入口高寬比對旋風分離器壁面沖蝕的影響

李 琴 ，鄒 康 ，劉海東 ，李澤蓉

（1.攀枝花學院，四川攀枝花 617000；2.西南石油大學，四川成都 610500；3.中石化石油工程機械有限公司第四機械廠，湖北荊州 434024）

1 前言

在多相流分離領域，旋風分離器由于其簡單的結構特性和優(yōu)良的工藝性能在實際工程中得到了廣泛的應用。許多學者針對其結構形式和工藝參數開展了大量的試驗研究和數值仿真分析。在提高分離效率和降低壓降損失方面進行了很多研究。李紅、李強等運用CFD方法研究了分離性能和高寬比之間的關系，在相同入口面積下，分離效率和入口高寬比成正比，但是與分離器的壓降成反比；當入口采用適當的高寬比時，能提高旋風分離器壁面的氣流速度，從而提高分離器的分離效率［1，2］。王振興等采用計算流體力學（CFD）軟件 研究了不同的入口形式對分離效率的影響，并得出，入口結構形式會在一定程度上對壓降造成影響。幾種旋風分離器對于大于2.5 mm的顆粒捕捉能力差不多，但是當粒徑小于2.5 mm時，梯形進口結構分離效果較為顯著［3］。彭雷等運用冷態(tài)?；囼?，研究了旋風分離器排氣管偏置對分離效率的壓降的影響，提出應當采取合適的排氣管偏置結構來改善旋風分離器的性能［4］。吳彩金等用RSM模擬分析了排氣管尺寸對旋風分離器流場的影響，得出了最強分析能力的排氣管結構［5］。金有海等分析了排氣管內的氣相流場特點及排氣管直徑對氣相流場的影響，得出減小排氣管直徑可以抑制短路流量，使旋風分離器整個空間內的切向速度增大，有利于顆粒分離，但同時壓降增大［6］。高廣德等通過改變排氣管的管徑、插入深度和出口長度，對擴散式旋風分離器的分離效率和壓力損失進行了研究［7］，結果表明，排氣管管徑影響分離效率，壓力損失隨著管徑的減小而增大；插入深度和出口長度影響內部流場分布，從而影響分離效率，但兩者對壓力損失影響較小。在磨損方面，金有海等研究了氣固兩相流對不同入口結構下分離器的壁面磨損規(guī)律，結果表明，單入口結構的磨損范圍較廣，而雙入口結構的磨損相對均勻，蝸殼式結構的最大磨損率相對較小，且每種分離器壁面的磨損都以局部磨損為主［8］。

由于入口結構形式對旋風分離器壁面的磨損產生最直接的影響，所以本文采用FLUENT軟件對分離器壁面開展沖蝕研究，分析入口高寬比對分離器內部流場規(guī)律的影響，同時通過DPM模型對內部顆粒軌跡進行追蹤，并運用沖蝕磨損在對器壁磨損進行研究，得出高寬比對壁面磨損的影響規(guī)律，從防磨角度為旋風分離器入口結構的優(yōu)化提供參考依據。

2 計算模型的建立

常規(guī)旋風分離器基本結構如圖1所示，為了研究不同的入口高寬比對旋風分離器壁面沖蝕磨損的影響，在保證常規(guī)旋風分離器基本結構參數不變的情況下，通過改變分離器進口的高寬比來實現。同時，為確保結果的可比性，每種結構的入口面積相同，具體結構尺寸見表1。

圖1 常規(guī)旋風分離器基本尺寸

表1 不同高寬比入口結構參數

為了提高運算速度，運用高階的六面體網格對計算域進行離散，控制網格精度在0.5左右，并保證網格數為35萬；對不同入口高寬比的旋風分離器進行離散后的計算流體域網格模型如圖2所示。入口風速為20 m/s，各種結構的入口水力直徑和湍流強度如表1所示，出口為自由出流。數值仿真固相顆粒為325目滑石粉，粒徑滿足羅新拉姆勒的分布規(guī)律，密度為2650 kg/m3，質量流量為50 g/m3。選擇標準壁面函數法對壁面流場進行解析。顆粒與壁面碰撞的恢復系數為0.9。

