流(可簡(jiǎn)化為單向流進(jìn)行氣流組織 數(shù)值模擬），并且袋式除塵器內(nèi)部氣流組織對(duì)其濾袋使用壽命、過(guò)濾效率和壓力損失等有至 關(guān)重要的影響，因此，需要對(duì)袋式除塵器內(nèi)部氣流組織進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前，針對(duì)袋式除塵 器氣流組織數(shù)值模擬多局限于單一工況單變量參數(shù)的數(shù)值模擬，只能保證特定工況下除塵 器的性能，但不能確保多參數(shù)(除塵器本體結(jié)構(gòu)參數(shù)、濾料特性參數(shù)及運(yùn)行參數(shù))共同作用 下的除塵器最佳性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明是為了解決傳統(tǒng)袋式除塵器內(nèi)氣流組織設(shè)計(jì)方法的不足，公開(kāi)了一種袋式 除塵器氣流組織多參數(shù)優(yōu)化方法，該方法不僅可以得到除塵器內(nèi)任意斷面處的速度、壓力 分布，而且還可以基于響應(yīng)面法對(duì)袋式除塵器氣流組織進(jìn)行多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明袋式除塵器氣流組織多參數(shù)優(yōu)化方法的技術(shù)方案為： 包括以下步驟： 1) 根據(jù)煙氣量、過(guò)濾風(fēng)速及現(xiàn)場(chǎng)空地尺寸確定除塵器基本幾何尺寸，確定主控設(shè)計(jì)參 數(shù)及袋式除塵器基本幾何參數(shù)； 2) 以定量衡量除塵器氣流組織分布的綜合流量不均幅值作為目標(biāo)函數(shù)，以步驟1)中所 確定的主控設(shè)計(jì)參數(shù)作為自變量，利用響應(yīng)曲面法進(jìn)行多參數(shù)工況優(yōu)化設(shè)計(jì)； 3) 利用建模單元建立袋式除塵器幾何模型并確定求解計(jì)算區(qū)域； 4) 將步驟3)中幾何模型文件導(dǎo)入計(jì)算網(wǎng)格劃分單元進(jìn)行離散化拓?fù)渚W(wǎng)格劃分，對(duì)除塵 器實(shí)際物理邊界進(jìn)行簡(jiǎn)化，設(shè)定計(jì)算邊界條件，保存計(jì)算結(jié)果并導(dǎo)出網(wǎng)格文件； 5) 將網(wǎng)格文件導(dǎo)入CH)求解單元，選取計(jì)算求解模型，對(duì)方程進(jìn)行離散化處理，設(shè)定求 解計(jì)算初始參數(shù)，選取數(shù)值計(jì)算迭代方法進(jìn)行迭代求解計(jì)算，直至計(jì)算收斂，保存計(jì)算結(jié) 果； 6) 對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行相關(guān)后處理，得到任意截面處的速度、壓力分布云圖及各工況下的 綜合流量不均幅值，基于響應(yīng)面法對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到最優(yōu)解集。
[0006] 優(yōu)選的，步驟1)中所述的主控設(shè)計(jì)參數(shù)包括安全高度，進(jìn)口風(fēng)速，濾料厚度;所述 的袋式除塵器基本幾何參數(shù)包括灰斗、中箱體、上箱體具體尺寸。
[0007]優(yōu)選的，步驟2)中所述的響應(yīng)曲面法以濾料厚度、安全高度、進(jìn)口速度為響應(yīng)因 素，響應(yīng)值為數(shù)值模擬所獲得袋式除塵器氣流組織分布的綜合流量不均幅值。
[0008] 進(jìn)一步優(yōu)選的，所述的步驟3)采用Solidworks建模單元建立步驟2)中各工況的三 維幾何模型;再打開(kāi)所述的步驟4)中的拓?fù)渚W(wǎng)格劃分單元，讀取所述的三維幾何模型，對(duì)讀 取的模型進(jìn)行拓?fù)溆?jì)算，依據(jù)實(shí)際幾何模型邊界對(duì)各部分進(jìn)行劃分并命名，設(shè)定全局及各 網(wǎng)格劃分尺寸，選擇八叉樹(shù)算法對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行拓?fù)渚W(wǎng)格劃分，并對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行光滑處理，再 