随着工业的快速发展,煤电、钢铁等重工业领域的排放物成为工业大气污染的重要来源。纵观我国近年来的空气质量状况,颗粒物作为主要的空气污染物,严重危害了人们的身体健康。为改善大气环境提高空气质量,国家开始重视从源头治理工业大气污染物,特别是采取了更严格的大气污染物排放标准以推进超低排放改造,工业烟粉尘的排放治理已成为节能减排的重要环节。袋式除尘器的滤袋以直筒型圆袋为主,而圆布袋一直无法突破排放高、破袋率高及设备占地大等难题,褶皱滤袋应运而生。虽然目前袋式除尘器的除尘效率很高,但其过滤阻力还比较大,清灰不力、过度清灰等问题也有待解决。本文以褶皱滤袋为研究对象,从阻力特性和清灰性能两方面对褶皱滤袋的结构优化展开了研究,所得结论对于降低袋式除尘器的过滤阻力、提高褶皱滤袋的清灰性能具有一定指导意义。本文首先以褶皱滤袋其褶形结构的高宽比ɑ为结构优化的切入点,对应建立不同褶数下的褶皱滤袋结构的三维几何模型,采用多孔介质及标准k-ε双方程湍流模型对褶皱滤袋进行气相流场的数值模拟,分析了褶数N=8,12,16,20,24的褶皱滤袋除尘器过滤阻力随进口风速的变化情况,以及褶皱滤袋的过滤阻力随褶数的变化规律,并在所研究的褶数范围内得出了褶皱滤袋最小阻力对应的褶数。然后在确定的最佳褶数下,研究了袋长L=2.5,3,3.5 m的褶皱滤袋除尘器的阻力特性及袋室内的气流均匀性。再通过脉冲喷吹清灰实验测量了褶数N=8,10,12且滤料分别为无纺针刺毡及其覆膜的六组褶皱滤袋的壁面峰值压力,对比分析了不同褶数、滤料的褶皱滤袋其表面沿袋长方向压力峰值的变化情况。最后,通过Ansys Workbench仿真平台并基于单向流固耦合法,对N=8,10,12的三组无纺针刺毡褶皱滤袋,模拟分析了脉冲清灰过程中袋室内的流场分布及滤袋壁面的动态响应特性。结果表明:(1)多孔介质及标准k-ε双方程湍流模型计算的袋式除尘器的阻力与文献实验数据的误差在允许范围内,说明该数值模型适用于褶皱滤袋。(2)通过增加褶数(N)来增大褶皱滤袋的过滤面积、降低过滤阻力是可行的,但褶数过多以致高宽比(ɑ)越大,使褶间通道变窄,不利于含尘气流在褶形过滤介质内的流动,过滤阻力反而增大。相同进口风速下,N=12(ɑ=1.12)的褶皱滤袋的过滤阻力最小,过滤阻力随进口风速的增长率明显小于其他四种褶数的滤袋,袋室内的流场分布也更均匀,对不同处理风量的工况适应性较好;袋长(L)对袋式除尘器的流场和阻力有一定影响,合理加长滤袋有助于改善袋室内的气流分布。不同袋长的褶皱滤袋除尘器的过滤阻力随进口风速的增加呈二次曲线式增长,进口风速较小时,褶皱滤袋越长则系统阻力越小,但过短或过长的褶皱滤袋均不适宜在高风量下运行。其中L=3 m的滤袋其垂直方向的压差梯度较小,袋室内的压力及速度分布更均匀,有利于保护滤袋,降低运行能耗。(3)对于褶数N=8,10,12且滤料分别为无纺针刺毡及其覆膜的六组滤袋:N=8、12的滤袋壁面压力峰值较高,清灰效果相对较好;滤袋的侧壁压力峰值沿袋长方向先增后减,测点2处褶数对侧壁压力峰值的影响最大,但在测点1、3处不是很明显;无纺针刺毡覆膜褶皱滤袋的压力峰值大于未覆膜的褶皱滤袋,同等条件下更利于提高滤袋特别是其下端的清灰性能。(4)对于褶数N=8,10,12的三组无纺针刺毡滤袋:脉冲清灰过程中,气流沿袋长方向不断扩散,滤袋中部的气流膨胀较为显著,且N=10的袋内膨胀区域最大、喷吹气流到袋底的距离最短;脉冲清灰能量的分布是不均匀的,N=10的滤袋易因中上部压力偏小而无法正常清灰且中下部压力过大易使滤料破损,N=8、12的滤袋内静压分布则相对均匀,利于清灰。(5)T=2 ms时,前述的三组褶皱滤袋均在袋顶处达到瞬时最大加速度,其值分别为252.93 m/s~2、212.78 m/s~2、171.13 m/s~2,且N=12的滤袋壁面达到最大加速度的同时已有明显的相对运动趋势,同一喷吹压力下更能快速清灰;不同褶数的滤袋壁面瞬时最大形变均位于滤袋上端,形变量沿袋长方向逐渐减小,三组滤袋的最大形变及对应时刻分别为0.20 mm-12.70 ms、0.16 mm-163.5 ms、0.38mm-13.64 ms,整个喷吹时间内,滤袋壁面的最大形变均呈周期性先增后减,且N=12的滤袋最大形变量最大更易清灰;三组滤袋的最大应变分别为0.1384%、0.1239%、0.0977%,同时产生的最大应力分别为23.237 k Pa、19.960 k Pa、16.643k Pa,最大应变及最大应力的发生位置都集中于袋口附近,验证了实际运行中通常除尘布袋的袋口易出现磨损而失效的风险。