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摘要：高炉煤气含有大量粉尘，易沉积于管道三偏心蝶阀阀座密封面底部而造成阀板卡塞或损坏，影响高炉生产并造成严重经济损失。为获取管道内部高炉煤气流速对蝶阀区域粉尘沉降规律的影响机理，使用Pro/E建立了蝶阀及其区域流场的三维模型，基于ANSYS Workbench软件的FLUENT模块，采用标准k-ε湍流模型和DPM模型，对3种高炉煤气流速条件下的蝶阀区域粉尘运动轨迹进行了模拟分析。结果表明：流速为8 m/s工况下，粉尘沉积质量随阀板开度增大而呈现先降后升的趋势，而12 m/s和16 m/s工况下，粉尘沉积质量随阀板开度增大而降低；阀板开度15°工况下，粉尘沉积率随高炉煤气流速增大而升高，而45°和75°工况下，粉尘沉积率随高炉煤气流速增大而降低。研究结果可为高炉煤气管道蝶阀区域粉尘自动清除装置的研制提供理论参考。
关键词：计算机仿真；流场分析；高炉煤气流速；阀板开度；沉降特性；三偏心蝶阀
中图分类号：TP319；TF547.2文献标志码：A
WANG Lixin， WANG Bin， HUANG Fengshan.Influence of blast furnace gas flow speed on dust deposition characteristics in butterfly valve region[J].Journal of Hebei University of Science and Technology，2016，37（1）：58-64.Influence of blast furnace gas flow speed on dust deposition
characteristics in butterfly valve region
WANG Lixin， WANG Bin， HUANG Fengshan
（School of Mechanical Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China）
Abstract：The blast furnace gas contains plenty of dust， which deposits easily on the bottom of seat sealing surface of the tri-eccentric butterfly valve in the pipeline， causing stuck and damage to the valve plate， thereby affects the production of the blast furnace and brings great economic loss. To derive the influence mechanism of effects of the blast furnace gas flow speed within the pipeline on the dust deposition laws in the butterfly valve region， a 3D model of the butterfly valve and its regional flow field is built with Pro/E software. Based on FLUENT module of ANSYS Workbench， along with standard k-ε turbulence model and DPM model， simulation analysis of moving trajectories of dust particles in butterfly valve region under 3 blast furnace gas flow speeds is conducted. Results show that the deposition mass of dust particles decreases