集灰口結(jié)構(gòu)對旋風(fēng)分離器性能影響分析

蘭 江

(滇西科技師范學(xué)院，云南 臨滄 677000 )

集灰口結(jié)構(gòu)對旋風(fēng)分離器性能影響分析

蘭 江

(滇西科技師范學(xué)院，云南 臨滄 677000 )

對四種不同集灰口結(jié)構(gòu)的旋風(fēng)分離器進(jìn)行了對比模擬，結(jié)果顯示四種分離器內(nèi)部切向速度分布、軸向速度分布、靜壓的分布情況十分相似，只有III型分離器的流場略有不同，最大切向速度略低于其他的分離器；軸向速度分布呈現(xiàn)倒“V”形，其他三種分布呈現(xiàn)“M”形；50%切割粒徑與I型分離器比較都有所降低。通過理論分析，可知集灰口連接料腿、灰箱會改變分離器的分離特性。

旋風(fēng)分離器；數(shù)值模擬；集灰口結(jié)構(gòu)

旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)簡單，造價經(jīng)濟(jì)，適用范圍廣泛，但其內(nèi)部流場復(fù)雜，受幾何尺寸影響較大。切向入口形式的旋風(fēng)分離器最為常見。目前對旋風(fēng)分離器模擬所采用的物理模型主要分為兩大類，一類為只研究分離器本體部分，第二類為帶有灰箱或料腿的旋風(fēng)分離器。部分學(xué)者根據(jù)灰箱的影響結(jié)果，認(rèn)為灰箱應(yīng)該作為分離器本體的一部分[1,4]，然而許多研究沒有灰箱或料腿的分離器與實驗結(jié)果也有很好的吻合[1-3]。

因此，將通過模擬手段詳細(xì)對比傳統(tǒng)型分離器、帶料腿和灰箱的分離器對流場的影響，已期能夠達(dá)到以下兩個目的，其一為證明傳統(tǒng)型(只有分離器主體)，帶料腿(出口下方連接直管)及帶有灰箱的分離器均能夠成功模擬內(nèi)部情況；其二分析料腿及灰箱對分離器性能的影響，為設(shè)計者提供參考。

1 數(shù)值計算模型

歐拉-拉格朗日計算方法是目前應(yīng)用比較多的一種計算氣固兩流動的方法[4]。氣相作為連續(xù)相，固體顆粒作為離散相。在連續(xù)相收斂的條件下，再引入離散相進(jìn)行計算。而顆粒相體積分?jǐn)?shù)較低，只考慮連續(xù)相對離散相的影響。

1.1 幾何尺寸及網(wǎng)格劃分

旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)尺寸均與分離器筒體直徑D成一定的比例關(guān)系，它包括七種結(jié)構(gòu)，入口高a、寬b、分離段高h(yuǎn)、筒體高度Ht、粉塵出口Bc、排氣管直徑Dx、高S，具體形狀及尺寸如圖1所示。應(yīng)用ANSYS 12.0提供的ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分，全局采用六面體網(wǎng)格，如圖2所示。

圖1 旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of cyclone separator structure

圖2 旋風(fēng)分離器計算網(wǎng)格Fig.2 Computational grids of cyclone separator

1.2 湍流模型的選擇

目前國內(nèi)外許多學(xué)者應(yīng)用RSM模型和DPM模型成功的模擬旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場的情況[5-6]，因此采用RSM模型和DPM模型對旋流器內(nèi)氣固兩相流場進(jìn)行數(shù)值計算。

1.3 控制方程

利用的基本控制方程如下[7]：

連續(xù)性方程：

(1)

動量方程：

(2)

Reynolds應(yīng)力方程：

(3)

式中：Cij為對流項；Dij為擴(kuò)散項；DT,ij為湍流擴(kuò)散項；DL,ij為分子粘性擴(kuò)散項；Pij為雷諾剪應(yīng)力產(chǎn)生項；φij為壓力應(yīng)變項；εij為粘性耗散項。

顆粒相方程由文獻(xiàn)[8]給出：

(4)

(5)

式中：μ為流體的黏度；ρ為流體密度；ρp為顆粒密度；dp為顆粒直徑；Rep為顆粒雷諾數(shù)；CD為顆粒的曳力數(shù)。(ρp-ρ)gi/ρp為顆粒所受重力。Fi為顆粒在流場中所受其他的作用力，在此只考慮連續(xù)相流體對顆粒產(chǎn)生的曳力作用，其他作用力相對于曳力要小很多，故忽略不計。

