基于CFD模擬的蝸殼式旋流器的研究及應(yīng)用＊

冀前輝

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西省西安市，710077）

旋流器（也稱旋風(fēng)分離器）廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，在煤礦井下生產(chǎn)中也得到應(yīng)用，比如在松軟煤層空氣鉆進(jìn)過程中用于除塵分離，在松軟煤層泡沫鉆進(jìn)過程中用于分離泡沫和空氣并消除泡沫。旋流器的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部流場直接決定著其使用效果的好壞，采用蝸殼式入口結(jié)構(gòu)，進(jìn)入旋流器的氣流一方面不會直接沖刷排氣總成外壁，另一方面減小了氣流中顆粒對于旋流器內(nèi)壁的碰撞，這在很大程度上減輕了湍流擾動對分離效率的影響，也大大減少了沖蝕問題。在蝸殼式入口增大入口半徑，在增加旋轉(zhuǎn)速度的同時也能夠增加旋轉(zhuǎn)動量，有利于分離細(xì)微顆粒，總體分析該結(jié)構(gòu)有利于提高旋流器性能。

蝸殼式旋流器的動力主要由空氣流動產(chǎn)生，旋流器的氣相流場分布對于內(nèi)部固體和氣體的運(yùn)動具有決定性意義。速度和壓力分布是研究蝸殼式旋流器的重要手段，通過對速度和壓力的模擬分析能夠優(yōu)化旋流器結(jié)構(gòu)，并且提高旋流器性能。

1 CFD模型的建立

根據(jù)煤礦井下空氣鉆進(jìn)除塵分離和泡沫鉆進(jìn)消泡需求，初步確定蝸殼式旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1（a）所示。通過制圖軟件建立三維模型，并采用四面體、五面體和六面體方式分別針對進(jìn)氣蝸殼式入口、筒體及錐體和排氣總成進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成的多塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格如圖1（b）所示。

設(shè)置流體密度為1.225 kg／m3的空氣，定義旋流器入口為速度邊界條件，初始速度值定為20 m／s。鑒于求解前出口處流速和壓力的不確定性，定義排氣總成出口面為出流邊界條件，其他面保持墻面邊界條件。

圖1 旋流器模型

2 氣相數(shù)值模擬

由于旋流器內(nèi)的氣體流動為湍流，在進(jìn)行流場模擬計(jì)算時，需要選擇合適的湍流模型。RNGk－ε雙方程模型具有較高的計(jì)算精度，且具有相對較小的計(jì)算量，同時該模型適合于模擬強(qiáng)旋流動和旋流器的氣相流動。

速度分布和壓力分布是分析旋流器氣相流場的重要參數(shù)，直接影響到旋流器的分離效率和工程應(yīng)用效果。

2.1 蝸殼式旋流器的速度分布規(guī)律

旋流器內(nèi)部任意點(diǎn)的速度可以分解為切向速度vt、軸向速度vz以及徑向速度vr，即v＝vt＋vz＋vr。

切向速度為旋流器進(jìn)行顆粒分離提供所需的離心力，含塵氣體在切向速度的作用下，由里向外沉降。圖2所示為蝸殼式旋流器的切向速度云圖，不難看出，存在一個最大的切向速度分割錐面，該錐面距離排氣總成中心軸線的距離約為0.6re～0.7re（旋流器內(nèi)壁距離軸線的距離），在筒體和錐體部分，同一高度面上，越靠近分隔錐面切向速度越大。切向速度在蝸殼部分的分布比較復(fù)雜，從A－A截面來看，最大的切向速度區(qū)域分布在蝸殼左下角附近，在該區(qū)域的氣流和顆粒的高速度會加快殼體的磨損，為了提高旋流器的使用壽命，設(shè)計(jì)時在該區(qū)域增加了耐磨內(nèi)襯。在軸心附近，切向速度急劇降低為零甚至負(fù)值，可以認(rèn)為該區(qū)域并不存在使氣流或者顆粒旋轉(zhuǎn)的動力。