對(duì)除塵器實(shí)際物理邊界進(jìn)行簡(jiǎn)化，分別設(shè)定袋式除塵器進(jìn)口為速度進(jìn)口邊界條件、出口為 壓力出口邊界條件、花板及殼體壁面為固壁邊界條件、濾袋為跳躍多孔介質(zhì)邊界條件，導(dǎo)出 網(wǎng)格文件再將網(wǎng)格文件導(dǎo)入步驟5)中的CFD求解單元Fluent中，采用標(biāo)準(zhǔn)k-e雙方程模型， 對(duì)方程進(jìn)行離散化處理，設(shè)定求解計(jì)算初始參數(shù)，選取數(shù)值計(jì)算迭代方法進(jìn)行迭代求解計(jì) 算，直至計(jì)算收斂，保存計(jì)算結(jié)果。
[0009] 本發(fā)明的技術(shù)效果在于:本發(fā)明基于CFD多參數(shù)共同作用，該方法不僅可以得到除 塵器內(nèi)任意斷面處的速度、壓力分布，而且還可以基于響應(yīng)面法也就是多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方 法，對(duì)袋式除塵器氣流組織進(jìn)行多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，該方法適用于各種類型袋式除塵器的氣 流組織優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且結(jié)果可靠準(zhǔn)確。其首先確定袋式除塵器氣流組織主控設(shè)計(jì)參數(shù)及除 塵器基本幾何參數(shù)，利用響應(yīng)面法進(jìn)行多參數(shù)工況優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立各工況除塵器幾何模型 并確定計(jì)算區(qū)域，運(yùn)用網(wǎng)格劃分工具對(duì)計(jì)算區(qū)域劃分拓?fù)渚W(wǎng)格，然后采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (CFD)原理進(jìn)行離散化方程迭代求解計(jì)算，基于響應(yīng)面法對(duì)求解計(jì)算結(jié)果進(jìn)行多參數(shù)優(yōu)化 設(shè)計(jì)，最終得到最優(yōu)解集(氣流組織最佳時(shí)，各參數(shù)實(shí)際對(duì)應(yīng)取值）。
【附圖說(shuō)明】
[0010] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011] 為了實(shí)現(xiàn)在多參數(shù)共同作用下袋式除塵器氣流組織優(yōu)化設(shè)計(jì)，該方法具體實(shí)施方 案如下： (1) 根據(jù)煙氣量、過(guò)濾風(fēng)速及現(xiàn)場(chǎng)空地尺寸確定除塵器基本幾何尺寸，確定主控設(shè)計(jì)參 數(shù)及袋式除塵器基本幾何參數(shù)； (2) 以定量衡量除塵器氣流組織分布的綜合流量不均幅值作為目標(biāo)函數(shù)，以上述所確 定的主控設(shè)計(jì)參數(shù)作為自變量，利用響應(yīng)面法進(jìn)行多參數(shù)工況優(yōu)化設(shè)計(jì)； 響應(yīng)曲面法(Response surface methodology, RSM)是一種數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的數(shù) 據(jù)處理方法，用來(lái)對(duì)目標(biāo)函數(shù)響應(yīng)值受多個(gè)變量影響的問(wèn)題進(jìn)行建模和分析，并對(duì)響應(yīng)結(jié) 果進(jìn)行優(yōu)化。選取二次響應(yīng)曲面方程，考慮所有的一次項(xiàng)，二次項(xiàng)和兩兩交叉項(xiàng)，響應(yīng)曲面 方程可表示為:_
其中，Y為目標(biāo)函數(shù)或稱響應(yīng);Xi為自變量;私，Pii，隊(duì)」代表一次、二次、交互作用項(xiàng)的回 歸系數(shù);k為影響因素的數(shù)量;e為誤差。上式中的回歸系數(shù)可由最小二乘法擬合得到。為方 便起見(jiàn)，將所有變量按下式規(guī)格化：
黑其中XiH和Xa*別為變量的最大值和最小值，為變量的平均值。
