旋風(fēng)分離器的內(nèi)部流場模擬分析

劉思宇 張瑩瑩 高磊

摘 要：以旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場模擬分析為基礎(chǔ)，分別對(duì)1 、30、100 μm三種不同粒徑的煤粉與滑石粉在分離器中的顆粒軌跡做了分析，首先得出其內(nèi)部流場速度方向及大小的分布規(guī)律，從內(nèi)部氣流走勢上看，分離器具有不對(duì)稱性；從速度矢量圖顏色上看，在分離器中心部分的氣流具有強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)，氣流在壁面附近的位置速度快速降低。再得出不同粒徑顆粒在分離器中的軌跡分布規(guī)律。為進(jìn)一步的研究及改進(jìn)旋風(fēng)分離器的性能有參考意義。

關(guān) 鍵 詞：旋風(fēng)分離器；內(nèi)部流場；顆粒軌跡；模擬分析

中圖分類號(hào)：TQ 052 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671-0460（2016）08-1903-04

Abstract： Based on simulation analysis of internal flow field in the cyclone separator， particle trajectories of 1，30，100 μm coal powder and talcum powder in the cyclone separator were analyzed， the distribution law of speed direction and speed value in the internal flow field was obtained. The internal air flow direction shows that the separator has asymmetry； the velocity vector chart color shows that air flow in the center part has a strong rotation in the cyclone separator， the speed of the air flow near the wall reduces rapidly. On the other hand， the distribution law of different size particle trajectory in the separator was obtained.

Key words： cyclone separator ； internal flow field； particle trajectory； simulation analysis

旋風(fēng)分離器是通過離心力來分離氣流中固體顆?；蛞旱蔚囊环N設(shè)備[1]。它具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，其工作原理是依靠來自于切向的氣流將顆粒引入而形成的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使本有慣性的固體顆?；蛞旱瓮ㄟ^離心力的作用而被甩向外壁面進(jìn)而被分離開來。旋風(fēng)分離器是一種適用于濾去大于1～3 μm的非粘性、非纖維干燥粉塵的高效凈化設(shè)施[2]。主要功能是盡可能地除去在輸送過程中夾雜在介質(zhì)中的固體顆粒雜質(zhì)或液滴而達(dá)到氣固液分離效果，以確保管道及設(shè)備的正常運(yùn)行。因此，旋風(fēng)分離器成為在凈化設(shè)備中被廣泛使用的一種分離設(shè)備。

1 旋風(fēng)分離器的幾何結(jié)構(gòu)及有限元模型建立

1.1 幾何結(jié)構(gòu)的建立

旋風(fēng)分離器的內(nèi)部介質(zhì)流具有較復(fù)雜的三維湍流強(qiáng)旋流場，其內(nèi)部的顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡更為復(fù)雜[3]。筒體直徑Φ=190 mm，進(jìn)氣口尺寸為95 mm×38 mm，其矩形部分稱為進(jìn)氣管道，大的圓柱部分稱為主筒體，下部分的梯形圓臺(tái)部分稱為錐形灰斗，上部分的小圓柱一部分深入到主筒體內(nèi)且一部分露在外面，將其稱為出氣管道。旋分分離器的結(jié)構(gòu)尺寸示意圖如圖1所示。

1.2 工作機(jī)理

旋風(fēng)分離器的工作原理可以概括為當(dāng)含顆粒氣體從入口進(jìn)入設(shè)備后，通過導(dǎo)向葉片的導(dǎo)流作用，致使氣流產(chǎn)生強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)并形成沿軸線向下的外旋流。在外旋流空間區(qū)域懸浮的粉塵在離心力的作用下向器壁附近不斷移動(dòng)，顆粒會(huì)通過重力作用而隨著外旋流旋轉(zhuǎn)到梯形圓臺(tái)部分進(jìn)而得以排出，在筒體內(nèi)的旋轉(zhuǎn)氣流不斷收縮向中心匯聚，形成向上的二次渦流并帶動(dòng)凈化后的氣體通過上升的內(nèi)旋流經(jīng)由出氣管道排出。