圖2 不同入口高寬比的網格模型

3 數學模型

基于雷諾平均的求解方式是對于湍流模型最常用的求解方式，并被廣泛的使用于工程實際中。鑒于旋風分離器內部流場的旋流特性，目前能夠較為準確地描述其流場的湍流模型為雷諾應力模型［9～11］，RSM模型通過直接求解雷諾應力輸運方程，從而使時均化N-S方程封閉。

微切削沖蝕理論得出顆粒撞擊材料表面的入射攻角對沖蝕影響很大。通過大量的試驗研究，國外學者得出了沖蝕磨損率與入射攻角、粒徑函數和顆粒相對速度函數之間的關系［12］：

式中 B——旋風分離器材料的布氏硬度

Fs—— 固體顆粒的形狀系數，其中球形粒子Fs=1

a1，b1，x1，y1，z1—— 常數，取a1=-33.4、b1=17.9、x1=1.239、y1=-0.1192、z1=2.167

4 試驗驗證

湍流模型和數值計算方法選擇的正確與否，直接關系到后續(xù)計算的可靠性。為此需要對數值仿真結果和試驗數據進行對比分析。

國外學者通過對高效型Stairmand旋風分離器進行PIV風速測定得出了分離空間的速度分布規(guī)律［13］，分別為圖中Z=225 mm，Z=650 mm，Z=860 mm的切向速度。

為了與試驗保持一致，本文提取相同位置的切向速度分布規(guī)律，如圖3所示。由圖可以得出，切向速度呈現為外部的自由渦和內部的剛性渦結構。且數值仿真結果和試驗數據較為吻合，因而驗證了數值計算的準確性，所以運用以上的湍流模型和數值計算方法來解析旋風分離器內部流場是可行的。

圖3 旋風分離器切向速度數值仿真和試驗結果對比

5 計算結果分析

5.1 氣相流場的影響

不同 入口高寬比下氣體切向速率對比如圖4所示，由圖可以得出，在高寬比大的分離空間中，在近壁面處具有更大的切向速度；由分離理論可知，壁面切向速度越大，固體顆粒受到的離心力也越大，分離效率也就越高。但若入口高寬比過大，當進口高度比升氣管插入深度大時，橫向氣流會攜帶顆粒進入升氣管，從而降低分離效率。因此，應選擇合理的入口高寬比。

圖4 不同入口高寬比下氣體切向速率對比

不同入口高寬比下氣體軸向速率對比如圖5所示，由圖可以看出，高寬比的改變對錐體空間和筒體空間中下行流的影響不是很顯著，都是沿著徑向從壁面到中心逐漸增強后再變小。上行流在筒體空間為雙峰分布結構，且中心區(qū)域的速度波動隨著高寬比的增大而增強。當分離器的高寬比為1時，中心區(qū)域上行流速率為10 m/s；而分離器的高寬比為5.7時，中心區(qū)域上行流速率為2 m/s。因此，合理選擇入口高寬比可以減小上行流在分離空間中的能量損失。另外，上行流在不同錐體空間的分布較為統一，都是單峰結構分布。圖6為不同入口高寬比下氣體軸向速度渦核擺動幅度對比，由圖可知，隨著高寬比的增大，渦核擺動就越劇烈。由于過大渦核擺動強度，不僅會引發(fā)二次渦流，降低分離效率，而且擺動渦核會周期性的掃動灰斗壁面，造成錐體底部的沖蝕磨損。因此應該綜合考慮入口高寬比的大小。

圖5 不同入口高寬比下氣體軸向速率對比

圖6 不同入口高寬比下氣體軸向速度渦核擺動幅度對比

5.2 不同粒徑顆粒的運動軌跡

固體顆粒對分離器壁面的碰撞是造成壁面沖蝕磨損的主要原因，分別對粒徑為1，10和30 mm的顆粒在拉格朗日坐標系下進行追蹤。圖7為d=1 mm顆粒在不同入口高寬比結構下的器內運動軌道。從圖可知，粒徑較小的顆粒在每種分離器中的分離效率都不高。在升氣管附近的顆粒容易受到上行氣流的影響，進入到升氣管中。由于隨著入口高寬比的增大，旋風分離器的切向速度會增大。小粒徑顆粒在分離空間中的運動時間會增加。當旋風分離器的高寬比為1時，部分顆粒在下行流的作用下被分離到錐體底部。而當旋風分離器的高寬比為5.7時，因為固體粒子的旋轉動能較大，進入錐體底部的部分顆粒會隨著氣流重新進入分離空間，造成返混現象，從而降低了旋風分離器的分離效率。