1.4 邊界條件的設(shè)定

邊界條件設(shè)定分為氣相邊界條件的設(shè)定和兩相邊界條件的設(shè)定，兩者的區(qū)別在于后者主要表現(xiàn)在顆粒相的設(shè)置上[9]。分離器入口設(shè)置為velocity inlet，氣體體積流量Qin=0.084 05 m3/s，氣體密度為1.225 kg/m3，顆粒入口處將顆粒群按初始尺寸分組，出口條件為outflow，其他壁面均設(shè)置為無滑移邊界條件，近壁處用標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)處理。 兩相壁面邊界設(shè)置為reflect，設(shè)置排氣口邊界為escape；捕集口邊界設(shè)置為trap。

1.5 求解控制參數(shù)的設(shè)置

方程采用ANSYS FLUENT 12.0穩(wěn)態(tài)求解，壓力插補(bǔ)格式采用PRESTO！格式；壓力與速度耦合形式采用SIMPLE格式；動量離散項采用QUICK格式；湍動能、湍流耗散率采用Second order upwind格式。

2 模擬結(jié)果分析

所得到的結(jié)果均經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性討論。分離器的速度主要由切向速度和軸向速度構(gòu)成，切向速度是產(chǎn)生離心力的主要因素，迫使顆粒被分離出來，而軸向速度作用是迫使顆粒向下運動的主要因素。因此，集灰口的尺寸對分離器的影響將主要考慮對軸向速度和切向速度場的分布影響。圖3為四種分離器在4個截面處的切向速度分布圖，每個分離的切向速度都很好的顯示了“蘭金渦”的存在，外部的自由渦和內(nèi)部的強(qiáng)制渦。同一種分離器的不同部位強(qiáng)制渦處切向速度很相似，外部渦受分離器幾何形狀影響，在壁面處分布有所不同，但最大切向速度處基本在同一個界面處，切向速度在軸向不同部位的分布基本相同，意味著一個部分切向速度變化其他部分也會有相同的變化。

圖3 四種分離器切向速度分布圖Fig.3 Tangential velocity distribution diagram of four types of separators

圖4為四種分離器在四個截面處的軸向速度分布圖。軸向速度在內(nèi)渦區(qū)呈現(xiàn)倒“V”形和“M”形，分離器I、II、 IV呈現(xiàn)“M”形分布，只有III呈現(xiàn)倒“V”形分布。軸向速度呈現(xiàn)“M”形分布主要受幾何形狀影響，排氣壁面摩擦力的作用使得旋流衰減，在中心處形成相反的壓力梯度，因此該部分流體被重新帶回排氣管。III型分離器出現(xiàn)倒“V”形分布，主要是由于氣流進(jìn)入灰箱后擴(kuò)散，但由于灰箱內(nèi)沒有穩(wěn)壓裝置，在灰箱內(nèi)同時存在兩部分氣流，向上氣流經(jīng)過突縮后氣流被加速克服逆向梯度，因此形成了倒“V”形分布。其他的分離器在灰出口處連接有料腿，流場沒有變化，氣體沒有被加速。

圖4 四種分離器軸向速度分布圖Fig.4 Axial velocity distribution diagram of four types of separators

圖5為靜壓分布圖，同一個分離器內(nèi)部靜壓分布十分相似，軸向不同位置上的壓力變化值很小。通過圖3、4、5可以看出分離器內(nèi)部流場分布具有很好的跟隨性。因此，四種分離器在同一位置處對比靜壓、切向速度、軸向速度分布。

圖6為四種分離靜壓分布對比，在中心處最小值差別最小，I、II 、IV分離器靜壓分布相似度很高，幾乎在同一條線上，只有III型分離器靜壓分布整體略底。

圖7為四種分離器在P1處切向速度分布對比，通過對比可以看出在中心處分布基本相同，但I(xiàn)、 II、 IV型分離器最大的切向速度大于III型分離器。由于顆粒的分級效率隨著最大切向速增大而提高，因此顆粒的分級效率會比III型分離器要高。出口結(jié)構(gòu)也會對分離效率造成一定的影響。

圖8給出了分離器內(nèi)部軸向速度分布的典型的分布趨勢，“M”形和倒“V”形分布。通過對比III型分離器和IV型分離器可以發(fā)現(xiàn)，在集灰口下方連接有料腿可以改變軸向速度的分布。

圖5 四種分離器靜壓分布圖Fig.5 Static pressure distribution diagram of four types of separator

圖6 四種分離器P1處靜壓 分布對比圖Fig.6 Static pressure distribution diagram of four types of separator

圖7 四種分離器P1處切向速度 分布對比圖Fig.7 Tangential velocity comparison diagram of four types of separators at P1

圖8 四種分離器P1處軸向速度 分布對比圖Fig.8 Axial velocity comparison diagram of four types of separators at P1