firstly， then increases with the enlargement of valve plate opening angle under the blast furnace gas flow speed of 8 m/s， while decreases with the enlargement of valve plate opening under the blast furnace gas flow speeds of 12 m/s and 16 m/s. In the case of the valve plate opening angle of 15°， the deposition rate of dust particles increases with the growing of blast furnace gas flow speed， while decreases with the growing of blast furnace gas flow speed under the cases of valve plate opening angle of 45° and 75°. The research results provide a theoretical reference for the development of automatic dust removal system in the butterfly valve region of the blast furnace gas pipeline. Keywords：computer simulation； flow field analysis； flow speed of blast furnace gas； valve plate opening angle； deposition characteristics； tri-eccentric butterfly valve
蝶阀通过调节管道中高炉煤气（blast furnace gas， BFG）流速与压力来维持高炉正常生产活动。BFG中含水气与粉尘[1]。水气使粉尘易板结于蝶阀阀座密封面底部造成阀板卡塞或损坏，使蝶阀失效并产生安全隐患。蝶阀备件费用较高且拆装耗时较长。高炉频繁休风清理板结粉尘或更换蝶阀，会打断正常生产流程，造成严重经济损失。
为研制高炉煤气管道蝶阀区域粉尘自动清除装置，实现蝶阀阀座密封面底部沉积粉尘的自动清除，以防止因粉尘在蝶阀阀座密封面上沉积而阻碍阀板转动进而影响蝶阀开闭与调节，保证高炉正常生产，首先需获取管道蝶阀区域BFG粉尘运动规律。目前，国内外主要通过仿真分析手段研究流场中粉尘运动规律，王志强等[2]对沙尘在防沙堤附近的运动轨迹进行了数值模拟，获得并分析了不同风速，不同沙尘粒径，不同防沙堤形状下沙尘在防沙堤附近的沉积特点；孙国祥等[3]对三维空间中气流对雾滴漂移的影响进行了模拟分析，研究了不同风速和喷雾高度条件下雾滴的沉积特性，并建立了雾滴沉积量和沉积率预测模型；SALMAN等[4]对水平管道内颗粒运动进行了数值模拟，分析了控制颗粒运动的主要气动外力，并建立了基于刚体滑动的弹性接触模型；OH等[5]对直流式旋风分离器内部流场进行了数值模拟，预测了内部流场并研究了流场对颗粒运动的影响，提出了影响分离效率的因素。由于高炉实际工况复杂且现场实验相对缺乏，对于流场中BFG粉尘在管道蝶阀区域运动规律的研究较少。
河北科技大学学报2016年第1期王立新，等：高炉煤气流速对蝶阀区域粉尘沉降特性影响 本文基于ANSYS Workbench软件的FLUENT模块，模拟不同BFG流速工况下三偏心蝶阀区域粉尘沉降过程，分析获取BFG流速对粉尘沉降特性的影响规律，研究结果可为BFG管道蝶阀区域粉尘自动清除装置的设计研制提供理论基础。
1数值模型
设定气相为不可压缩流体[6]，即密度为常数；对气相采用标准k-ε湍流模型和非稳态方式进行描述。BFG管道中粉尘体积分数远小于10%，采用DPM模型和非稳态追踪方式进行轨迹计算。对DPM中粉尘颗粒，FLUENT中通过积分拉氏坐标系下的受力微分方程来求解其轨道。单位质量粉尘颗粒的受力微分方程在笛卡尔坐标系下的形式[7]（x轴方向）为
