随着国民经济的快速发展，铸造、金属冶炼和燃煤发电等行业已成为工业生产的重要支柱。然而，工业化进程的加快也导致了工业过程中污染物排放的加剧，对环境质量和工人健康构成了严重威胁（Zhu等人，2016；Johnson等人，2021）。在这些排放物中，铸造、冶炼和发电过程中释放的大量烟雾和粉尘已成为工业生产中的主要烟气污染物（Guo等人，2024；Chen等人，2026；Rafiei等人，2009）。由于这些细颗粒物粒径小、比表面积大且毒性强，它们会对室内和室外环境以及职业健康产生严重影响（Fan等人，2025；Borm，1997；Karim等人，2018）。在日益严格的空气污染控制政策下，传统的除尘技术（如重力沉降、惯性分离和静电沉淀）已无法满足当前的排放标准，给工业建筑的清洁生产和高效空气污染控制带来了重大挑战。
基于过滤介质的分离方法是高效去除微细颗粒物的关键方法。这类典型的设备包括布袋除尘器、板式除尘器和筒式除尘器，它们都能实现对细颗粒物的高净化效率（Beaulac等人，2022；Joshua等人，2024；Han等人，2024）。然而，在铸造、金属冶炼和燃煤发电等工业过程中，烟气体积通常非常大，每小时可达数万至数十万立方米。在这种高气流条件下（Lv等人，2020），板式和筒式除尘器因过滤元件的形式和内部气流组织受处理能力和设备规模的限制而不太适用于大规模应用（Li等人，2025）。相比之下，布袋除尘器因其高过滤效率、较大的空气处理能力和成熟的工程应用性而被更广泛采用。特别是对于PM2.5等细颗粒物的控制，布袋系统在工业排放控制中变得不可或缺，并继续扩展到各个领域（Angalakuditi等人，2023；Chiang和Gao，2022）。
根据除尘器内部的气流特性，布袋除尘器可分为分隔式和直通式两种设计。分隔式系统由于内部结构部件众多，通常具有较高的阻力（Pontius和Smith，1988；Robinson等人，1967）。相比之下，直通式布袋除尘器具有简化的内部布局，显著降低了局部阻力，同时具有制造更简单、空气处理能力更强和安装占地面积更小的优点（Pham等人，2012）。鉴于国家政策强调减排和能源效率，新的法规标准要求除尘器既可靠又节能。因此，直通式布袋除尘器因其低阻力和高效率再次受到关注。
然而，由于各过滤区之间有较大的共享空间和连接，直通式设计在入口附近的气流速度往往很高。这会导致滤袋在入口处受到过度磨损，增加滤袋损坏的风险（Fu和Zhao，2012；Saleem等人，2012），如图1(a)所示。此外，密集的过滤元件在除尘器内部形成强烈的涡流，导致大量能量耗散和运行能耗增加。这也加剧了过滤区之间的气流分布不均匀性（Hu等人，2025a），如图1(b)所示。因此，在保持低阻力的同时实现均匀的气流分布并减轻入口引起的滤袋损坏成为直通式布袋除尘器性能优化的一个关键问题（Merritt和Bush，1997；Lima和Huebner，2019）。
为了解决上述问题，以往的研究主要集中在两种策略上：入口段的结构优化（Chen，2001）和引入气流分配挡板（Zhang等人，2024）。在入口段优化方面，研究人员已经证明将入口气流角度设置为45°可以显著提高入口处的气流均匀性（Rocha等人，2014；Musa等人，2020）。此外，双向进气配置不仅提高了气流均匀性，还降低了除尘器内的结构阻力（Pereira等人，2016）。进一步的研究表明，将入口置于滤袋的下端下方并优化入口尺寸可以为实现低阻力、分布均匀的入口气流提供实用的设计指导（Rocha等人，2009；Li等人，2019）。
关于气流挡板的使用，在入口处垂直于气流方向安装扩散器可以显著降低进入气流速度，提高均匀性，并有效减轻二次粉尘再悬浮（Croom，1996）。此外，在除尘器内部放置导流板以创建引导气流通道可以使得所有滤袋的气流分布更加均匀。这种策略在提高气流均匀性方面比扩散器更有效，同时还能缓解入口磨损问题（Chen和Cheng，2005）。然而，尽管有这些改进，引入结构流量控制组件通常会引发局部气流分离，重新组织内部涡流系统，并加剧能量耗散，最终增加整个系统的阻力。这反映了在传统流量均衡策略中优化流量分布和保持低流量阻力之间的固有权衡。
从流体力学的角度来看，内部涡流演变是布袋除尘器结构阻力和流量不平衡的根本原因。特别是入口附近的分离涡流和滤袋后面的尾流涡流是局部能量损失的主要来源。目前的涡流控制策略可分为两大类：主动控制利用外部能量来调节涡流发展，例如离子风激励（Sung等人，2006；Nati等人，2013）和磁流控边界层操控（Rashidi等人，2015）；被动控制则依赖于流体-固体界面的几何优化，包括使用表面纹理（Zhou等人，2015；Gao等人，2015）和孔隙率梯度（Rashidi等人，2014）来抑制边界层分离。这些技术在理想条件下显示出将系统能耗降低51%的潜力（Rashidi等人，2016）。然而，大多数现有的涡流控制研究都集中在孤立组件上。对于布袋除尘器而言，由于其复杂的内部结构会导致多尺度涡流的形成，关于涡流行为及其调节的系统研究仍然有限。这一差距阻碍了整体系统效率的进一步提高。
为了解决这一挑战，本研究从涡流调控的角度，利用数值模拟研究了过滤袋排列和袋形对涡流演变和流量阻力的影响。在本研究中，涡流结构被视为控制局部能量耗散、气流分布不均匀和阻力增加的关键流动机制，而速度场用于揭示与这些效应相关的外部分布特性。与依赖入口改造或额外内部流量控制组件的传统流量均衡策略不同，所提出的方法通过协调优化过滤系统本身的内在几何形状来改善流量组织。具体而言，提出了阶梯式过滤袋排列以抑制入口附近的大尺度分离涡流，同时引入椭圆形滤袋来减弱由流量分离引起的密集尾流涡流。通过这两种优化措施，分别作用于除尘器内的不同主导涡流结构，共同提供了一种低损耗的途径来提高气流均匀性和降低结构阻力。此外，不仅在滤袋干净的情况下评估了优化配置的性能，还在四个具有不同实验确定渗透系数的代表性运行阶段进行了评估。通过综合考虑气流均匀性、粉尘分布均匀性、压降和能源效率，本研究对所提出的优化策略的工程效果进行了更全面的评估。