圖2 切向速度分布云圖

軸向速度分布云圖見圖3，分析圖中C－C截面的軸向速度可以得出，在入口蝸殼區(qū)域，軸向速度基本處于－0.5 m／s和－2.65 m／s之間，而在通體和錐體外側(cè)區(qū)域存在一定厚度的深色區(qū)域，其軸向速度在－2.65 m／s和－6.94 m／s之間，即氣流具有向下流動趨勢，這是旋流器能夠進(jìn)行氣液、氣固分離的關(guān)鍵。另外，越靠近旋流器錐體底部，負(fù)值軸向速度的絕對值越小，即可認(rèn)為向下流的強(qiáng)度越小，在實(shí)際工作中，該區(qū)域被捕集的固體或液體顆粒有可能在向上流的影響下向上運(yùn)動從而逃出旋流器。具體設(shè)計(jì)時，考慮在底部設(shè)置一個直徑擴(kuò)大的灰斗，從而增加捕集效率。旋流器中心區(qū)域的軸向速度為正值，屬于向上流區(qū)域，該區(qū)域?yàn)闅怏w向上并排出旋流體的通道，最大軸向速度約為14.5 m／s，位于排氣管總成入口附近。

圖3 軸向速度分布云圖

徑向速度分布云圖見圖4，徑向速度具有復(fù)雜的分布規(guī)律，它不直接參與旋流器的捕集。一般認(rèn)為，當(dāng)徑向速度為正值時，其向外形成外向流，對旋流器工作有著積極作用，反之則會阻礙旋流器的工作。

如圖4所示，D區(qū)域的徑向速度有利于提高旋流器的分離效率，E區(qū)域的徑向速度會阻礙旋流器分離。另外，徑向速度往往會擾動軸向速度和切向速度形成的流場，相關(guān)研究認(rèn)為，徑向速度越大，則分離效果越差。從模擬的結(jié)果分析，在G處和F處的徑向速度較大，其余部分的徑向速度都小于4 m／s，鑒于徑向速度峰值區(qū)域較小，對總體使用效果影響較小。

圖4 徑向速度分布云圖

2.2 壓力分布

蝸殼式旋流器中氣體流動可以簡化為理想流體的不可壓縮流動，其壓力分布H見式（1）：

——由動能引起的速度水頭；

z—由重力勢能引起的位置水頭。

將式（1）兩邊同乘以ρg，則有：

式中：p——靜壓強(qiáng)，簡稱靜壓，Pa；

ρa(bǔ)gH——總壓強(qiáng)，簡稱總壓，Pa。

圖5所示為旋流器內(nèi)部的靜壓分布云圖，從C－C截面不難發(fā)現(xiàn)，在旋流器筒體和錐體部分，靜壓基本以排氣總成軸線呈軸對稱分布，沿軸線具有一片細(xì)緩的倒錐分布的負(fù)壓區(qū)。由于在錐體底部仍然處于負(fù)壓區(qū)，為避免外部氣流干擾內(nèi)部流場，設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用時應(yīng)考慮錐體底部的氣密性。

圖5 靜壓分布云圖

動壓分布云圖見圖6，主要反映了旋流器內(nèi)部速度的分布，其分布規(guī)律基本按照排氣總成軸線對稱分布，越靠近中心位置，動壓越小，越靠近旋流器底部，動壓越小。

圖6 動壓分布云圖

旋流器內(nèi)部流場的壓力損失由全壓反映，圖7為不同截面上全壓的分布云圖。在蝸殼的入口部分，全壓的下降量最為明顯，另外氣體從外側(cè)下行流區(qū)域到內(nèi)測上行流區(qū)域的轉(zhuǎn)變過程中壓力損失較大，而在上行部分，從錐體底部到排氣總成出口幾乎沒有壓力損失。模擬的結(jié)果顯示，旋流器總的壓力損失約為560 Pa。