dupdt=FD（u-up）+gx（ρp-ρ）ρp+Fx，（1）
式中：u为流体相对速度；up为颗粒速度；ρ为流体密度；ρp为颗粒密度。
FD（u-up）为颗粒的单位质量曳力；gx（ρp-ρ）ρp为单位质量颗粒所受重力与浮力的合力，设定蝶阀流场模型重力加速度为9.8 m/s2，沿y-方向；Fx通常包括附加质量力、Saffman升力、布朗力、热泳力以及Magnus力[8]。由于在所设定流场坐标系固定，粉尘密度大于气相密度，流场粉尘不含亚观尺度（直径1～10 μm）的颗粒以及流场温度恒定且与外界无热交换等前提下Fx相对很小，故忽略不计。
由于气相流体的流动状态为湍流，FLUENT使用流体速度脉动导致的瞬时速度u=+u′而不是用流体的时均速度来考虑颗粒的湍流扩散；同时使用随机轨道跟踪方法，用随机游走模型确定流体瞬时速度。
对式（1）积分得到了颗粒轨道每个位置的颗粒速度，再沿着每个坐标方向求解式（2）可得到颗粒轨道：
dxdt=up，（2）
假设在每个小的时间间隔内，包含体力在内的各项受力均为常量，方程（1）可简写为
dupdt=1τp（u-up），（3）
式中，τp为颗粒松弛时间。FLUENT应用梯形差分格式对方程（3）积分：
un+1p-unpΔt=1τp（u*-u*p）+…，（4）
式中，n代表迭代步数，并且有：
u*=12（un+un+1），（5）
u*p=12（unp+un+1p），（6）
un+1=un+Δtunp·Δun，（7）
在给定时刻，同时求解方程（2）、方程（3），即可确定颗粒的速度与位置。
2计算方案
2.1蝶阀区域特征参数
选取DN600三偏心金属硬密封蝶阀作为研究对象，使用Pro/E完成蝶阀及蝶阀区域流场计算域几何建模，分别如图1、图2所示。其中，为使模型特征表达清晰，图2为包含蝶阀阀板等主要特征在内的局部模型。拟分别在15°，45°和75°阀板开度工况下进行仿真，并分别取约5倍（3 000 mm）和10倍（6 000 mm）管道直径（610 mm）长度作为蝶阀上、下游（以阀座密封径向中心面为基准）流场计算域，以减小入口、出口边界的影响，确保完整模拟整个流场的情况[9]。
图1蝶阀几何模型
Fig.1Geometry model of the butterfly valve
图2蝶阀区域流场几何模型（局部）
Fig.2Flow field geometry model of the butterfly valve region （part）
2.2网格划分
为便于仿真分析，对模型进行简化，忽略几何尺寸很小或对蝶阀工作性能影响不大的阀板密封、筋板与阀杆间隙、阀板正面销钉、阀板背面凹坑和螺栓等特征结构。为提高计算精度同时减少计算量，采用六面体与四面体混合网格分别对3种阀板开度工况下的蝶阀区域流场几何模型进行划分[10]：对蝶阀表面及阀座密封面底部等结构复杂的关键部位使用非结构四面体网格并进行加密，对流场入口段（2 500 mm）和出口段（4 000 mm）进行六面体网格划分以减少网格数量。设定中间段（2 500 mm）阀板和阀体密封的面网格尺寸分别为0.015 mm和0.005 mm，其他面的面网格尺寸为0.03 mm，如图3所示。 图3蝶阀区域流场网格（局部）
Fig.3Flow field mesh of the butterfly valve region （part）
2.3边界条件
设定管道与蝶阀无轻微振动，流场温度恒为773 K且与外界无热交换；与阀门1天或数天的工作时间相比，10 s左右的开度动作时间以及因流速改变而需要阀门动作调节至正常流速的时间相对较短，即流场处于相对稳定状态，故不考虑阀门动作或流速改变时刻对粉尘沉降特性的影响。使用速度入口并分别设定8，12，16 m/s等3种管道入口BFG流速；使用压力出口，0.25 MPa；使用蝶阀阀座密封底部半个曲面（沿y-方向）作为粉尘沉积面，DPM边界条件设为trap。
2.4气相参数