[0012] (3)利用建模單元(如：Solidworks、ProE)建立袋式除塵器幾何模型并確定求解 計(jì)算區(qū)域； (4) 將上述幾何模型文件導(dǎo)入計(jì)算網(wǎng)格劃分單元(如:ICEM-cfd、Gambit)進(jìn)行離散化拓 撲網(wǎng)格劃分，對(duì)除塵器實(shí)際物理邊界進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，設(shè)定計(jì)算邊界條件，保存計(jì)算結(jié)果并導(dǎo) 出網(wǎng)格文件； (5) 將網(wǎng)格文件導(dǎo)入CFD求解單元(如:Fluent、OpenFoam)，選取計(jì)算求解模型，對(duì)方程 進(jìn)行離散化處理，設(shè)定求解計(jì)算初始參數(shù)，選取數(shù)值計(jì)算迭代方法進(jìn)行迭代求解計(jì)算，直至 計(jì)算收斂，保存計(jì)算結(jié)果； 其中計(jì)算求解所涉及的三大守恒方程分別為： a)連續(xù)性方程 由質(zhì)量守恒定律可知，單位時(shí)間內(nèi)流進(jìn)、流出控制體的流體質(zhì)量差等于控制體內(nèi)流體 面密度發(fā)生變化所引起的質(zhì)量增量。由此可推導(dǎo)出連續(xù)性方程，其表達(dá)式為：
其中，P為流體的密度，kg/m3; u為流體速度，m/s。
[0013] b)動(dòng)量守f旦方程 根據(jù)動(dòng)量定理，單位時(shí)間內(nèi)，控制體的動(dòng)量的變化率等于作用在該體積上的質(zhì)量力和 表面力之和，由此得出動(dòng)量守恒方程如下：
其中P，t分別為單位體積上流體所受壓力及粘性應(yīng)力，pf表示單位體積上的質(zhì)量力。 [0014] c)能量守恒方程 由能量守恒定律可知，單位時(shí)間內(nèi)控制體內(nèi)流體的動(dòng)能和內(nèi)能的變化率等于作用于控 制體上的質(zhì)量力和面力所作的功加上單位時(shí)間內(nèi)給予該體積的熱流量，其表達(dá)式為：
其中e，u2/2分別是單位質(zhì)量流體的內(nèi)能和動(dòng)能;k為熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/m2 ? K; T是溫度;q 為由于輻射或其它原因在單位時(shí)間內(nèi)傳入單位質(zhì)量的熱量分布函數(shù)。
[0015] (6)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行相關(guān)后處理，得到任意截面處的速度、壓力分布云圖及各工況 下的綜合流量不均幅值，基于響應(yīng)面法對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到最優(yōu)解集。 [0016]為了更加形象至關(guān)地闡述本發(fā)明的方案及優(yōu)點(diǎn)，下述實(shí)施例將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明 的實(shí)施步驟進(jìn)行詳細(xì)深入的說(shuō)明，具體實(shí)施步驟流程如圖1所示（圖示中響應(yīng)面法即所述的 響應(yīng)曲面法）。
[0017] 實(shí)施例： 以一種氣箱脈沖噴吹袋式除塵器LFGM-32-2為例，基于響應(yīng)面法對(duì)其氣流分布進(jìn)行多 參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，詳細(xì)實(shí)施步驟如下所示： (1) 根據(jù)煙氣量、過(guò)濾風(fēng)速及現(xiàn)場(chǎng)空地尺寸確定除塵器基本幾何尺寸，確定主控設(shè)計(jì)參 數(shù)(安全高度、進(jìn)口風(fēng)速、濾料厚度)及袋式除塵器基本幾何參數(shù)(灰斗、中箱體、上箱體等具 體尺寸）； (2) 以定量衡量除塵器氣流組織分布的綜合流量不均幅值作為目標(biāo)函數(shù)，以上述所確 定的主控設(shè)計(jì)參數(shù)作為自變量，利用響應(yīng)面法進(jìn)行多參數(shù)工況優(yōu)化設(shè)計(jì)。以濾料厚度t (XI)、安全高度h (X2)、進(jìn)口速度v (X3)為響應(yīng)因素，響應(yīng)值為數(shù)值模擬所獲得袋式除塵器 氣流組織分布的綜合流量不均幅值A(chǔ) K (Y)。三種響應(yīng)因素的水平值如表1所示。采用三因 素三水平Box-Behnken法進(jìn)行設(shè)計(jì)，本文所需數(shù)值模擬次數(shù)為15次，其中析因部分實(shí)驗(yàn)次數(shù) 12次，保證均一精密性的中心點(diǎn)重復(fù)次數(shù)為3。具體設(shè)計(jì)工況見(jiàn)表2。