圖9為分離器氣體軌跡圖，對比III、IV分離器可以看出，料腿的存在減少了在灰箱內(nèi)的氣流的含量，可以有效地避免“返混”現(xiàn)象，料腿長度及灰箱的尺寸對分離性能的影響還需后續(xù)的研究。

圖10為四種分離器的分級效率，整體呈現(xiàn)“S”形，對比分級效率可以看出分離器集灰口連接料腿和灰箱會提高分離器的分級效率，I、II、III、IV型分離器50%切割粒徑分別為1.7 μm、1.25 μm、1.25 μm、1.0 μm，主要是由于灰箱和料腿的存在增大了分離器內(nèi)部最大切向速度。

圖9 氣體軌跡圖Fig.9 Gas orbit graphics

圖10 顆粒分級效率Fig.10 Particle separation efficiency

3 結(jié) 論

通過數(shù)值模擬分析四種旋風(fēng)分離器內(nèi)部切向速度分布、軸向速度分布、靜壓分布及分級效率，主要得到以下結(jié)論。

1)四種形式的分離器均能很好的模擬內(nèi)部流場的分布。

2)III型分離器的最大切向速度略低于其他三種，軸向速度分布和其他分離器相比也不同,III型分離器軸向速度分布呈現(xiàn)倒“V”，其他為“M”形。

3)集灰口下方連接料腿或灰箱均能提高50%切割粒徑。但料腿長度、直徑、灰箱的直徑高度等對分離器內(nèi)部流場的影響還需要進(jìn)一步研究。

[1] 米列東. 旋風(fēng)分離器固體出口結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)值模擬[J]. 黑龍

江電力,2015,37(4):335-338.. MI Liedong. Numerical simulation on the optimization of solid outlet structure of cyclone separator[J]. Heilongjiang Electric Power, 2015, 37(4): 335-338.

[2] 郝振彬. 旋風(fēng)筒入口積粉的原因分析與改進(jìn)[J]. 黑龍江電力技術(shù),1991,13(5):264-267. HAO Zhenbing. Cause analysis and improvement of powder accumulation at cyclone inlet [J].Heilongjiang Electric Power,1991,13(5):264-267

[3] Qian F, Zhang J, Zhang M. Effects of the prolonged vertical tube on the separation performance of a cyclone [J]. Journal of Hazardous Materials, 2006, 136(3): 822-829.

[4] Kaya F, Karagoz I. Performance Analysis of Numerical Schemes in Highly Swirling Turbulent Flows iIn Cyclones [J]. Current Science, 2008, 94(10): 1273-1278.

[5] Obermair S, Woisetschlager J, Staudinger G. Investigation of the flow pattern indifferent dust outlet geometries of a gas cyclone by laser doppler anemometry[J].Powder Technol ,2003,138(2):239-251.

[6] Chuah T, Gimbun J, Choong T S. A CFD Study of the Effect of Cone Dimension on Sampling Aerocyclones Performance and Hydrodynamics [J]. Powder Technol, 2006, 162(32): 126-132.

[7] Sakhani H, Akhavan-Behabadi M, Shams M, et al. Numerical Simulation of Flow Field in Three Types of Standard Cyclone Separators [J]. Advanced Powder Technol, 2010, 21(4) 435-442.

[8] Zhao B, Su Y, Zhang J. Simulation of Gas Flow Pattern and Separation Efficiency in Cyclone with Conventional Single and Spiral Double Inlet Configuration [J]. Chemical Engineering. Research and Design, 2006, 84(11): 1158-1163.

[9] D. Misiulia, A.G. Andersson, T.S. Lundstrom. Effects of the inlet angle on the flow pattern and pressure drop of a cyclone with helical-roof inlet [J]. Chemical Engineering. Research and Design, 2015, 102 :307-321.

(編輯 李世杰)

Analysis of influence of ash collecting structure on cyclone separator performance

LAN Jiang

(Dianxi Science and Technology Normal University, Lincang 677000, China)

The simulation by contrasting four kinds of cyclone separators with different ash collecting structures is carried out. The results show that the distribution situations of tangential velocity, axial velocity and static pressure of the four kinds of separators are very similar, only with slight difference in the flow field of III separator; the maximum tangential velocity is slightly lower than the other separator; the axial velocity distribution presents inverted "V" shape while the other three species present "M" shape; comparison of 50% cut size and I type separator is reduced. Through theoretical analysis, it can be seen that the the connection of ash collecting mouth with the dipleg and gray box will change the separation characteristics of separator.

cyclone separation; numerical simulation; ash collecting structure

2017-03-06。

蘭 江(1989—)，男，碩士，主要從事多相流方面研究工作。

TM621.7+3

A

2095-6843(2017)03-0274-05