使用组分输运模型来模拟气相流场。BFG中所占体积分数较大的3种成分为CO2（约20%）、CO（约25%）和N2（约55%）[11-13]；H2和水蒸气含量较少，对流场影响较小，其中H2仅占1%～4%。因此，仅使用CO2，CO和N2进行仿真分析[12]。基于293 K，1标准大气压下BFG成分及体积分数，并依据美国NIST-REFPROP数据库，气相在773 K，0.25 MPa工况下的其他参数见表1。设定流场时间步长为0.1 s。
表1气相参数
Tab.1Parameters of gas phase
气体 密度/（kg·m-3）比热/（J·（kg·K）-1）热导率/（W·（m·K）-1）黏度/（kg·（m·s）-1）质量分数相对分子质量CO21.711 61 159.15.476 6×10-23.419 5×10-50.2844.010CO1.085 01 129.95.574 2×10-23.416 6×10-50.2228.010N21.088 61 116.05.414 9×10-23.508 5×10-50.528.013
2.5粉尘参数
设定BFG入口粉尘质量浓度为10 g/m3[14]，并将粉尘颗粒简化为均质球体[15-16]；设定粉尘颗粒初始速度与气相管道入口BFG流速相同，在入口平面沿z+方向朝流场中均匀喷射30 s；依据管道直径、气相入口流速和BFG粉尘含量，设定管道入口粉尘总质量流率（单位时间内经入口平面进入流场的粉尘质量）分别为0.023 4， 0.035 0，0.046 7 kg/s。查得某钢厂BFG粉尘粒径分布[17]如表2所示。为符合生产工况且使计算结果更准确，使用Rosin-Rammler分布函数进行粉尘颗粒粒径分布细化[18-19]，所得具体参数如表3所示。
表2BFG粉尘粒径分布
Tab.2Dust particle size distribution of BFG
粒径/μm0～8080～100100～140140～160160～180>180质量分数/%532338229压实密度/（kg·m-3）3 000
表3BFG粉尘颗粒粒径Rosin-Rammler分布参数
Tab.3Rosin-Rammler distribution parameters for sizes of dust particles in BFG
最小直径/μm最大直径/μm平均直径/μm分布指数直径组数992041684.287 122
3结果与分析
3.1结果
1）获得了不同BFG入口流速工况下沉积面上的粉尘沉积质量。如表4所示，8 m/s工况下，粉尘沉积质量随阀板开度增大而先降后升，而12 m/s和16 m/s工况下，粉尘沉积质量随阀板开度增大而降低。
2）获得了不同BFG入口流速工况下沉积面上的粉尘沉积率（粉尘沉积质量与入口粉尘总质量的比值，%）。如表5所示，在15°开度工况下，沉积率随BFG流速增大而升高，而在45°和75°开度工况下，沉积率分别随BFG流速增大而降低。
表4BFG粉尘沉积质量
Tab.4Dust deposition mass of BFG
流速/（m·s-1）沉积质量/g15°45°75°829.224.831.112 50.633.232.916 71.942.033.0
表5BFG粉尘沉积率
Tab.5Dust deposition rate of BFG
流速/（m·s-1）沉积率/%15°45°75°8 4.163.534.4312 4.823.163.1316 5.133.002.36
3.2分析
涡结构与颗粒速度是沉积面附近BFG粉尘颗粒运动的主要影响因素[20-21]。沉积面附近逆时针涡结构存在将附近流场中粉尘颗粒卷吸至沉积面的趋势，这种趋势强弱与涡量正相关；而粉尘颗粒速度不同，导致自身动量（惯性）不同，维持自身运动状态不受涡结构影响的能力也不同，这种能力与颗粒速度正相关。由于粉尘颗粒对流场质点的跟随性，可通过研究蝶阀区域沉积面附近BFG流速代替粉尘颗粒速度。另外，不同入口BFG流速工况下的粉尘入口总质量流率也会对沉积面上粉尘沉积产生影响。总质量流率越高，某时刻沉积面附近粉尘颗粒浓度越高，发生沉积概率相应升高。
