動(dòng)態(tài)旋風(fēng)分離器數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究

于洲，馬春元

（山東大學(xué)燃煤污染物減排國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250061）

研究開發(fā)

動(dòng)態(tài)旋風(fēng)分離器數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究

于洲，馬春元

（山東大學(xué)燃煤污染物減排國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250061）

旋風(fēng)分離器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于粒徑10μm以下顆粒，分離效率較低。本文對(duì)普通旋風(fēng)分離器進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了帶有旋轉(zhuǎn)葉片的動(dòng)態(tài)旋風(fēng)分離裝置，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。數(shù)值模擬氣相采用RNGk-ε模型與RSM模型相結(jié)合的算法，顆粒相與氣相之間采用以歐拉-拉格朗日氣固兩相流耦合思想為基礎(chǔ)的DPM模型進(jìn)行模擬，主要研究了裝置內(nèi)部流場(chǎng)和顆粒分離效率與進(jìn)口氣速和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，并與實(shí)驗(yàn)中通過靜電低壓懸浮顆粒取樣器（ELPI）獲得的裝置分離效率進(jìn)行了對(duì)比。模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，裝置切向速度場(chǎng)中轉(zhuǎn)子部分的切向速度主要由葉片轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，轉(zhuǎn)子外部區(qū)域的切向速度則主要由進(jìn)口氣速?zèng)Q定，且在一定的轉(zhuǎn)速和進(jìn)口氣速下，動(dòng)態(tài)旋風(fēng)分離器對(duì)粒徑在5μm以上的顆粒有良好的脫除效果。

計(jì)算流體力學(xué)；分離；離心；動(dòng)態(tài)旋風(fēng)分離器

旋風(fēng)分離器由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造安裝費(fèi)用低、操作維護(hù)簡(jiǎn)便、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，問世以來得到了廣泛的應(yīng)用[1]。然而，由于傳統(tǒng)的旋風(fēng)分離器分離依靠顆粒的慣性力作用，因此對(duì)于細(xì)顆粒的脫除，分離效率較低[2]。近幾十年來，由于工業(yè)發(fā)展的相關(guān)要求，大批學(xué)者在提高旋風(fēng)分離器性能方面從事基礎(chǔ)研究，這些工作基本上可以分成兩部分，一方面改進(jìn)旋風(fēng)分離器的配置和幾何尺寸，如Stairmand進(jìn)行了高效旋風(fēng)分離器的尺寸改進(jìn)設(shè)計(jì)，Shi等[3]進(jìn)行了一系列基本結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化的工作，Su等[4]對(duì)筒體進(jìn)行了改造，研究了方形旋風(fēng)分離器的流場(chǎng)及分離特性，Arkadiusz Kepa[5]進(jìn)行了大尺寸工業(yè)級(jí)的尺寸優(yōu)化研究，然而大量的研究表明，僅僅對(duì)裝置的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，難以滿足對(duì)微細(xì)顆粒物日益嚴(yán)苛的分離要求。因此，另外一批學(xué)者開始進(jìn)行在旋風(fēng)分離器中加入額外部件的相關(guān)研究，如Chmielniak和Bryczkowski[6-7]設(shè)計(jì)了一種加入動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)子的軸流順流式旋風(fēng)分離器，并進(jìn)行了試驗(yàn)和理論研究，得出了相應(yīng)的分離效率及裝置壓降。Jiao等[8]也對(duì)動(dòng)態(tài)旋風(fēng)分離裝置進(jìn)行了一系列的研究，得出了幾何系數(shù)與分離效率的關(guān)系，并模擬了流場(chǎng)分布。國(guó)內(nèi)學(xué)者陳海焱[9]將旋風(fēng)分離器的排氣管改為旋轉(zhuǎn)渦輪，用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，做成一種最簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)旋風(fēng)分離器。同時(shí)中國(guó)石油大學(xué)（北京）也進(jìn)行了管式轉(zhuǎn)子和葉輪式轉(zhuǎn)子的研究[9-11]。這一系列的研究工作，使得改進(jìn)的旋風(fēng)分離器對(duì)微細(xì)顆粒物的脫除成為了一種可能。本文基于此研究背景，設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)旋風(fēng)分離試驗(yàn)裝置，通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法分析了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和進(jìn)口氣速對(duì)裝置切向速度場(chǎng)和分離效率的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，右側(cè)通過SAG 410型（solid aerosol generator）給料機(jī)給料，給料為濟(jì)南市北郊熱電廠電除塵收集灰，表觀密度為1.77×103kg/m3，使用之前經(jīng)過600目篩網(wǎng)篩分并進(jìn)行烘干處理，系統(tǒng)排氣管接風(fēng)機(jī)抽氣，使裝置達(dá)到相應(yīng)試驗(yàn)要求的進(jìn)口氣速，實(shí)驗(yàn)過程中用ELPI（electrical low pressure impactor）分別測(cè)量動(dòng)態(tài)旋風(fēng)分離器進(jìn)出口氣體中不同粒徑顆粒的質(zhì)量分布，從而獲得單一粒徑所對(duì)應(yīng)的分級(jí)除塵效率。其中ELPI可以獲得0.04μm、0.07μm、0.12μm、0.20μm、0.32μm、0.48μm、0.76μm、1.23μm、1.96μm、3.09μm、5.16μm、8.12μm共12組粒徑下顆粒的質(zhì)量分布曲線。試驗(yàn)裝置的主要尺寸如圖2及表1所示，實(shí)驗(yàn)裝置旋轉(zhuǎn)葉片部分共有葉片30片，均勻分布，葉片厚度為2mm。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2 模擬方法

