模拟时，参照了图1(a)所示的脉冲喷吹除尘系统，其中除尘器箱体的长、宽、高分别为 1 225、750、1 550 mm，滤筒(无纺布长绒棉涤纶材质)竖直安装在除尘器内部，喷嘴位于滤筒的正上方。金锥滤筒如图1(b)所示，是在普通滤筒(外形长度660 mm，直径240 mm，滤料厚度0.6 mm)的内部增加锥形过滤面，其直径为200 mm，顶部设有金属锥体，锥体高度为40 mm、底部直径为65 mm。文丘里喷嘴如图1(c)所示，是在普通喷嘴(直径25 mm)的基础上增加了诱导口，诱导口顶部距离普通喷嘴7 mm，上部为带有12 mm边沿的中空圆台，其顶部直径、底部直径、高度分别为51、35、10 mm，下部同样为中空圆台，其顶部直径、底部直径、高度分别为35、52、60 mm，中间由35 mm高的中空圆柱体连接。脉冲喷吹使用20 L的气包，初始压力为0.5 MPa，喷吹时长为0.15 s。压力测点布设在滤筒内壁中部，所用传感器为压电陶瓷高频动态压力传感器MYD-1530A($\phi 7 \;\mathrm{m}\mathrm{m}\times 17\; \mathrm{m}\mathrm{m}$)。

为节省计算量，将中心轴对称结构的滤筒简化为二维，同时，将矩形截面的箱体简化为圆柱形箱体，并保持各部位截面积不变。通过计算可知，简化的圆柱形箱体的截面半径为541 mm。为满足对喷吹高度的研究，将模型中箱体的高度增加到2 050 mm。简化后的二维模型如图2所示。

模拟边界条件如下：将除尘器的顶面和底面设置为压力出口，壁面设置成标准无滑移边界，喷嘴设置为压力入口，滤筒的滤料层设置为多孔介质区。模拟涉及的流体看作为可压缩、非稳态、等温的湍流，选用Realizable k-ε湍流模型和压力-速度耦合算法。喷吹过程中未考虑粉尘的存在和滤筒的形变。

入口压力通过实验获取，实验时，在喷嘴出口下方10 mm处设置高频压力传感器(测试后移走)，传感器可测得喷嘴处喷出气流的压力值，随后可将其与时间的变化曲线进行分段拟合，并得到喷嘴出口压力随时间变化的曲线。按照上述方法，通过更换喷嘴，可分别测试得到普通喷嘴和文丘里喷嘴的出口压力随时间的变化曲线，分别为式(1)和式(2)。

式中：p_c为普通喷嘴的出口压力，kPa；p_d为文丘里喷嘴的出口压力，kPa；t为时间，s。

将式(1)和式(2)以UDF的形式分别导入普通喷嘴和文丘里喷嘴的模拟中，时间步长设置为0.000 5 s。

由脉冲袋式除尘器手册^[1]可知，喷吹气量与过滤面积成正比。由于普通滤筒和金锥滤筒的过滤面积存在差异，故2种条件下的喷嘴出口压力也应该存在系数差，计算过程如下。

通过式(3)和脉冲喷吹前后气包内的绝对压力，可计算得到喷吹实际耗气量^[20]。

式中: Q_p 为在脉冲时间 t 内喷吹气量，m³·次⁻¹；p₀、p₁为喷吹前后气包内的绝对压力，MPa；p_a为当地的标准大气压力，取 0.099 91 MPa；V 为气包容积，20×10⁻³ m³；k为绝热指数，空气取k=1.4。

由实验测试结果可知，普通喷嘴条件下，初始气包压力为0.50 MPa，喷吹剩余压力为0.32 MPa，喷嘴出口最大压力为95.31 kPa。而金锥滤筒的过滤面积为普通滤筒的1.62倍，可求得金锥滤筒的初始气包压力应为0.72 MPa，对应的喷嘴出口压力峰值为171.21 kPa，即金锥滤筒对应的喷嘴出口压力应为同等条件下普通滤筒的1.80倍。