为研究蝶阀区域沉积面BFG粉尘沉积特性，通过模型坐标系的yz坐标平面截取管道流场获取流场的对称平面。自粉尘颗粒经入口进入流场第0.5 s左右开始流场已经趋于稳定，沉积面附近流场涡结构与速度随时间变化较小。以第5 s时的流场为例，获取不同阀板开度、入口流速工况下对称平面上沉积面附近BFG涡量与流速分布规律，如图4、图5所示。可见随阀板开度增大，沉积面附近涡量在入口BFG流速8 m/s工况下先降后升，而在12 m/s和16 m/s工况下逐渐降低；不同入口BFG流速工况下，沉积面附近BFG流速随阀板开度增大而降低。 1）由沉积面附近BFG涡量、流速分布规律与沉积质量表对比分析，可见涡量为主要因素。分别在3种入口BFG流速工况下， 阀板开度15°时，涡量均远大于其余开度时的涡量，且作用强于流速因素，粉尘沉积质量较大。在8 m/s工况下，45°开度时涡量最小但流速较大，流速影响不能忽略，粉尘沉积质量较小；在75°开度时，涡量稍大于45°开度时的涡量，且流速较小，粉尘沉积质量大于45°开度时的沉积质量。在12 m/s和16 m/s工况下，45°和75°开度时，涡量逐渐减小，流速也逐渐减小，但涡量是主要因素，粉尘沉积质量减小。
图4 沉积面附近涡量等值线图
Fig.4Contour maps of vortex magnitudes near the deposition surface图5沉积面附近流速等值线图
Fig.5Contour maps of velocity magnitudes near the deposition surface
2）在某一固定开度工况下，粉尘沉积率并不为定值。入口BFG流速升高导致BFG粉尘质量流率的增加，某时刻沉积面附近粉尘颗粒浓度增大，发生沉积概率相应升高。同时，在15°开度工况下，沉积面附近涡量较大，且随BFG流速增大而大幅上升，将粉尘抛向沉积面促进沉积的趋势增强，使粉尘沉积质量大幅上升，上升幅度超过粉尘入口总质量流率提高导致的30 s内进入流场粉尘总质量增幅，因此沉积率升高；在45°和75°开度工况下，沉积面附近涡量较小，虽使粉尘沉积质量随BFG流速增大而上升，但上升幅度低于粉尘入口总质量流率提高导致的30 s内进入流场粉尘总质量增幅，因此沉积率降低。
4结论
基于ANSYS Workbench软件的FLUENT模块，模拟分析了不同高炉煤气流速（8，12，16 m/s）对多种阀板开度（15°，45°，75°）的蝶阀区域粉尘沉降规律的影响机制，得出了如下结论。
1）粉尘沉积质量主要受沉积面附近逆时针涡结构影响，这些涡结构存在将粉尘颗粒卷吸至沉积面的趋势，趋势的大小与涡量正相关。因此，在8 m/s工况下，沉积面附近涡量随阀板开度增大而先降后升，导致粉尘沉积质量先降后升；而在12 m/s和16 m/s工况下，沉积面附近涡量随阀板开度增大而降低，导致粉尘沉积质量降低。
2）粉尘沉积率主要受沉积面附近BFG涡结构和流速共同影响，在15°开度工况下，涡结构是主要因素，沉积率随BFG流速增大而升高；而在45°和75°开度工况下，流速是主要因素，流速增大使粉尘入口总质量流率升高，沉积率随流速增大而降低。
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蝶阀通过调节管道中高炉煤气（blast furnace gas， BFG）流速与压力来维持高炉正常生产活动。BFG中含水气与粉尘[1]。水气使粉尘易板结于蝶阀阀座密封面底部造成阀板卡塞或损坏，使蝶阀失效并产生安全隐患。蝶阀备件费用较高且拆装耗时较长。高炉频繁休风清理板结粉尘或更换蝶阀，会打断正常生产流程，造成严重经济损失。
为研制高炉煤气管道蝶阀区域粉尘自动清除装置，实现蝶阀阀座密封面底部沉积粉尘的自动清除，以防止因粉尘在蝶阀阀座密封面上沉积而阻碍阀板转动进而影响蝶阀开闭与调节，保证高炉正常生产，首先需获取管道蝶阀区域BFG粉尘运动规律。目前，国内外主要通过仿真分析手段研究流场中粉尘运动规律，王志强等[2]对沙尘在防沙堤附近的运动轨迹进行了数值模拟，获得并分析了不同风速，不同沙尘粒径，不同防沙堤形状下沙尘在防沙堤附近的沉积特点；孙国祥等[3]对三维空间中气流对雾滴漂移的影响进行了模拟分析，研究了不同风速和喷雾高度条件下雾滴的沉积特性，并建立了雾滴沉积量和沉积率预测模型；SALMAN等[4]对水平管道内颗粒运动进行了数值模拟，分析了控制颗粒运动的主要气动外力，并建立了基于刚体滑动的弹性接触模型；OH等[5]对直流式旋风分离器内部流场进行了数值模拟，预测了内部流场并研究了流场对颗粒运动的影响，提出了影响分离效率的因素。由于高炉实际工况复杂且现场实验相对缺乏，对于流场中BFG粉尘在管道蝶阀区域运动规律的研究较少。
