本模拟研究以错滤-端滤复合实验装置为基础，系统结构如图2 (a) 所示，其中除尘器主体长宽高尺寸为1 020 mm×500 mm×2 200 mm，箱体内有错滤和端滤区域，分别安装错流滤芯和端流滤芯。在错滤区域内，上下两块花板之间安装错流滤芯 (后文简称“滤芯”) ，滤芯长度1 000 mm，滤料厚度0.6 mm。滤芯周围设置多个喷嘴，每个喷嘴离滤芯中心轴线$ 75\sqrt{2} $ mm，喷嘴直径25 mm，并且喷嘴入口与花板平齐。每个滤芯之间和每个喷嘴之间均相距150 mm，在花板之间设置一块挡板。脉冲喷吹时长设为150 ms，初始气包压力0.2 MPa，气包容积20 L。滤芯上安装有高频压力传感器，MYD-1530A型。

本模拟研究错流过滤核心区域，将实验系统装置简化为如图2 (b) 所示模型。为节省计算量，根据对称性将此模型进一步简化为一个三棱柱区域如图2 (c) 所示。采用结构化网格划分，网格节点总数为148 260个，元素为159 541个，如图3 (a) 所示。

将滤芯入口和出口处设置为压力出口 (pressure outlet) ，花板以及挡板设置成标准固定墙体 (wall) ，喷嘴截面设置为压力入口 (pressure inlet) ，滤芯过滤层设置为多孔介质 (porous zone) ，多孔介质的厚度为0.6 mm，黏性损失系数 (1/α = 2.0×10¹¹ m⁻²) 的计算可见先前报道^[13]。在滤芯沿长度方向上设置3条平行的观测线，从左到右依次设置1~3号观测线 (图2 (c) ) ，因为滤芯是轴对称的，选取的3条观测线反应了滤芯内壁距离喷嘴最近、最远和中间的喷吹压力的分布。每条观测线上均有压力测点P1~P11，测点间距为50 mm，单次计算时长设置为0.000 5 s。计算域内流体假定为理想气体 (ideal gas) ，控制方程为质量守恒方程和Navier-Stokes 方程，流体在求解器中认为是等温可压缩、非稳态的湍流，选用Realizable k-ε湍流模型，采用压力-速度耦合算法。喷吹过程中忽略粉尘及粉尘对计算域的影响、不考虑碰撞挡板时的振动和滤芯形变。

喷嘴压力入口函数通过实验测试获取并拟合得到。实验中在喷嘴出口正前方1.0 cm处设置高频压力传感器，传感器测出喷嘴出口处脉喷气流的压力值，将其变化曲线进行分段拟合，得到式 (1) 。

式中：$ {P}_{n} $为喷嘴的入口压力，Pa；$ t $为时间，s。将式 (1) 改编为用户自定义函数格式导入至喷嘴压力入口。

1) 在挡板位置 (挡板到滤芯顶部开口的距离) 500 mm条件下考察滤芯喷吹覆盖区 (上部花板和挡板之间的区域) 外侧脉喷气流喷吹压力的时空分布；2) 考察喷嘴入口压力分别为3 000、4 000、5 000、6 000、7 000、8 000、9 000、10 000 Pa时喷吹覆盖区中滤芯所受压力峰值情况，根据滤芯有效清灰压力确定最佳的喷嘴入口压力；3) 在最佳喷嘴入口压力条件下，考察挡板位置为250、300、350、400、450、500 mm对滤芯喷吹覆盖区中滤芯所受压力峰值情况，对比确定挡板往复位置，并设计挡板往复式喷吹策略。

为验证网格的独立性将滤芯内压力梯度变化较大的区域按如图3 (b) 所示加密，加密后网格节点总数为487 574个、元素512 893个。滤芯外壁中间测点计算出的模拟值如图4所示。对比喷吹压力值随时间变化趋势发现，网格加密前后计算出的压力值大致吻合，认为加密前的网格已满足网格独立性要求。

而实验与模拟的喷吹压力随时间的变化趋势大体一致，并与实验测定数值的均值匹配度较高，认为数值模拟与所得结果可反映实际情况。实验测定的数值相比模拟计算结果波动幅度较大。这可能是模拟未考虑滤芯侧壁区域的流固耦合，而实际脉喷气流作用时会引起挡板或滤芯振动，并使得传感器振动，从而引起测试数据的波动。

图5所示为脉冲喷吹过程中喷吹覆盖区的静压力云图与流线图。压缩空气从喷嘴喷出后形成一股高压气流，这股气流在喷嘴下方区域形成负压区，导致涡流的形成并卷吸周围气体进入喷吹气流中。喷吹气流挤压下方气体导致了滤芯外部空间整体形成一定的压力。撞击到挡板的喷吹气流在横向扩散的过程中与 (对称的) 其它喷嘴的横向气流发生二次撞击并形成空气墙，使得喷吹气流在挡板与滤芯外壁形成的区域内发生蓄积。

根据静压力云图可知，压力在喷吹覆盖区呈现底部最大、上部次之、中部最小的特点，其中底部的压力较高的规律与滤芯内部脉冲喷吹的压力分布规律一致^[6,14-15]；但值得注意的是本研究中滤芯上部压力大于中部压力，主要是顶部上方花板减缓了上升气流流速导致上部静压增大。从喷吹压力随时间的变化特征可知，开始滤芯受脉喷气流卷吸作用呈现负压，随后气流蓄积滤芯外壁所受静压迅速上升，到$ t $=0.020 s时达到稳定，$ t $=0.080 s时达到最大值，并持续到$ t $=0.160 s时后压力开始下降。