过滤材料区域(多孔介质层)的计算通过在标准流体方程上附加动力源$ \Delta p $来实现，该动力源由黏性损失项和惯性损失项组成，计算方法见式(4)。

式中：$ \Delta p $为压力；$ \mu $为层流黏度；$ \alpha $为渗透率；C₂为压强跃升系数；v为法向加速度；$ \Delta h $为介质厚度；$ \rho $为空气密度。

另外，根据已有研究^[21]，可用达西公式表示有限厚度的多孔介质的黏性损失项，而对于多孔介质内部速度较低的流动，其惯性损失项可忽略。经实验测试与计算，所用滤料的厚度为0.6 mm，在过滤风速为0.5 m·min⁻¹时压降为17.9 Pa，故其黏性损失系数$ 1/\alpha $为2.0×10¹¹ m⁻²。

网格划分采用结构化网格，划分后网格节点总数为24.14×10³ 个、元素23.74×10³ 个，划分结果如图3所示。为了验证网格的独立性，对网格进行了加密处理，加密后的网格节点总数为33.34×10³ 个、元素32.84×10³ 个。

在气包初始压力为0.5 MPa、脉冲宽度为0.15 s、喷吹高度为250 mm、普通喷嘴和普通滤筒组合的条件下，滤筒内壁中间测点压力的模拟结果如图4所示。对比网格加密前后滤筒内壁中间测点压力值的变化情况，发现网格加密前后压力的模拟值基本吻合。由此可知，加密前的网格已经符合网格独立性的要求，因此，本研究采用加密前的结构化网格。

为进一步研究喷吹高度的影响，对除尘器的净化室进行了加高，并将除尘器的实际出入口简化为箱体顶面和底面。模拟结果表明，增加净化室高度前后以及出入口简化前后的模拟结果基本一致，可认为增加的净化室高度以及除尘器出入口的简化对所关注的滤筒内部气流的影响可以忽略。

由图4中模拟值与实验值的对比结果可知，二者的变化趋势整体吻合，压力均值基本相同，主要的不同是模拟的数值波动弱于实验值。这可能是模拟过程中并未考虑滤筒侧壁区域的流固耦合，而实际脉冲喷吹过程中筒壁会在脉冲喷吹的冲击波作用下发生振动，并由此引起传感器运动，导致测试数据的波动。

图5为模拟得到的喷吹高度为250 mm时，滤筒在脉冲喷吹过程中的静压力变化及流场流线变化。

在普通喷嘴和普通滤筒的组合(图5(a))的情况下，气流从喷嘴处喷出，产生卷吸作用，诱导周围气流进入滤筒。随后，高速的气流撞击到普通滤筒的底部，静压从底部开始往上蓄积，使得滤筒底部静压较大而顶部较小。在约0.04 s时，滤筒内压力达到最大并维持一段时间；在0.155 s之后，滤筒内部压力逐渐下降。滤筒顶部常常喷吹压力过小，甚至出现负压，造成清灰不足。

与普通喷嘴和普通滤筒的组合情况相比，文丘里喷嘴和金锥滤筒组合条件下(图5(b))，虽然滤筒内压力蓄积的过程基本相同，但滤筒内蓄积的压力更大，上部清灰不足的区域更小，且滤筒内压力在约0.08 s时达到稳定，约0.170 s时开始降低。

本研究进一步对比了4种组合(普通喷嘴和普通滤筒、文丘里喷嘴和普通滤筒、普通喷嘴和金锥滤筒、文丘里喷嘴和金锥滤筒)达到稳定状态时，除尘器内的静压力云图和流线图(图6)。图7为在初始条件下，4种组合对应的滤筒内部的质量流量随时间变化的曲线。

由脉冲喷吹过程中普通滤筒和金锥滤筒内压力和流线变化(图6(a)和(c)或图6(b)和(d))的对比结果可知，金锥滤筒内喷吹压力的蓄积效果更好，清灰不足的区域更小。造成这种现象的主要原因：与普通滤筒相比，金锥滤筒的过滤面积更大而内部空间更小，因而单位滤筒空间进入的喷吹气流更多，产生的气流压能更强。