河北科技大学学报2016年第1期王立新，等：高炉煤气流速对蝶阀区域粉尘沉降特性影响 本文基于ANSYS Workbench软件的FLUENT模块，模拟不同BFG流速工况下三偏心蝶阀区域粉尘沉降过程，分析获取BFG流速对粉尘沉降特性的影响规律，研究结果可为BFG管道蝶阀区域粉尘自动清除装置的设计研制提供理论基础。
1数值模型
设定气相为不可压缩流体[6]，即密度为常数；对气相采用标准k-ε湍流模型和非稳态方式进行描述。BFG管道中粉尘体积分数远小于10%，采用DPM模型和非稳态追踪方式进行轨迹计算。对DPM中粉尘颗粒，FLUENT中通过积分拉氏坐标系下的受力微分方程来求解其轨道。单位质量粉尘颗粒的受力微分方程在笛卡尔坐标系下的形式[7]（x轴方向）为
dupdt=FD（u-up）+gx（ρp-ρ）ρp+Fx，（1）
式中：u为流体相对速度；up为颗粒速度；ρ为流体密度；ρp为颗粒密度。
FD（u-up）为颗粒的单位质量曳力；gx（ρp-ρ）ρp为单位质量颗粒所受重力与浮力的合力，设定蝶阀流场模型重力加速度为9.8 m/s2，沿y-方向；Fx通常包括附加质量力、Saffman升力、布朗力、热泳力以及Magnus力[8]。由于在所设定流场坐标系固定，粉尘密度大于气相密度，流场粉尘不含亚观尺度（直径1～10 μm）的颗粒以及流场温度恒定且与外界无热交换等前提下Fx相对很小，故忽略不计。
由于气相流体的流动状态为湍流，FLUENT使用流体速度脉动导致的瞬时速度u=+u′而不是用流体的时均速度来考虑颗粒的湍流扩散；同时使用随机轨道跟踪方法，用随机游走模型确定流体瞬时速度。
对式（1）积分得到了颗粒轨道每个位置的颗粒速度，再沿着每个坐标方向求解式（2）可得到颗粒轨道：
dxdt=up，（2）
假设在每个小的时间间隔内，包含体力在内的各项受力均为常量，方程（1）可简写为
dupdt=1τp（u-up），（3）
式中，τp为颗粒松弛时间。FLUENT应用梯形差分格式对方程（3）积分：
un+1p-unpΔt=1τp（u*-u*p）+…，（4）
式中，n代表迭代步数，并且有：
u*=12（un+un+1），（5）
u*p=12（unp+un+1p），（6）
un+1=un+Δtunp·Δun，（7）
在给定时刻，同时求解方程（2）、方程（3），即可确定颗粒的速度与位置。
2计算方案
2.1蝶阀区域特征参数
选取DN600三偏心金属硬密封蝶阀作为研究对象，使用Pro/E完成蝶阀及蝶阀区域流场计算域几何建模，分别如图1、图2所示。其中，为使模型特征表达清晰，图2为包含蝶阀阀板等主要特征在内的局部模型。拟分别在15°，45°和75°阀板开度工况下进行仿真，并分别取约5倍（3 000 mm）和10倍（6 000 mm）管道直径（610 mm）长度作为蝶阀上、下游（以阀座密封径向中心面为基准）流场计算域，以减小入口、出口边界的影响，确保完整模拟整个流场的情况[9]。
图1蝶阀几何模型
Fig.1Geometry model of the butterfly valve
图2蝶阀区域流场几何模型（局部）
Fig.2Flow field geometry model of the butterfly valve region （part）
2.2网格划分
为便于仿真分析，对模型进行简化，忽略几何尺寸很小或对蝶阀工作性能影响不大的阀板密封、筋板与阀杆间隙、阀板正面销钉、阀板背面凹坑和螺栓等特征结构。为提高计算精度同时减少计算量，采用六面体与四面体混合网格分别对3种阀板开度工况下的蝶阀区域流场几何模型进行划分[10]：对蝶阀表面及阀座密封面底部等结构复杂的关键部位使用非结构四面体网格并进行加密，对流场入口段（2 500 mm）和出口段（4 000 mm）进行六面体网格划分以减少网格数量。设定中间段（2 500 mm）阀板和阀体密封的面网格尺寸分别为0.015 mm和0.005 mm，其他面的面网格尺寸为0.03 mm，如图3所示。 图3蝶阀区域流场网格（局部）
