旋風(fēng)分離器分離性能的數(shù)值模擬與分析

陳俊冬，宋金倉，曾川，鄒鵬程，王曉天，陳海焱（西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 600；西南科技大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 綿陽 600）

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研究開發(fā)

旋風(fēng)分離器分離性能的數(shù)值模擬與分析

陳俊冬1，宋金倉1，曾川2，鄒鵬程1，王曉天2，陳海焱1
（1西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621010；2西南科技大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 綿陽 621010）

摘要：以XLPB-5.0和XCX-5.0兩種旋風(fēng)分離器為原型，采用CFD軟件對這兩種旋風(fēng)分離器進行了流場與分離效率的數(shù)值模擬，初步探討了入口蝸殼形式與芯管結(jié)構(gòu)對分離效率的影響。模擬結(jié)果顯示：旋風(fēng)分離器內(nèi)流場呈各向異性分布特點，切向速度是影響分離效率的首要因素，徑向速度的存在會造成“流場短路”現(xiàn)象，使軸向速度呈不對稱分布，導(dǎo)致分離效率的降低。軸向速度與徑向速度的共同作用促使顆粒在旋風(fēng)分離器內(nèi)做螺旋運動；XLPB-5.0和XCX-5.0的分離效率分別為92.55%和94.96%，與實驗結(jié)果基本吻合，且不同芯管參數(shù)下XCX型的分離效率比 XLPB型高；螺旋式入口蝸殼（XCX-5.0型）對旋風(fēng)分離器上部流場的影響相比直流式入口蝸殼（XLPB-5.0型）復(fù)雜；對于兩種旋風(fēng)分離器，隨著芯管直徑的增大，分離效率逐漸變??；隨著芯管深度的增大，分離效率先增大后減小。

關(guān)鍵詞：旋風(fēng)分離器；數(shù)值模擬；分離效率；入口蝸殼；芯管

第一作者：陳俊冬（1983—），男，碩士，講師，從事機械設(shè)計制造及礦物加工工程研究。E-mail lqxcjd@163.com。聯(lián)系人：陳海焱，博士，教授，從事超細粉碎、氣流分級技術(shù)以及通風(fēng)除塵的研究與設(shè)備開發(fā)。E-mail chenhaiyan@swust.edu.cn。

旋風(fēng)分離器是一種結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定的除塵設(shè)備，在通風(fēng)除塵、超細粉碎等行業(yè)應(yīng)用廣泛［1-2］。在SiC粉碎工藝中，旋風(fēng)分離器與布袋共同構(gòu)成了產(chǎn)品收集系統(tǒng)，被粉碎的SiC顆粒依次經(jīng)過旋風(fēng)分離器與布袋除塵器，受離心力和重力的作用被旋風(fēng)分離器外筒壁捕集，而細小顆粒由于離心力不足會隨著上升氣流從芯管排出，被布袋除塵器收集。分離效率在此定義為旋風(fēng)分離器收集的顆粒與進入旋風(fēng)分離器總顆粒的質(zhì)量比，是衡量旋風(fēng)分離器性能優(yōu)越與否的一個重要指標［3-4］。一直以來，眾多學(xué)者對旋風(fēng)分離器的分離性能做了大量研究:早在 20世紀90年代，GRIFFITHS等［5］就用CFD軟件模擬了不同工況下旋風(fēng)分離器內(nèi)的顆粒分離效率；孫勝等［6］通過搭建冷態(tài)模型，對不同入口結(jié)構(gòu)的旋風(fēng)分離器進行了分離性能的研究與對比；錢付平等［7］通過經(jīng)驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)合數(shù)值模擬的方法對旋風(fēng)分離器的分離性能進行了預(yù)測。相比工業(yè)實驗受限于生產(chǎn)周期長、制作成本高、結(jié)構(gòu)參數(shù)固定等客觀因素，數(shù)值模擬在研究與預(yù)測上顯現(xiàn)出了優(yōu)勢。本文利用CFD軟件對兩種不同入口結(jié)構(gòu)的旋風(fēng)分離器進行模擬分析，初步探討入口蝸殼結(jié)構(gòu)、芯管直徑、芯管深度等因素對分離性能的影響。