圖7 不同截面上的全壓分布云圖

3 氣固兩相流數(shù)值模擬

通過向氣相流場中加入固體顆粒，并追蹤這些顆粒在旋流器的運(yùn)動軌跡和停留時間，能夠預(yù)測出旋流器的分離效率，從而指導(dǎo)工程應(yīng)用。具體模擬時，設(shè)置入口表面為顆粒的釋放平面，顆粒在接觸旋流器底部平面時即停止追蹤（可認(rèn)為被捕集）。對不同粒徑顆粒的追蹤如圖8所示，當(dāng)顆粒直徑dc＝30μm時，此時旋流器的捕集效率為100%；當(dāng)顆粒直徑dc＝10μm時，旋流器能夠捕集大部分顆粒；當(dāng)顆粒直徑dc＝7μm時，捕集效率降為68%；而對于顆粒直徑dc＝1μm的顆粒，該旋流器的分離效率較低。

圖8 不同直徑顆粒在旋流器中的軌跡圖

4 工程應(yīng)用

在進(jìn)行松軟煤層空氣鉆進(jìn)過程中，返出的含塵氣體流速高，極易造成煤礦井下粉塵污染，采用蝸殼式旋流器作除塵裝置的多級除塵器如圖9（a）所示，在現(xiàn)場應(yīng)用過程中，旋流器作為第一級除塵裝置，對大顆粒煤粉的分析效果顯著，有效消除了鉆進(jìn)過程中的粉塵污染。

在泡沫鉆進(jìn)過程中，需要對生成的泡沫進(jìn)行除泡作業(yè)。該工況對應(yīng)旋流器的氣霧分離，與進(jìn)行氣固分離的工況不同，霧滴在離心力作用下被拋向旋流器內(nèi)壁面，細(xì)小霧滴在離心力的作用相互聚結(jié)在一起形成大質(zhì)量的水滴，產(chǎn)生的液體通過旋流器內(nèi)壁向下移動，由于液滴相互粘接而不太可能被重新夾帶進(jìn)氣體中，這些因素使得氣液分離相對容易。另外，由于液滴對旋流器內(nèi)壁的沖擊作用較小，因此采用旋流器進(jìn)行氣霧分離不會像氣固分離那樣容易磨損。

根據(jù)以上原理，在煤礦井下松軟突出煤層泡沫鉆進(jìn)過程中，蝸殼式旋流器被用來作為機(jī)械消泡器，用作鉆孔沖洗介質(zhì)的泡沫在風(fēng)力作用下進(jìn)入旋流器，在離心力作用下，泡沫相互之間擠壓摩擦，使得液膜破裂泡沫，繼而從空氣中被分離出來，達(dá)到消除氣泡的目的，圖9（b）為旋流器消泡地面試驗(yàn)情況。

圖9 旋流器工程應(yīng)用

5 結(jié)論

通過對蝸殼式旋流器的氣相流場模擬和顆粒追蹤結(jié)果的分析，結(jié)合工程應(yīng)用得出以下結(jié)論，為合理設(shè)計(jì)旋流器參數(shù)提供了理論依據(jù)。

（1）蝸殼式旋流器具有典型的外部向下流動和內(nèi)部向上流動的雙層氣相流場，對其流場的速度分析表明，切向速度和軸向速度對于旋流器工作起到關(guān)鍵作用，徑向速度不大，對于旋流器性能影響較小。

（2）該旋流器對于直徑大于30μm的顆粒具有較高的捕集效率，但不適合于捕集粒徑小于10μm的固體顆粒。分析顆粒在旋流器內(nèi)部的運(yùn)動軌跡，認(rèn)為顆粒的主要逃逸方式為顆粒自蝸殼入口部分被卷入排氣總成而逃逸，適當(dāng)增加排氣總成插入深度有望提高分離效率。

（3）蝸殼式旋流器成功應(yīng)用在松軟突出煤層空氣鉆進(jìn)除塵和泡沫鉆進(jìn)消泡過程中，取得了良好的應(yīng)用效果。

（4）氣固兩相流數(shù)值模擬直觀地反映了固體顆粒在旋流器中的軌跡和運(yùn)動情況，對于分析旋流器的分離效率具有重要借鑒意義，但是存在一定的局限性，比如忽略了顆粒間的碰撞等作用，因此旋流器的實(shí)際分離效果可能低于模擬值。

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