Fig.3Flow field mesh of the butterfly valve region （part）
2.3边界条件
设定管道与蝶阀无轻微振动，流场温度恒为773 K且与外界无热交换；与阀门1天或数天的工作时间相比，10 s左右的开度动作时间以及因流速改变而需要阀门动作调节至正常流速的时间相对较短，即流场处于相对稳定状态，故不考虑阀门动作或流速改变时刻对粉尘沉降特性的影响。使用速度入口并分别设定8，12，16 m/s等3种管道入口BFG流速；使用压力出口，0.25 MPa；使用蝶阀阀座密封底部半个曲面（沿y-方向）作为粉尘沉积面，DPM边界条件设为trap。
2.4气相参数
使用组分输运模型来模拟气相流场。BFG中所占体积分数较大的3种成分为CO2（约20%）、CO（约25%）和N2（约55%）[11-13]；H2和水蒸气含量较少，对流场影响较小，其中H2仅占1%～4%。因此，仅使用CO2，CO和N2进行仿真分析[12]。基于293 K，1标准大气压下BFG成分及体积分数，并依据美国NIST-REFPROP数据库，气相在773 K，0.25 MPa工况下的其他参数见表1。设定流场时间步长为0.1 s。
表1气相参数
Tab.1Parameters of gas phase
气体 密度/（kg·m-3）比热/（J·（kg·K）-1）热导率/（W·（m·K）-1）黏度/（kg·（m·s）-1）质量分数相对分子质量CO21.711 61 159.15.476 6×10-23.419 5×10-50.2844.010CO1.085 01 129.95.574 2×10-23.416 6×10-50.2228.010N21.088 61 116.05.414 9×10-23.508 5×10-50.528.013
2.5粉尘参数
设定BFG入口粉尘质量浓度为10 g/m3[14]，并将粉尘颗粒简化为均质球体[15-16]；设定粉尘颗粒初始速度与气相管道入口BFG流速相同，在入口平面沿z+方向朝流场中均匀喷射30 s；依据管道直径、气相入口流速和BFG粉尘含量，设定管道入口粉尘总质量流率（单位时间内经入口平面进入流场的粉尘质量）分别为0.023 4， 0.035 0，0.046 7 kg/s。查得某钢厂BFG粉尘粒径分布[17]如表2所示。为符合生产工况且使计算结果更准确，使用Rosin-Rammler分布函数进行粉尘颗粒粒径分布细化[18-19]，所得具体参数如表3所示。
表2BFG粉尘粒径分布
Tab.2Dust particle size distribution of BFG
粒径/μm0～8080～100100～140140～160160～180>180质量分数/%532338229压实密度/（kg·m-3）3 000
表3BFG粉尘颗粒粒径Rosin-Rammler分布参数
Tab.3Rosin-Rammler distribution parameters for sizes of dust particles in BFG
最小直径/μm最大直径/μm平均直径/μm分布指数直径组数992041684.287 122
3结果与分析
3.1结果
1）获得了不同BFG入口流速工况下沉积面上的粉尘沉积质量。如表4所示，8 m/s工况下，粉尘沉积质量随阀板开度增大而先降后升，而12 m/s和16 m/s工况下，粉尘沉积质量随阀板开度增大而降低。
2）获得了不同BFG入口流速工况下沉积面上的粉尘沉积率（粉尘沉积质量与入口粉尘总质量的比值，%）。如表5所示，在15°开度工况下，沉积率随BFG流速增大而升高，而在45°和75°开度工况下，沉积率分别随BFG流速增大而降低。
表4BFG粉尘沉积质量
Tab.4Dust deposition mass of BFG
流速/（m·s-1）沉积质量/g15°45°75°829.224.831.112 50.633.232.916 71.942.033.0