1 實 驗

本文中的兩種旋風(fēng)分離器應(yīng)用于兩臺綿陽流能LNSE-120A節(jié)能型氣流磨的第一級下料系統(tǒng)中，型號分別為XLPB-5.0和XCX-5.0。兩種旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)尺寸依照設(shè)計手冊《除塵器》［8］，具體尺寸見圖1。本實驗中的XLPB-5.0為原標準型號的改進型，改進部分為原芯管插入深度 240mm改為440mm，其他尺寸均為標準圖集尺寸，在本文第 3部分的模擬都以標準型號為準作參數(shù)變動。

實驗中測試物料為325～0目SiC微粉與相對應(yīng)的除塵粉，產(chǎn)品規(guī)格為325目90%過篩。由于工業(yè)生產(chǎn)條件的限制，無法測量旋風(fēng)分離器入口處風(fēng)速，這里采用實測引風(fēng)機出口風(fēng)速來計算得到入口風(fēng)速。使用SwemaAir50型風(fēng)速儀，在引風(fēng)機出口布置5個測點，每個測點待風(fēng)速儀上測值穩(wěn)定后保存記錄，最后取平均值。在粉碎壓力穩(wěn)定的前提下，忽略旋風(fēng)分離器到引風(fēng)機出口這一段的氣流溫度差，按空壓機排氣量一定的原則計算旋風(fēng)分離器入口風(fēng)速，具體參數(shù)與結(jié)果如表1所示。分離效率計算見式（1）。

圖1 兩種旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)對比（單位:mm）

2 理論模型

2.1 數(shù)值模型的選擇

對于旋風(fēng)分離器的CFD模擬計算，一般常用的有3種模型:雷諾應(yīng)力模型、代數(shù)應(yīng)力模型和RNG k-ε模型［9］。本文選用RNG k-ε模型，相比其他模型，RNG k-ε模型精度合理，易于收斂，比較適合用于旋風(fēng)分離器的模擬計算。對于顆粒相選擇使用DPM離散相模型，旋風(fēng)分離器內(nèi)部實際流動為氣粒兩相流動，流體視為連續(xù)介質(zhì)，顆粒視為離散體系。DPM模型適用于稀疏顆粒流問題，理論上顆粒體積分數(shù)不能超過 10%，本文中旋風(fēng)分離器入口顆粒按0.1kg/s計算得到的顆粒體積分數(shù)為 3.26×10-5與4.25×10-5，滿足使用條件。

2.2 建模與邊界條件

利用Fluent前處理軟件Gambit建模，網(wǎng)格劃分時采用了六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方法，以避免尖角部分難以劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的問題，網(wǎng)格總數(shù)42萬左右，入口氣流按表1中設(shè)置，XLPB-5.0入口風(fēng)速為20m/s，XCX-5.0入口風(fēng)速為 46m/s（前者入口截面積為 156mm× 306mm，后者為126mm×126mm，由于使用了高溫引風(fēng)機，所以計算時可忽略溫降，排風(fēng)口面積219mm×219mm，按排氣量一定原則計算）。離散相的顆粒流量按照旋風(fēng)分離器的實測產(chǎn)量計算（如表1所示），為了便于對比相同產(chǎn)量下兩種分離器的效率，這里都取0.1kg/s。其他邊界條件設(shè)置如下:

表1 兩種旋風(fēng)分離器實際工作參數(shù)

（1）流體介質(zhì)為可壓縮空氣，注射顆粒相為SiC，密度為3216kg/m3，采用Rosin-Rammler顆粒分布模型，min.Diameter=0.5μm，max.Diameter =100μm，mean Diameter=30μm；