由普通喷嘴和文丘里喷嘴的压力云图和流线图(图6(a)和(b)或图6(c)和(d))的对比结果可知，无论是在普通滤筒还是在金锥滤筒的条件下，文丘里喷嘴产生的喷吹压力都要强于普通喷嘴。由对应滤筒内部的质量流量变化(图7)可知，文丘里喷嘴通过诱导口诱导周围二次气流，可增加滤筒内部的喷吹气量。此外，文丘里喷嘴的缩扩结构能够加速喷吹气流，并且能够阻碍从喷嘴处喷出的气流的扩散作用，减少动能的耗散。在普通滤筒条件下，扩散后的气流在喷嘴下方收缩并产生局部漩涡，因而消耗较多气流能量；而在金锥滤筒条件下，由于金锥的导流作用，扩散后的喷吹气流能直接进入滤筒内部而存在较少的局部漩涡，气流阻力相对更小。

为进一步比较4种情况下滤筒内的压力分布，分别选取滤筒内部距离滤筒上沿110、220、330、440和550 mm的5个点(图5)，并绘制各测点的侧壁压力随时间的变化图(图8)。

在普通喷嘴条件下(图8(a)和图8(b))，滤筒内的压力分布均在约0.040 s时达到峰值，且持续一段时间后，在约0.155 s时开始降低；而在文丘里喷嘴条件下(图8(c)和图8(d))，滤筒内的压力分布到0.080 s才能达到最大值，并持续到0.170 s时开始减弱，这种压力随时间的变化趋势与第2.2节所述的一致。

4种组合均为P3~P5测点压力相近且最大，P2测点次之，P1测点压力最小。在普通喷嘴和普通滤筒组合条件下，P3~P5测点压力峰值为1 525~1 695 Pa，P2为949 Pa，P1为381 Pa；文丘里喷嘴和金锥滤筒组合时，P3~P5测点压力为2 465~2 812 Pa，P2为1 882 Pa，P1为588 Pa。由普通滤筒条件下各测点的压力分布可知，使用文丘里喷嘴时，滤筒内中下部的压力峰值显著上升，而上部压力峰值不及普通喷嘴。

由普通喷嘴条件下各测点的压力分布可知，金锥滤筒对所有测点的压力峰值均具有加强作用。在文丘里喷嘴与金锥滤筒组合及普通喷嘴与普通滤筒组合条件下，由各测点的压力分布可知，文丘里喷嘴与金锥滤筒组合条件下，各测点的压力峰值均会得到明显提升，其中P2点的提升尤为显著，提升了1.98倍。

综上可知，文丘里喷嘴可以加强滤筒内中、下部的压力，并且在与金锥滤筒的组合条件下，也能提高上部的喷吹压力，即文丘里喷嘴和金锥滤筒能够协同优化脉冲喷吹的性能。

为进一步研究文丘里喷嘴和金锥滤筒的协同作用，分析了喷吹性能随喷吹高度的变化(图9)。

喷吹性能常用喷吹强度和变异系数来描述。喷吹强度是指滤筒内各测点正压力峰值的平均值，其值与喷吹强度成正比；变异系数是描述滤筒内压力分布的均匀性指标，用标准差和平均值的比值来表示，变异系数越小，滤筒内压力分布的均匀性越好^[22-23]。

由图9可知，4种组合均表现为，喷吹强度随喷吹高度的增大先增大后减小，并在喷吹高度为550 mm时达到最大值。由文丘里喷嘴和金锥滤筒组合条件下各高度的质量流量(图10)可知，这主要是由不同高度下喷嘴诱导气流流量发生变化所导致的。从文丘里喷嘴喷出的气流会在压差的作用下诱导周围空气，高度的改变造成周围流量的变化，进而改变了滤筒内气流的质量流量；并且，脉冲气流的诱导作用存在最大值，在高度超过550 mm时，周围气流并不能被全部诱导，因此造成质量流量的下降。