表5BFG粉尘沉积率
Tab.5Dust deposition rate of BFG
流速/（m·s-1）沉积率/%15°45°75°8 4.163.534.4312 4.823.163.1316 5.133.002.36
3.2分析
涡结构与颗粒速度是沉积面附近BFG粉尘颗粒运动的主要影响因素[20-21]。沉积面附近逆时针涡结构存在将附近流场中粉尘颗粒卷吸至沉积面的趋势，这种趋势强弱与涡量正相关；而粉尘颗粒速度不同，导致自身动量（惯性）不同，维持自身运动状态不受涡结构影响的能力也不同，这种能力与颗粒速度正相关。由于粉尘颗粒对流场质点的跟随性，可通过研究蝶阀区域沉积面附近BFG流速代替粉尘颗粒速度。另外，不同入口BFG流速工况下的粉尘入口总质量流率也会对沉积面上粉尘沉积产生影响。总质量流率越高，某时刻沉积面附近粉尘颗粒浓度越高，发生沉积概率相应升高。
为研究蝶阀区域沉积面BFG粉尘沉积特性，通过模型坐标系的yz坐标平面截取管道流场获取流场的对称平面。自粉尘颗粒经入口进入流场第0.5 s左右开始流场已经趋于稳定，沉积面附近流场涡结构与速度随时间变化较小。以第5 s时的流场为例，获取不同阀板开度、入口流速工况下对称平面上沉积面附近BFG涡量与流速分布规律，如图4、图5所示。可见随阀板开度增大，沉积面附近涡量在入口BFG流速8 m/s工况下先降后升，而在12 m/s和16 m/s工况下逐渐降低；不同入口BFG流速工况下，沉积面附近BFG流速随阀板开度增大而降低。 1）由沉积面附近BFG涡量、流速分布规律与沉积质量表对比分析，可见涡量为主要因素。分别在3种入口BFG流速工况下， 阀板开度15°时，涡量均远大于其余开度时的涡量，且作用强于流速因素，粉尘沉积质量较大。在8 m/s工况下，45°开度时涡量最小但流速较大，流速影响不能忽略，粉尘沉积质量较小；在75°开度时，涡量稍大于45°开度时的涡量，且流速较小，粉尘沉积质量大于45°开度时的沉积质量。在12 m/s和16 m/s工况下，45°和75°开度时，涡量逐渐减小，流速也逐渐减小，但涡量是主要因素，粉尘沉积质量减小。
图4 沉积面附近涡量等值线图
Fig.4Contour maps of vortex magnitudes near the deposition surface图5沉积面附近流速等值线图
Fig.5Contour maps of velocity magnitudes near the deposition surface
2）在某一固定开度工况下，粉尘沉积率并不为定值。入口BFG流速升高导致BFG粉尘质量流率的增加，某时刻沉积面附近粉尘颗粒浓度增大，发生沉积概率相应升高。同时，在15°开度工况下，沉积面附近涡量较大，且随BFG流速增大而大幅上升，将粉尘抛向沉积面促进沉积的趋势增强，使粉尘沉积质量大幅上升，上升幅度超过粉尘入口总质量流率提高导致的30 s内进入流场粉尘总质量增幅，因此沉积率升高；在45°和75°开度工况下，沉积面附近涡量较小，虽使粉尘沉积质量随BFG流速增大而上升，但上升幅度低于粉尘入口总质量流率提高导致的30 s内进入流场粉尘总质量增幅，因此沉积率降低。
4结论
基于ANSYS Workbench软件的FLUENT模块，模拟分析了不同高炉煤气流速（8，12，16 m/s）对多种阀板开度（15°，45°，75°）的蝶阀区域粉尘沉降规律的影响机制，得出了如下结论。
1）粉尘沉积质量主要受沉积面附近逆时针涡结构影响，这些涡结构存在将粉尘颗粒卷吸至沉积面的趋势，趋势的大小与涡量正相关。因此，在8 m/s工况下，沉积面附近涡量随阀板开度增大而先降后升，导致粉尘沉积质量先降后升；而在12 m/s和16 m/s工况下，沉积面附近涡量随阀板开度增大而降低，导致粉尘沉积质量降低。
2）粉尘沉积率主要受沉积面附近BFG涡结构和流速共同影响，在15°开度工况下，涡结构是主要因素，沉积率随BFG流速增大而升高；而在45°和75°开度工况下，流速是主要因素，流速增大使粉尘入口总质量流率升高，沉积率随流速增大而降低。
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