[0018]表1 RSM模型中各因素水平值設(shè)置
袋式除塵器氣流分布綜合流量不均幅值A(chǔ) K為：
其中kql為氣流通過(guò)單個(gè)濾袋出口的流量分配系數(shù);n為濾袋總數(shù)量。
[0019] 表2響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)
(3)基于氣箱脈沖噴吹袋式除塵器LFGM-32-2的基本參數(shù)，確定求解計(jì)算區(qū)域，采用 Sol idworks建立(2)中各工況的三維幾何模型，并將所建立的三維模型保存。
[0020] (4)打開(kāi)拓?fù)渚W(wǎng)格劃分單元ICEM-cfd，讀取(3)中所建立模型的三維模型，對(duì)讀取 的模型進(jìn)行拓?fù)溆?jì)算，依據(jù)實(shí)際幾何模型邊界對(duì)各部分進(jìn)行part劃分并命名。設(shè)定全局及 各part網(wǎng)格劃分尺寸，選擇八叉樹(shù)算法對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行拓?fù)渚W(wǎng)格劃分，并對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行光滑 等處理。然后，對(duì)除塵器實(shí)際物理邊界進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，分別設(shè)定袋式除塵器進(jìn)口為速度進(jìn)口 邊界條件、出口為壓力出口邊界條件、花板及殼體壁面為固壁邊界條件、濾袋為跳躍多孔介 質(zhì)邊界條件。最終，將劃分好的網(wǎng)格文件保存； 多孔介質(zhì)模型方程為:_
其中，Si為動(dòng)量耗散量;y為氣體粘度;P為氣體密度;a為透氣系數(shù);C為內(nèi)部阻力系數(shù)； Vi為垂直于介質(zhì)表面的速度。
[0021] (5)將網(wǎng)格文件導(dǎo)入求解單元Fluent中，采用標(biāo)準(zhǔn)k-e雙方程模型，對(duì)方程進(jìn)行離 散化處理，設(shè)定求解計(jì)算初始參數(shù)，選取數(shù)值計(jì)算迭代方法進(jìn)行迭代求解計(jì)算，直至計(jì)算收 斂，保存計(jì)算結(jié)果。為了確保計(jì)算的準(zhǔn)確性，采用二階迎風(fēng)格式Simple算法對(duì)離散化動(dòng)量方 程進(jìn)行壓力速度耦合求解。并將連續(xù)性方程及動(dòng)量方程在直角坐標(biāo)系x，y及z方向上的收斂 殘差設(shè)定在10-6以內(nèi)。
[0022] (6)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行相關(guān)后處理，得到任意截面處的速度、壓力分布云圖及各工況 下的綜合流量不均幅值。
[0023] (7)采用響應(yīng)面法優(yōu)化算法對(duì)(6)中計(jì)算結(jié)果進(jìn)行多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終得到最優(yōu) 解集。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種袋式除塵器氣流組織多參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于:包括以下步驟： 1) 根據(jù)煙氣量、過(guò)濾風(fēng)速及現(xiàn)場(chǎng)空地尺寸確定除塵器基本幾何尺寸，確定主控設(shè)計(jì)參 數(shù)及袋式除塵器基本幾何參數(shù)； 2) 以定量衡量除塵器氣流組織分布的綜合流量不均幅值作為目標(biāo)函數(shù)，以步驟1)中所 確定的主控設(shè)計(jì)參數(shù)作為自變量，利用響應(yīng)曲面法進(jìn)行多參數(shù)工況優(yōu)化設(shè)計(jì)； 3) 利用建模單元建立袋式除塵器幾何模型并確定求解計(jì)算區(qū)域； 4) 