随着喷吹高度的增大，变异系数逐渐变小，即滤筒内压力分布的均匀性越来越好。这主要是由于，喷吹过程中，从喷嘴喷出的气流会以一定的角度扩散，使得喷吹气流的横截面不断变大。喷吹高度的增加，使到达滤筒顶部的气流的截面积变大，增强了上部清灰效果，从而造成了均匀性的改善。

由普通喷嘴和文丘里喷嘴(图9(a)和(b)或图9(c)和(d))条件下喷吹性能的对比结果可知，在普通滤筒和金锥滤筒条件下，文丘里喷嘴的喷吹强度的平均值是普通喷嘴的1.32和1.17倍，文丘里喷嘴的变异系数的平均值是普通喷嘴的1.20和0.97倍。虽然文丘里喷嘴的喷吹强度要优于普通喷嘴，但变异系数(尤其是喷吹高度较小时)要大于普通喷嘴，即滤筒内的压力分布不如普通喷嘴均匀。

由普通滤筒和金锥滤筒(图9(a)和(c)或图9(b)和(d))条件下喷吹性能的对比结果可知，在普通喷嘴和文丘里喷嘴条件下，金锥滤筒的喷吹强度是普通滤筒的1.39和1.23倍，金锥滤筒的变异系数是普通滤筒的0.74和0.60倍。金锥滤筒条件下不仅喷吹强度得到提升，相较于普通滤筒，金锥滤筒的变异系数也要更小。这说明，金锥滤筒对进入滤筒的气流具有导流作用，可以使其更加均匀，这与第2.3节中的论述一致。

将文丘里喷嘴和金锥滤筒组合(图9(d))条件下的喷吹性能分别与文丘里喷嘴和普通滤筒(图9(b))以及普通喷嘴和金锥滤筒(图9(c))相对比，可以发现，在喷吹强度上，文丘里喷嘴和金锥滤筒组合分别是文丘里喷嘴和普通滤筒以及普通喷嘴和金锥滤筒的1.23和1.17倍，变异系数分别是0.60和0.97倍。文丘里喷嘴和金锥滤筒的组合无论是在喷吹强度，还是在压力分布的均匀性上，都是最好的。这说明，两者的组合具有协同作用，可以优化脉冲喷吹性能。

综合分析可知，文丘里喷嘴主要有利于提升喷吹强度，金锥滤筒主要改善喷吹气流的均匀性，文丘里喷嘴和金锥滤筒的组合则同时提高喷吹强度和喷吹均匀性。并且，在所研究的喷吹高度范围内，相比于同高度的普通喷嘴和普通滤筒组合，文丘里喷嘴和金锥滤筒组合在喷吹高度为150~350 mm时喷吹强度提升最显著，在350~550 mm时喷吹均匀性改善效果最好。为此，建议在文丘里喷嘴和金锥滤筒组合条件下采用喷吹高度350 mm以获得最佳喷吹性能，此时其喷吹强度为2 501.27 Pa，变异系数为0.19，分别是普通喷嘴和普通滤筒组合时的1.73倍和0.51倍。

1)在普通喷嘴与普通滤筒、文丘里喷嘴与普通滤筒、普通喷嘴与金锥滤筒及文丘里喷嘴与金锥滤筒4种组合中，脉冲喷吹气流均为自底部向上蓄积，滤筒内侧壁压力分布均表现为底部压力大而上部压力小的趋势。

2)与普通喷嘴相比，文丘里喷嘴主要通过增强气流的卷吸作用、加大进入滤筒内的喷吹气量，进而提高喷吹强度；与普通滤筒相比，金锥滤筒内的金锥主要通过对喷吹气流进行导流、改善滤筒内流场分布，进而提高喷吹均匀性；文丘里喷嘴和金锥滤筒可实现组合式优化喷吹性能。

3)文丘里喷嘴和金锥滤筒组合条件下，在喷吹高度为150~350 mm时喷吹强度最佳，而喷吹均匀性在喷吹高度为350~550 mm时最好。因此，建议文丘里喷嘴和金锥滤筒组合时采用喷吹高度350 mm以实现最佳喷吹性能。