（2）入口邊界條件設(shè)為速度入口Velocity-inlet，出口設(shè)為outflow；

（3）固體壁面設(shè)置為無滑移，芯管入口設(shè)為交屆面interface，其他筒體與芯管默認為壁面wall；

（4）設(shè)置湍流強度為10%，水力直徑設(shè)為0.05。

在本文模擬中用逃逸顆粒數(shù)目與注射顆粒數(shù)目的比值（escaped/number tracked）來表征，注射顆粒數(shù)目默認等于注射面網(wǎng)格數(shù)，逃逸顆粒數(shù)目通過顆粒跟蹤得到，跟蹤步長設(shè)為20000。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 流場分析

由于旋風(fēng)分離器內(nèi)流場的復(fù)雜性，很難采用實際測量的方法來研究流場特性。這里通過對比不同Z軸截面上的軸向速度、切向速度、徑向速度來描述流場的變化。對 XLPB-5.0取截面 Z=709mm、Z=1417mm、Z=1982mm，對 XCX-5.0取截面Z=709mm、Z=1417mm、Z=1959mm，如圖2所示。

圖2 Z軸截面選取位置（單位:mm）

圖3 XLPB-5.0與XCX-5.0軸向速度對比

圖3為XLPB-5.0、XCX-5.0型旋風(fēng)分離器內(nèi)3個不同Z軸截面上的軸向速度分布圖。由圖3可知，在旋風(fēng)分離器內(nèi)，軸向速度出現(xiàn)了0值，這意味著存在一個“0值面”，0值面以下的速度對應(yīng)外螺旋區(qū)域，0值面以上對應(yīng)內(nèi)螺旋區(qū)域，這里可以把 0值面定義為外螺旋與內(nèi)螺旋區(qū)域的分界面。同時可以看到，無論是XLPB型還是XCX型旋風(fēng)分離器，軸向速度的分布都不是嚴格對稱的，所以分界面在徑向上的位置也不是固定不變的，而是從中心軸沿徑向左右偏移，當分界面與芯管下端面不重合時，會造成氣流輸送上的“短路”，顆粒剛進入旋風(fēng)分離器內(nèi)會從短路氣流中直徑進入芯管從旋風(fēng)分離器排走，這對分離效率是很不利的。

圖4為XLPB-5.0、XCX-5.0型旋風(fēng)分離器內(nèi)3個不同Z軸截面上的切向速度分布圖。由圖4可知，相比軸向速度，兩種型旋風(fēng)分離器的切向速度的最小值都出現(xiàn)在軸心位置，然后沿徑向方向增大；而且外旋區(qū)域的切向速度比內(nèi)旋區(qū)域的切向速度大很多。結(jié)合圖3知，外旋區(qū)域的軸向速度相比內(nèi)旋區(qū)域小很多，所以旋風(fēng)分離器外旋區(qū)域切向速度占主導(dǎo)地位，而內(nèi)旋區(qū)域則同時存在較高的軸向速度與切向速度。切向速度是影響分離效率的首要因素，顆粒進入旋風(fēng)分離器后在切向速度的帶動下做高速旋轉(zhuǎn)運動，在離心力的作用下甩向壁面滑落而被旋風(fēng)分離器底部收集。XCX型旋風(fēng)分離器外旋區(qū)域的最大切向速度比XLPB型高了將近10m/s，所以理論上XCX型的分離效率要比XLPB型要高，這與表1中的實驗結(jié)果是相符的。