將步驟3)中幾何模型文件導(dǎo)入計(jì)算網(wǎng)格劃分單元進(jìn)行離散化拓?fù)渚W(wǎng)格劃分，對(duì)除塵 器實(shí)際物理邊界進(jìn)行簡(jiǎn)化，設(shè)定計(jì)算邊界條件，保存計(jì)算結(jié)果并導(dǎo)出網(wǎng)格文件； 5) 將網(wǎng)格文件導(dǎo)入CH)求解單元，選取計(jì)算求解模型，對(duì)方程進(jìn)行離散化處理，設(shè)定求 解計(jì)算初始參數(shù)，選取數(shù)值計(jì)算迭代方法進(jìn)行迭代求解計(jì)算，直至計(jì)算收斂，保存計(jì)算結(jié) 果； 6) 對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行相關(guān)后處理，得到任意截面處的速度、壓力分布云圖及各工況下的 綜合流量不均幅值，基于響應(yīng)面法對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到最優(yōu)解集。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的袋式除塵器氣流組織多參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于:步驟1)中 所述的主控設(shè)計(jì)參數(shù)包括安全高度，進(jìn)口風(fēng)速，濾料厚度;所述的袋式除塵器基本幾何參數(shù) 包括灰斗、中箱體、上箱體具體尺寸。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的袋式除塵器氣流組織多參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于:步驟2)中 所述的響應(yīng)曲面法以濾料厚度、安全高度、進(jìn)口速度為響應(yīng)因素，響應(yīng)值為數(shù)值模擬所獲得 袋式除塵器氣流組織分布的綜合流量不均幅值。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的袋式除塵器氣流組織多參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于:所述的步 驟3)采用Solidworks建模單元建立步驟2)中各工況的三維幾何模型;再打開(kāi)所述的步驟4) 中的網(wǎng)格劃分單元，所述的網(wǎng)格劃分單元采用ICEM-cfd拓?fù)渚W(wǎng)格劃分，讀取步驟3)中所述 的三維幾何模型，對(duì)讀取的模型進(jìn)行拓?fù)溆?jì)算，依據(jù)實(shí)際幾何模型邊界對(duì)各部分進(jìn)行part 劃分并命名，設(shè)定全局及各part網(wǎng)格劃分尺寸，選擇八叉樹(shù)算法對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行拓?fù)渚W(wǎng)格 劃分，并對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行光滑處理，再對(duì)除塵器實(shí)際物理邊界進(jìn)行簡(jiǎn)化，分別設(shè)定袋式除塵器進(jìn) 口為速度進(jìn)口邊界條件、出口為壓力出口邊界條件、花板及殼體壁面為固壁邊界條件、濾袋 為跳躍多孔介質(zhì)邊界條件，導(dǎo)出網(wǎng)格文件再將網(wǎng)格文件導(dǎo)入步驟5)中的CFD求解單元 Fluent中，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型，對(duì)方程進(jìn)行離散化處理，設(shè)定求解計(jì)算初始參數(shù)，選 取數(shù)值計(jì)算迭代方法進(jìn)行迭代求解計(jì)算，直至計(jì)算收斂，保存計(jì)算結(jié)果。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK105912745SQ201610170844
【公開(kāi)日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年3月24日
【發(fā)明人】解彬, 李義新, 徐兵
【申請(qǐng)人】安徽威達(dá)環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?br>