由于旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)的復(fù)雜性，實(shí)驗(yàn)測(cè)量存在一定的局限性，數(shù)值模擬對(duì)實(shí)驗(yàn)研究起到了很好的補(bǔ)充作用，也日益發(fā)揮顯著作用。從Boysan等在1982年首次對(duì)工業(yè)旋風(fēng)分離器進(jìn)行數(shù)值模擬研究之后，大量的學(xué)者[12-16]進(jìn)行了有關(guān)提高算法準(zhǔn)確度和模型質(zhì)量的工作。隨著數(shù)值模擬的發(fā)展，大量的湍流模型應(yīng)運(yùn)而生，主要包括k-ε模型、RNGk-ε模型、雷諾應(yīng)力模型（RSM）和大渦模型（LES）。Hoekstra等[17]使用試驗(yàn)結(jié)果，分析了前三種模型，發(fā)現(xiàn)RSM模型能對(duì)旋風(fēng)分離器流場(chǎng)進(jìn)行較好的模擬。RSM模型目前已廣泛應(yīng)用于旋風(fēng)分離器的流場(chǎng)模擬[18-19]。近些年LES算法也逐漸被應(yīng)用到旋風(fēng)分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)的模擬[20]。但是由于LES模型計(jì)算的復(fù)雜性，需要先進(jìn)的計(jì)算硬件和大量的計(jì)算時(shí)間，因此制約著這種算法在旋風(fēng)分離器模擬計(jì)算中的推廣。本文采用RNGk-ε模型和RSM模型相結(jié)合的方法對(duì)旋風(fēng)分離器的流場(chǎng)和設(shè)備壓降進(jìn)行研究，該種方法凸顯出RNGk-ε模型收斂速度快和RSM模型準(zhǔn)確的雙重優(yōu)勢(shì)，對(duì)于顆粒分離效率則采用基于歐拉-拉格朗日氣固兩相流耦合思想的DPM模型進(jìn)行相關(guān)的模擬。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置主體

表1 實(shí)驗(yàn)裝置主要尺寸

2.1 物理模型及網(wǎng)格劃分

物理模型的設(shè)計(jì)及網(wǎng)格的劃分采用了軟件gambit2.3，根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)動(dòng)態(tài)旋風(fēng)分離器的具體尺寸建模，適當(dāng)?shù)貏澐謪^(qū)塊，除轉(zhuǎn)動(dòng)葉片部分外，均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，轉(zhuǎn)動(dòng)部分采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格并進(jìn)行適當(dāng)?shù)募用?，提高?jì)算精度。網(wǎng)格劃分整體效果如圖3所示，最終模型共包括133萬體網(wǎng)格，模型中旋轉(zhuǎn)葉片部分作適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理，如圖4所示，在后續(xù)模擬過程中進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)，證明該網(wǎng)格劃分合理有效。

2.2 數(shù)值計(jì)算模型

數(shù)值模擬過程中使用fluent14軟件，氣相場(chǎng)模擬采用RNGk-ε模型和RSM模型結(jié)合的方法，顆粒相與氣相之間采用以歐拉-拉格朗日氣固兩相流耦合思想為基礎(chǔ)的DPM模型進(jìn)行模擬。