1.3 有限元模型的建立

1.3.1 邊界條件的設(shè)置

本次模擬分析旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場是以空氣作為流體介質(zhì)，進(jìn)氣管道的速度被定義為30m/s，因?yàn)槠鋬?nèi)流流動(dòng)為不可壓縮流動(dòng)，故出氣管處被定義為充分發(fā)展的自由流動(dòng)，其余均被定義為壁面。通過粒徑分別為1、30、100μm的顆粒對(duì)其旋轉(zhuǎn)軌跡進(jìn)行模擬時(shí)。顆粒相入口的邊界條件為：將顆粒入口處的射流源設(shè)為面源，顆粒均勻的分布在整個(gè)入口截面的網(wǎng)格上，由每一個(gè)網(wǎng)格的中心射入[4]。進(jìn)氣管道的速度保持30 m/s不變，設(shè)定顆粒相與氣相具有相同的的入口速度。故以旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場模擬分析為基礎(chǔ)再對(duì)顆粒軌跡進(jìn)行分析。由于計(jì)算過程中顆粒無質(zhì)量變化與熱量傳遞，所以只設(shè)定顆粒的密度即可[4]。煤粉和滑石粉被定義為本次模擬的顆粒，密度分別為1 000 kg/m3和2 700 kg/m3。兩種顆粒的質(zhì)量流率均設(shè)定為0.05 kg/s。出口邊界條件按照充分發(fā)展的自由流動(dòng)處理，在出口截面處的所有變量軸向梯度均為零，故顆粒相出口的邊界條件定義為完全自由逃逸[5]。

1.3.2 有限元模型的建立

本次模擬試驗(yàn)將對(duì)旋風(fēng)分離器的計(jì)算區(qū)域采用劃分多塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的方式，網(wǎng)格類型為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中的Hex/Wedge，以Cooper“制桶”的模式生成網(wǎng)格。采用的求解器為壓力基求解器，由于旋風(fēng)分離器主要是由筒體、錐形圓臺(tái)、進(jìn)氣管道和出氣管道組成，為了使模擬效果更加明晰，各部分采用不同的網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行劃分。實(shí)體模型及有限元模型分別如圖2和圖3所示。

氣道入口定義為VELOCITY_INLET，出口定義為OUTFLOW，進(jìn)氣管與上筒體的交面設(shè)置為臨界面Interface。只要在FLUENT里面設(shè)置好Interface的位置，F(xiàn)LUENT就會(huì)自動(dòng)對(duì)界面上的量進(jìn)行差值傳遞[6]。

2 計(jì)算方法

CFD為計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的英文簡稱，是利用專門的計(jì)算機(jī)軟件對(duì)固體邊界兩側(cè)流體通過數(shù)值模擬分析得出傳熱性能優(yōu)劣勢的一種學(xué)科[7]，F(xiàn)LUENT作為CFD中的一種被普遍應(yīng)用于流體相關(guān)的模擬與分析中，而質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律及能量守恒定律是流體流動(dòng)分析時(shí)所需遵循的三大定律[8，9]。湍流是空間中不規(guī)則和時(shí)間上無秩序的一種高度復(fù)雜的非線性流體運(yùn)動(dòng)。在工程湍流的數(shù)值模擬計(jì)算中，常見的湍流模型主要有標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNG k-ε模型、RSM模型等，其中k-ε模型使用最為廣泛[7]。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型簡單、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定，并且處于完全湍流狀態(tài)時(shí)可以滿足較大工況區(qū)間的計(jì)算精度要求，但是當(dāng)存在大量回流和模型幾何外形曲率變化過大時(shí)，就無法對(duì)流體的湍流特性進(jìn)行很好的描述，而重整化的k-ε模型對(duì)前者在特殊情況下進(jìn)行了修正和優(yōu)化，該模型能夠?qū)A柱和圓柱射流方面的旋轉(zhuǎn)與剪切流等問題做出更精準(zhǔn)地預(yù)測，對(duì)于旋風(fēng)分離器的內(nèi)流場及顆粒軌跡分析時(shí)，這里選擇RNG k-ε雙方呈湍流模型，因?yàn)樾L(fēng)分離器內(nèi)部是以旋流占主導(dǎo)優(yōu)勢的流動(dòng)，故選擇了Swirl Dominated Flow選項(xiàng)，其中RNG k-ε模型不僅具有考慮高、低雷諾數(shù)流動(dòng)和強(qiáng)旋流動(dòng)的影響，而且能夠精確預(yù)測旋風(fēng)分離器內(nèi)強(qiáng)旋流動(dòng)的特點(diǎn)[10]。其實(shí)更加適合旋流計(jì)算的是能模擬各向異性湍流的Reynolds模型，但是雷諾應(yīng)力在三維情況下需要求解7個(gè)方程，比雙方程模型多了3倍還多，計(jì)算比較大。故本次模擬采取了RNG k-ε雙方稱湍流模型。