喷吹压力在水平上分布如图6所示。沿滤芯水平方向比较发现，喷吹压力呈现两侧较中间高的规律，其中左侧偏大原因主要是离喷嘴距离近，所受气流影响大；右侧偏大原因主要是靠近空气二次对撞区域导致静压增大；由于考虑到滤芯的有效清灰，故后续数值模拟均取水平方向上最小压力 (2号观测线) 进行比较。

图7为不同入口压力情况下喷吹覆盖区滤芯的压力云图和流线图 (只考虑滤芯压力分布情况，故仅保留滤芯部分) 。

一般以喷吹压力>600 Pa能够进行有效清灰^[16-20]。图8为不同喷嘴的入口压力下各测点的压力峰值，通过对比可发现，喷吹覆盖区滤芯整体压力随着入口压力的增大而升高；但值得注意的是滤芯350~500 mm区域 (挡板附近区域) 压力增长速率快于其它区域。喷嘴入口压力大于5 000 Pa时，有效清灰区域面积增长缓慢，浪费气包压力。喷嘴入口压力小于5 000 Pa时，无有效清灰区。

此次喷吹仅对滤芯350~500 mm区域进行有效清灰，但挡板位置可变化，故仅部分区域满足有效清灰即可，其他区域可通过挡板位置变化后再次进行脉冲喷吹实现清灰。最后确定了最佳喷嘴入口压力为5 000 Pa。

从之前的喷嘴的入口压力分析可知在挡板500 mm实现了滤芯350~500 mm区域有效清灰，通过挡板位置变化实现滤芯0~350mm区域的有效清灰。图9为挡板位置变化时滤芯各测点压力峰值，喷吹覆盖区压力随着挡板距离的减小而增大，再通过对比会发现挡板在350 mm处仅需进行一次喷吹实现了滤芯0~350 mm的有效清灰，若挡板距离减小如300 mm时会出现滤芯300~350 mm区域的清灰盲区，需再次更改挡板位置对此区域进行脉喷清灰，随着挡板位置减小喷吹覆盖区压力增加，同时清灰盲区面积扩大；若挡板距离增大如400 mm时喷吹覆盖区0~350 mm区域不能进行有效清灰。最后确定挡板位置在350 mm可实现滤芯0~350mm区域的有效清灰，在500 mm可实现滤芯350~500mm区域的有效清灰。

根据上述结论设计挡板往复式喷吹策略：1) 挡板开始在350 mm时上部喷吹，喷吹后位置移动至500 mm；2) 在500 mm处上部喷吹，喷吹后位置移动至650 mm；3) 在650 mm下部喷吹，喷吹后位置移动至500 mm；4) 在500 mm处下部喷吹，喷吹后位置移动到350 mm，完成一次挡板往复式喷吹。喷嘴入口压力为5 000 Pa条件下，对比3种喷吹策略对滤芯喷吹性能进行考察。

图10为3种不同喷吹策略示意图， (a) 为普通单向式喷吹、 (b) 为挡板双向式喷吹、 (c) 为挡板往复式喷吹。其脉冲喷吹的性能一般比较喷吹压力和喷吹均匀性^[21-23]，各测点正压力峰值的平均值$ \stackrel{-}{p} $越大说明喷吹压力越大，而峰值的变异系数$ \mathrm{C}.\mathrm{V}. $越小则意味着喷吹均匀性越好，变异系数以式 (2) 计算。

式中：$ {p}_{i} $为各测点压力峰值，$ n $为测点总数。图11显示3种喷吹策略下的平均喷吹压力和喷吹均匀性的比较。

普通单向式喷吹与挡板双向式喷吹比较后得出，后者相较于前者平均喷吹压力提升了224.2 Pa，为0.90倍，清灰均匀性提升了0.96倍 (变异系数降为原来的51.1 %) ，说明增设挡板蓄积气流提升滤芯整体压力，滤芯喷吹性能得到提升。挡板双向式喷吹与挡板往复式喷吹比较后得出，挡板位置的变化改进了对半固定式喷吹清灰不良区域的喷吹压力，平均喷吹压力进一步提升了0.35倍，均匀性提升了3.18倍，这说明改进喷吹策略，通过挡板位置变换来提高整体清灰均匀性，滤芯喷吹性能显著提升。逐级往复式喷吹可实现1000 mm滤芯有效清灰。综上所述，相比普通单向式喷吹，本研究设计的逐级往复式喷吹可实现滤芯外侧脉冲喷吹压力增大1.57倍，清灰均匀性提升7.17倍。

1) 挡板的设置迫使喷吹气流横向扩散并与相邻的喷吹气流发生二次撞击，由此蓄积局部较高静压从而对滤芯产生增强的清灰作用，滤芯所受气流压力呈现底部最大、上部次之、中部最小的特点；挡板附近滤芯的压力随喷嘴入口压力的增加而显著提高，最佳喷嘴入口压力为5 000 Pa。

2) 喷吹覆盖区滤芯外侧所受压力随着挡板距离的减小而增大，对于所研究的1 000 mm长的滤芯，挡板位置为500 mm和350 mm分别可实现350~500 mm和0~350 mm区域的有效清灰。

3) 设计了挡板往复式喷吹策略：挡板位置依次控制在350、500、650、500 mm处，对应的滤芯外侧平均喷吹压力为638 Pa、变异系数为0.06。相比普通单向式喷吹，平均喷吹压力提升了1.57倍、喷吹均匀性提高了7.17倍；相比挡板双向式喷吹，平均喷吹压力提升了0.35倍、均匀性提高了3.18倍。