2.2.1 氣相流場(chǎng)

對(duì)于氣相首先選用RNGk-ε湍流模型，當(dāng)氣相達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)即氣相場(chǎng)收斂時(shí)，改用RSM模型計(jì)算，這兩種算法的結(jié)合使用一方面克服了RSM計(jì)算相對(duì)較慢且不易收斂的缺點(diǎn)，另一方面又具備RSM模型準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)[21]。對(duì)于旋風(fēng)分離器中無溫度梯度的不可壓縮流動(dòng)，由于浮升力和波動(dòng)膨脹所產(chǎn)生的湍流動(dòng)能可以忽略，具體算法公式化簡(jiǎn)為如式（1）、式（2）。

本文采用RSM模型中的LRR模型，具體的輸運(yùn)方程如式（3）。

左面兩項(xiàng)為雷諾應(yīng)力的時(shí)間變化率及對(duì)流項(xiàng)，右邊四項(xiàng)分別為擴(kuò)散相、產(chǎn)生相、壓力應(yīng)變項(xiàng)及耗散項(xiàng)，見式（4）～式（8）。

2.2.2 顆粒相

顆粒相采用DPM模型，當(dāng)氣固兩相流中的固體顆粒相的體積分?jǐn)?shù)小于10%時(shí)，該算法模型可以較好地模擬氣相場(chǎng)中顆粒的運(yùn)動(dòng)情況，流場(chǎng)中顆粒的受力情況遵守牛頓第二定律的要求，如式（9）。

式中，mp和up是顆粒的質(zhì)量和速度；FD、FC、FS和FG分別為曳力、離心力、薩夫曼升力和重力；其他力如巴賽特力和布朗力由于影響微弱在研究中被忽略[22]。

曳力公式如式（10）。

式中，CD為曳力系數(shù)，對(duì)于單個(gè)固體球形顆?？梢允褂萌缡剑?1）、式（12）經(jīng)驗(yàn)公式。

離心力公式如式（13）。

薩夫曼升力首先由Saffman提出并由Mei[23]進(jìn)行修訂，如式（14）。

圖3 網(wǎng)格劃分

圖4 旋轉(zhuǎn)葉片建模結(jié)構(gòu)

重力表示為如式（15）形式。

2.2.3 邊界條件

3 結(jié)果與討論

3.1 氣相

以入口上表面圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)，分別截取y=0、z=50mm、z=200mm和z=400mm 4個(gè)平面，圖5、圖6分別為裝置入口速度為10m/s且葉片靜止不動(dòng)時(shí)的總壓分布和切向速度分布圖。從總壓分布圖中可以看出有明顯的從壁面到中心的沿徑向的壓強(qiáng)遞減趨勢(shì)，在轉(zhuǎn)子上部即排氣管下部區(qū)域出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)且為整個(gè)裝置的最低壓力區(qū)域，另外該區(qū)域也出現(xiàn)了裝置內(nèi)的最大壓強(qiáng)梯度，同時(shí)與普通旋風(fēng)分離器類似，高壓區(qū)域?yàn)檫M(jìn)口部分。切向速度場(chǎng)是旋風(fēng)分離器速度場(chǎng)中最重要的組成部分，直接影響著裝置對(duì)顆粒物的脫除效果，一般來說切向速度越大，離心力越大，分離效率越高。從圖中可以看出，當(dāng)葉片靜止不動(dòng)時(shí)，裝置的切向速度呈現(xiàn)明顯的不對(duì)稱性，主要是由于切向入口造成，后續(xù)模擬表明當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，這種不對(duì)稱的情況將有較大的改善。