3 旋風(fēng)分離器內(nèi)流場模擬分析結(jié)果

在模擬分析過程中，為了能夠更好的對(duì)旋風(fēng)分離器的內(nèi)部流場進(jìn)行分析，因此在觀測其速度矢量圖時(shí)創(chuàng)建了X=0的平面，圖4為X=0平面上的旋流速度及速度矢量示意圖，從X=0的截面上首先可以看出旋風(fēng)分離器工作時(shí)速度變化的大小及其方向。其次從X=0端面的速度矢量圖可以看出分離器內(nèi)的氣體流動(dòng)具有不對(duì)稱性。

如圖5旋風(fēng)分離器的速度矢量圖所示：從顏色上可以看出速度在旋風(fēng)分離器內(nèi)的分布情況，即中心氣流因較大的速度而產(chǎn)生強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)，氣流在壁面附近的位置速度快速降低。

4 顆粒軌跡分析結(jié)果

在相同的顆粒粒徑的情況下，對(duì)不同類型的顆粒在相同的速度下進(jìn)行顆粒軌跡的模擬與分析。得出具有不同性質(zhì)的顆粒所具有的軌跡特點(diǎn)（圖6-7）。

顆粒軌道方程是在離散的時(shí)間步長上逐步進(jìn)行積分運(yùn)算求解而得到的。積分后可以得到顆粒軌跡道上每一個(gè)位置處的顆粒速度[4]。顆粒軌道通過下式可以得到 ： ，其中 表示的是顆粒的速度，相應(yīng)離散相的軌跡可以通過沿著每個(gè)坐標(biāo)的方向進(jìn)行求解得到。

從圖6（a）與圖7（a）中可以看示出直徑為1μm的煤粉與滑石粉顆粒均具有較好的追隨性，隨氣流旋轉(zhuǎn)沿軸線向下運(yùn)動(dòng)，部分顆粒到達(dá)錐部后在二次渦流的帶動(dòng)下上升而進(jìn)入排氣管道，也存在部分顆粒在沒有到達(dá)底部時(shí)就進(jìn)入了內(nèi)旋流，通過內(nèi)旋轉(zhuǎn)氣流上升，直接進(jìn)入排氣管道。而從圖6與圖7的（b）（c）中均可以看出30與100 μm兩種大直徑的顆粒由于受到較大離心力的作用而被甩向壁面。沿壁面螺旋下滑至分離器錐部底部進(jìn)而被分離出來，從100μm的顆粒軌跡亦可以看出它的慣性更大，原來的運(yùn)動(dòng)軌跡更易于保持不變，因此100與30μm的顆粒軌跡有所不同。