圖5為XLPB-5.0、XCX-5.0型旋風(fēng)分離器內(nèi)3個不同Z軸截面上的徑向速度分布圖。如圖5所示，徑向速度的分布比較復(fù)雜，徑向速度大小相比軸向速度與切向速度要小一個數(shù)量級，不同于軸向速度與切向速度呈軸對稱分布，徑向速度不僅在同一截面上的分布無規(guī)律可循，而且隨著截面高度不同，變化趨勢也不一樣。同時可以看到，不同截面上的徑向速度大小是不一樣的，可以預(yù)測，顆粒在徑向方向上是存在運輸?shù)?。旋風(fēng)分離器內(nèi)的徑向速度一直是旋風(fēng)分離器流場中研究的難點，黃興華等［10］曾對一直流切向入口旋風(fēng)分離器模擬，發(fā)現(xiàn)同一高度上外旋區(qū)域的徑向速度變化比內(nèi)旋區(qū)域變化慢，本文中的XLPB型旋風(fēng)分離器符合這一規(guī)律，而對于XCX型，則恰恰相反，外旋區(qū)域比內(nèi)旋區(qū)域變化要快，這可能是由于螺旋形入口蝸殼所形成流場相比直流蝸殼入口要復(fù)雜造成的。

綜上所述，旋風(fēng)分離器內(nèi)流場具有明顯的各向異性分布特點，切向速度、軸向速度、徑向速度對其分離效率都有影響，切向速度首當其沖，軸向、徑向速度次之。徑向速度與軸向速度的相互作用使顆粒不是在一個平面內(nèi)做螺旋運動，而是在軸向方向上做螺旋運動。

3.2 芯管直徑對分離效率的影響

學(xué)者羅曉蘭［11］、袁惠新［12］等在模擬分離效率時把DPM設(shè)置為平均顆粒，本文中旋風(fēng)分離器的實際入射顆粒為325～0目SiC微粉與相應(yīng)的除塵粉，在此采用DPM中的Rosin-Rammler顆粒分布模型［13］，相比平均顆粒更接近實際粒徑。具體值見2.2節(jié)中（1）部分。

圖4 XLPB-5.0與XCX-5.0切向速度對比

圖5 XLPB-5.0與XCX-5.0徑向速度對比

圖6為芯管插入深度不變時直徑的改變對分離效率的影響。從圖6中可以看出無論對于XLPB型還是 XCX型旋風(fēng)分離器，分離效率都隨芯管直徑的增大而減??；而且，XCX型旋風(fēng)分離器的分離效率要普遍比XLPB型要高，最高達到了98.2%。究其原因是芯管直徑的增大改變了芯管壁面周圍切向速度的分布，如圖7所示，隨著芯管直徑的增大，芯管外壁處的切向速度變大，而切向速度越大顆粒越容易捕集。

蔣海華［14］指出，芯管下出口處徑向速度的存在對分離效率是不利的，顆粒會在徑向速度的作用下直接進入芯管排除，從而降低分離效率，這種現(xiàn)象稱為“氣流短路”。所以當增大芯管直徑時，芯管外的外旋區(qū)域面積減小，芯管內(nèi)的內(nèi)旋區(qū)域面積增大，芯管入口附近的徑向速度更容易把顆粒帶入芯管，造成分離效率的下降。由此可知，徑向速度是造成流場短路的主要因素，這也解釋了圖2中軸向速度不對稱的現(xiàn)象。