圖5 總壓分布云圖

圖6 切向速度分布云圖

對(duì)于裝置切向速度場(chǎng)具體分析，分別截取了z=200mm（轉(zhuǎn)子中心截面）和z=400mm（圓柱與圓錐筒體交接面）兩個(gè)面，分析了截面上，沿x=0方向，切向速度的分布情況，從圖7(a)、(c)可以看出在轉(zhuǎn)子區(qū)域切向速度主要由葉片旋轉(zhuǎn)決定，在轉(zhuǎn)子外部區(qū)域切向速度主要由進(jìn)口氣速?zèng)Q定。對(duì)圖7(a)，在轉(zhuǎn)速為1000r/min時(shí)，由于轉(zhuǎn)速不高，葉片區(qū)域的切向速度同時(shí)受到葉片外區(qū)域的影響，切向速度與徑向位置并不完全滿足線性關(guān)系，特別是隨著入口氣速的增大，這一情況更加明顯。例如入口氣速達(dá)到20m/s時(shí)，在葉片區(qū)域，氣流切向速度與葉片旋轉(zhuǎn)切向速度出現(xiàn)一定的偏離，但在2000r/min和3000r/min的情況下，葉片區(qū)域的切向速度與葉片轉(zhuǎn)速高度一致。另外葉片區(qū)域外側(cè)，切向速度呈現(xiàn)出一定的不對(duì)稱性，主要是由于切向入口的影響，但隨著轉(zhuǎn)速的提高，這種不對(duì)稱的情況逐漸改善，尤其體現(xiàn)在較低的入口氣速情況下。對(duì)圖7(c)，在葉片區(qū)域的外側(cè)區(qū)域，不同轉(zhuǎn)速情況下的切向速度最終達(dá)到相對(duì)一致。從圖7(b)、(d)可以看出，在旋轉(zhuǎn)葉片不直接影響的區(qū)域，切向速度的分布基本符合一般旋風(fēng)分離器的蘭金組合渦規(guī)律。對(duì)圖7(b)，在葉片不直接作用區(qū)域，隨轉(zhuǎn)速的提高，切向速度也有整體的提高，且隨轉(zhuǎn)速的增大，不同進(jìn)口速度下，切向速度分布的重合區(qū)域逐漸增大，因此轉(zhuǎn)速的提高削弱了進(jìn)口氣速對(duì)該部分切向速度的影響，在轉(zhuǎn)速為3000r/min的情況下，入口氣速為10m/s和15m/s的切向速度分布基本重合。對(duì)圖7(d)，轉(zhuǎn)速為1000r/min時(shí)該處的切向速度仍有一定的不對(duì)稱性，在中心軸發(fā)生了一定的偏移，但隨著轉(zhuǎn)速的提高，該種現(xiàn)象消失。

圖7 切向速度分布曲線

3.2 顆粒相

3.2.1 裝置的分離效率

圖8、圖9為模擬和實(shí)驗(yàn)情況下葉片轉(zhuǎn)速為2000r/min時(shí)，入口氣速分別為10m/s、15m/s、20m/s時(shí)的分級(jí)分離效率；圖9、圖11為模擬和實(shí)驗(yàn)情況下入口氣速為15m/s時(shí)，葉片轉(zhuǎn)速分別為1000r/min、2000r/min、3000r/min及普通旋風(fēng)分離器的分級(jí)分離效率。通過對(duì)裝置的試驗(yàn)和模擬分析，獲得了一致的顆粒分離效率規(guī)律，即隨著入口速度的增大和轉(zhuǎn)子葉片轉(zhuǎn)速的提高，裝置的整體分離效率有了明顯的提高。同時(shí)從實(shí)驗(yàn)和模擬獲得的數(shù)據(jù)來看，在一定入口氣速下，隨著轉(zhuǎn)速的增大，效率的提高幅度趨于平緩。從圖11可得，入口氣速為15m/s時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為3000r/min比2000r/min在顆粒粒徑大于2μm的范圍內(nèi)，分離效率平均提高不足3%。同時(shí)從圖9、圖11中可以清楚地獲得普通旋風(fēng)分離器與動(dòng)態(tài)旋風(fēng)分離器在分離效率上的巨大差距。對(duì)比試驗(yàn)和模擬結(jié)果可得，試驗(yàn)獲得的分離效率比模擬在粒徑大于1μm的范圍內(nèi)整體偏低，分析原因主要可能有以下幾個(gè)原因：試驗(yàn)的旋風(fēng)筒為實(shí)驗(yàn)室加工，壁面達(dá)不到水力光滑，同時(shí)底部灰斗存在一定的漏氣現(xiàn)象，而在粒徑小于1μm的范圍內(nèi)，模擬則忽略了實(shí)際過程中存在的小顆粒碰撞團(tuán)聚的現(xiàn)象，因此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比模擬數(shù)據(jù)偏高。但盡管如此，通過隨機(jī)軌道的離散相模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算對(duì)分析裝置分離效率仍有積極作用。