在離心力的作用下，粒子穿過氣流的速度會(huì)直接被顆粒密度的不同所影響。此種影響效果可通過斯托克斯定律進(jìn)行明確表達(dá)。顆粒密度越大，穿過氣體的速度就越大，結(jié)果使得旋風(fēng)分離器的工作效率得以提高。若其它因素均保持不變時(shí)，隨顆粒密度的降低，其工作效率也會(huì)隨之降低。

5 結(jié) 論

（1）通過對(duì)旋風(fēng)分離器的內(nèi)流場分析，得出其內(nèi)部流場的分布規(guī)律為：一方面分離器內(nèi)部氣流是不對(duì)稱的；而另一方面是分離器內(nèi)的中心氣流有強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)，氣流在壁面附近的位置速度快速降低，與實(shí)際工況相符。

（2）在相同顆粒粒徑的情況下，通過對(duì)不同類型的顆粒在相同的速度下進(jìn)行顆粒軌跡的模擬與分析，得出不同性質(zhì)的顆粒軌跡具有的異同之處。相同之處是：粒徑越小，其追隨性越好；粒徑越大受到的離心力就越大，被螺旋氣流甩向壁面的速度就越快，越容易被分離出來。不同之處是：粒徑越大，其具有的慣性就越大，使得原來的運(yùn)動(dòng)軌跡越容易保持不被改變；在離心力的作用下，顆粒密度的不同會(huì)直接影響到粒子穿過氣體的速度。顆粒密度越大，穿過氣體的速度就越大，結(jié)果使得旋風(fēng)分離器的工作效率得以提高。若其它因素均保持不變時(shí)，隨顆粒密度的降低，其工作效率也會(huì)隨之降低。

（3）旋風(fēng)分離器是當(dāng)前化工行業(yè)中使用極為普遍的一種氣固兩相分離凈化裝置。通過對(duì)不同類型的顆粒在旋風(fēng)分離器中進(jìn)行其軌跡的研究，對(duì)于其諸多方面性能的提升有著一定的借鑒意義；通過數(shù)值分析模擬能夠定性地對(duì)旋風(fēng)分離器的內(nèi)部流場情況進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)而可以更好的了解其結(jié)構(gòu)，以上模擬分析對(duì)旋風(fēng)分離器的設(shè)計(jì)及改進(jìn)建議的提出均具有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李心凱，楊紅兵，馬俊等. 輸氣站場中分離除塵設(shè)備的選用[C].第三屆全國油氣儲(chǔ)運(yùn)科技、信息與標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)交流，2013.

[2] 夏毅，張遙，曾昆，印煒琪，等. 液固分離綜合單元操作的研究 [J].科技資訊，2013（26）：80-81.

[3] 宋建斐，魏耀東，時(shí)銘顯. 旋風(fēng)分離器內(nèi)顆粒濃度場的數(shù)值模擬[J]. 中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（1）：90-94，104.

[4] 趙新學(xué)，金有海，孟玉清，孫治謙. 旋風(fēng)分離器壁面磨損的數(shù)值分析[J]. 流體機(jī)械，2010（4）：18-22.

[5] 萬古軍，孫國剛，魏耀東，時(shí)銘顯. 壓力對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)顆粒濃度分布影響的模擬[J]. 石油學(xué)報(bào)，2008（6）：689-696.

[6] 田坪. 基于CFD的高效低阻分離特性及SLK分離器研究[D]. 綿陽：西南科技大學(xué)，2010.

[7] 王欣. 水平軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能與結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析[D]. 蘭州：蘭州理工大學(xué)，2012.

[8] 朱紅鈞，林元華，謝龍漢等. FLUENT12流體分析及工程仿真[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011：56-63.

[9] 聶勇. 熱固性塑料冷流道注射模具的設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬研究[D]. 太原：中北大學(xué)，2012.

[10] 王江云，毛羽，劉美麗，王娟. 用改進(jìn)的RNG k-ε模型模擬旋風(fēng)分離器內(nèi)的強(qiáng)旋流動(dòng)[J]. 石油學(xué)報(bào)，2010（1）：8-13.