圖6 芯管直徑對分離效率的影響

圖7 不同芯管直徑時Z軸截面上切向速度分布

3.3 芯管插入深度對分離性能的影響

圖8 芯管插入深度對分離效率的影響

圖9 不同芯管插入深度時Z軸截面上徑向速度分布

圖8為芯管直徑不變時插入深度對旋風(fēng)分離器分離效率的影響。如圖8所示，隨著插入深度的增大，兩種旋風(fēng)分離器分離效率都呈先升高后降低的趨勢，XLPB-5.0與XCX-5.0的分離效率分別為92.55%和94.96%，與工業(yè)實驗的誤差是可以接受的。同樣XCX型的分離效率普遍要比XLPB型分離效率要高，究其原因，可能是芯管深度的增加有效地防止了芯管進風(fēng)口處“短路流動”現(xiàn)象的產(chǎn)生。如圖9所示，隨著芯管插入深度的增大，徑向速度在外旋區(qū)域呈緩慢減小趨勢，徑向速度越小，對顆粒的輸送效果越小，造成的短路影響越小。另一方面，芯管深度的增大增加了芯管筒壁附近顆粒的旋轉(zhuǎn)路徑，延長了顆粒受離心力的時間，從而增大了這些顆粒被捕集的概率。但芯管深度不易過大，插入深度越深越接近椎體部分，椎體部分氣固含量比較高，已被捕集或?qū)⒁徊都念w粒容易直接進入芯管，導(dǎo)致分離效率的下降。工程應(yīng)用中在滿足分離效率的前提下往往不選擇插入深度過大的芯管，過長的芯管會增加制造費用，給維修和檢查造成不便，而且相對較大的質(zhì)量容易對排氣管與頂板之間的焊點造成應(yīng)力疲勞，所以實際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)綜合因素合理選擇芯管的參數(shù)。

4 結(jié) 論

（1）模擬結(jié)果顯示，顆粒在旋風(fēng)分離器內(nèi)受復(fù)雜流場的影響，切向速度是影響分離效率的首要因素，軸向、徑向速度次之。徑向速度與軸向速度的相互作用使顆粒在軸向方向上做螺旋運動。

（2）螺旋式入口蝸殼相比直流式入口蝸殼對芯管周圍流場的影響較復(fù)雜一些；由于徑向速度的存在，軸向速度呈不對稱分布，這是造成芯管下端面出現(xiàn)“短路流”的主要原因，顆粒因受“短路流”的影響會從芯管直接逃逸，從而降低分離效率。

（3）模擬結(jié)果中XCX型相比XLPB型分離效率高，這與實驗結(jié)果相吻合，且對于兩種旋風(fēng)分離器，分離效率隨著芯管直徑的增大而減小，隨著芯管插入深度的增大呈先增大后減小的趨勢。

參 考 文 獻

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Numerical simulation and analysis on separation performance of cyclone separator

CHEN Jundong1，SONG Jincang1，ZENG Chuan2，ZOU Pengcheng1，WANG Xiaotian2，CHEN Haiyan1
（1School of Environment and Resource，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，Sichuan，China；2School of Manufacturing Science and Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，Sichuan，China）

Abstract:Taking two cyclone separators XLPB-5.0 and XCX-5.0 as the prototype，numerical simulations on their flow field and separation efficiency were conducted by computational fluid dynamics（CFD）. The influence of inlet volute form and central tube structure on separation efficiency was discussed. Results showed that the flow field in the cyclone separator presented anisotropic distribution characteristics. Tangential velocity was the primary factors influencing the separation efficiency，while the existence of the radial velocity would cause the phenomenon of short circuit flow field and make the axial velocity distribution asymmetrical，hence， reduced the separation efficiency. The combined action of axial and radial velocity promotes particles to make spiral movement inside the cyclone separator. The separation efficiency of XLPB-5.0 and XCX-5.0 were 92.55% and 94.96%，respectively. This was consistent with the experimental results. Separation efficiency of XCX-5.0 was higher than that of XLPB-5.0 under different core pipe parameters. Compared with the spiral once-through entry（XLPB-5.0），the influence of spiral inlet volute（XCX-5.0）on upper flow field of cyclone separator are complex. Besides，for the two cyclone separators，the separation efficiencydecreases with the increase of core tube diameter，but separation efficiency turns to increase first then decrease with the increase of depth of the core tube.

Key words:cyclone separator；numerical simulation；separation efficiency；inlet volute；central tube

中圖分類號：TQ 051.8

文獻標志碼：A

文章編號：1000-6613（2016）05-1360-06

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.05.015

收稿日期：2015-11-12；修改稿日期：2015-12-12。

基金項目：國家高科技術(shù)研究發(fā)展計劃（2013AA040207）及綿陽市科技局項目（14G-ZC-06）。