3.2.2 顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡

圖8 模擬分離效率與入口速度的關(guān)系

圖9 模擬分離效率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

圖10 實(shí)驗(yàn)分離效率與入口速度的關(guān)系

圖11 實(shí)驗(yàn)分離效率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

圖12、圖13對(duì)比了普通旋風(fēng)分離器和動(dòng)態(tài)旋風(fēng)分離器內(nèi)單個(gè)顆粒的移動(dòng)軌跡。其中兩種裝置除轉(zhuǎn)子部分其他尺寸完全相同，模擬時(shí)進(jìn)口氣速均為15m/s、粒徑為5μm的單個(gè)顆粒從同一進(jìn)口位置射入裝置。兩圖可以清楚地看到動(dòng)態(tài)旋風(fēng)分離器中的顆粒得到了良好的捕集，而普通旋風(fēng)分離器中的顆粒逃逸。對(duì)于動(dòng)態(tài)旋風(fēng)分離器比一般旋風(fēng)分離器優(yōu)越的分離性能，分析原因主要有兩方面：首先葉片的高速旋轉(zhuǎn)提高了分離段內(nèi)流場(chǎng)整體的切向速度，產(chǎn)生更大的離心力，從而提高了分離效率；其次，對(duì)于一次旋風(fēng)未能分離的顆粒，在上升逃逸的過程中將經(jīng)過旋轉(zhuǎn)葉片區(qū)域，部分顆粒將與高速旋轉(zhuǎn)的葉片碰撞，在離心作用下甩出上升通道，以達(dá)到二次分離的效果。

圖12 動(dòng)態(tài)旋風(fēng)分離器單顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡

圖13 普通旋風(fēng)分離器單顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡

4 結(jié) 論

（1）對(duì)于葉片區(qū)域，切向速度主要由葉片旋轉(zhuǎn)決定，在葉片外部區(qū)域切向速度主要由進(jìn)口氣速?zèng)Q定；對(duì)于旋轉(zhuǎn)葉片不直接影響的區(qū)域，切向速度的分布基本符合一般旋風(fēng)分離器的蘭金組合渦分布規(guī)律。同時(shí)隨著轉(zhuǎn)速的提高，切向速度場(chǎng)的不均勻分布情況逐漸改善，且入口氣速對(duì)切向速度分布的影響逐漸被削弱。

（2）在一定范圍內(nèi)提高進(jìn)口氣速和轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度可以明顯地提高裝置的分離效率。從實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)來看，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的提高分離效率相應(yīng)提高，但提高幅度逐漸減小，整體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在合理的操作工況下，動(dòng)態(tài)旋風(fēng)分離器對(duì)粒徑5μm以上顆粒有較好的分離效果。

（3）結(jié)合顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡圖和相應(yīng)的理論預(yù)測(cè)，動(dòng)態(tài)旋風(fēng)分離器比普通旋風(fēng)分離器優(yōu)越的分離性能主要由于高速旋轉(zhuǎn)葉片提高了分離段的切向速度，增強(qiáng)了一次分離的效果，同時(shí)在排氣管下部的旋轉(zhuǎn)葉片也起到了二次分離部件的作用。

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Experimental and numerical investigations of a dynamic cyclone

YU Zhou，MA Chunyuan
（National Engineering Laboratory for Coal-fired Pollutants Emission Reduction，Shandong University，Jinan 250061，Shandong，China）

Cyclone has the advantages of simple structure and stable performance，but the separation efficiency is relative low for particles smaller than10μm. This research designed a new dynamic cyclone with added rotor blades，and improved the separation efficiency. The flow field were also simulated and studied experimentally. The RNGk-εmodel and RSM model were used to simulate the gas-phase flow and the DPM model based on Eulerian-Lagrangian method was used to simulate the particle-phase flow. Tangential velocity and separation efficiency were simulated with different inlet velocities and rotate speeds，and the simulation predictions were validated by the experimental results measured by Electrical Low Pressure Impactor （ELPI）. The results showed that the separation efficiency of the dynamic cyclone was good for particle larger than 5μm. And the simulation predictions proved that the tangential velocity distributions were mainly dominated by the rotate speeds for the region of impeller and dominated by the inlet velocity for the region outside of the impeller.

computational fluid dynamics（CFD）；separation；centrifugation；dynamic cyclone

TQ 051.8

A

1000-6613（2014）07-1684-08

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.07.005

2013-12-16；修改稿日期：2013-12-30。

于洲（1989—），男，碩士研究生。聯(lián)系人：馬春元，教授，博士生導(dǎo)師，研究?jī)?nèi)容為燃燒與污染。E-mail chym@sdu.edu.cn。