圖7 d=1 mm固體顆粒的運動軌跡

中間粒徑d=10 mm的顆粒運動軌跡如圖8所示。

圖8 d=10 mm固體顆粒的運動軌跡

由圖可得，4種不同高寬比的旋風分離器的上端部都有粒子聚集，對粒徑為10 mm的固體顆粒運動規(guī)律幾乎不受入口高寬比的影響。但是分離空間頂部灰環(huán)的形成與顆粒的入射位置有一定的關系。在高寬比較大的分離器中，從進口下部入射的顆粒更加容易捕捉，而從進口上部入射的顆粒容易聚集在分離空間頂部，加劇該區(qū)域的沖蝕。

粒徑d=30 mm的大粒徑顆粒的運動軌跡如圖9所示，由圖可知，4種不同高寬比的旋風分離器對于粒徑為30 mm的較大顆粒都有很好的分離效果。當分離器的高寬比為1時，固體顆粒會很快進入錐體空間，不過主要聚集在錐體空間的中下部，從而會對中下部壁面造成沖蝕。在其他3種進口結構中，椎體末端會有固體灰?guī)У木奂?。只有高寬比?.5的分離器中筒體空間上部有頂灰環(huán)的聚集。由于切向速率隨著入口高寬比的增大而增大，因而增大高寬比有利于提高分離器對顆粒的捕捉能力，但是過大的高寬比會導致分離空間頂部磨損加劇，因此從防磨角度來講，應該選擇合理的入口高寬比。

圖9 d=30 mm固體顆粒的運動軌跡

5.3 壁面沖蝕磨損的影響

為了對旋風分離器壁面磨損進行更加準確的分析，對沿著分離器筒體和錐體方向上的沖蝕磨損做無量綱化處理。不同壁面夾角的筒體壁面沖蝕磨損速率變化如圖10所示，由圖可以看出，筒體部分的磨損率沿軸向變化規(guī)律基本相同，且都是按從上向下逐漸變小的。這與Storch等對切向入口 的錐形旋風分離器進行沖蝕磨損實驗得出的結論大致相同［14］。4種不同入口高寬比結構在壁面夾角的壁面上沖蝕磨損速率最小。在相同的壁面夾角方向上，分離器頂部的沖蝕速率隨著入口高寬比的增大而急劇的增大。但是在筒體中下部區(qū)域沖蝕磨損變化并不明顯。在的壁面上，當旋風分離器的入口高寬比為7.5時，其頂部的沖蝕磨損速率為 2.8×10-6kg/（m2·s）；而當高寬比為1時，其頂部的沖蝕磨損率為0.4×10-7kg/（m2·s），可見前者遠大于后者。這是因為分離器切向速率隨著高寬比增大而增大。當分離器進口風速相同時，在高寬比大的分離空間具有更大的切向速度，從而顆粒會具有更大的旋轉動能，最終會導致旋風分離器頂部空間的磨損更加顯著。

圖10 不同壁面夾角的筒體壁面沖蝕磨損速率變化

不同入口高寬比結構下錐體空間磨損在軸向的對比如圖11所示，由圖可知，4種不同高寬比結構的分離器，錐體壁面的沖蝕速率都是沿著軸向向下呈現逐漸增大的趨勢。在L2/H2小于0.8的區(qū)域，旋風分離器錐體空間沖蝕速率的極值交替出現，有明顯的的波谷和波峰，磨損規(guī)律曲線呈S型波浪，這是因為固體顆粒沿壁面做螺旋運動形成的，和錐體壁面形成的螺旋沖蝕帶相同。沖蝕磨損最嚴重的區(qū)域出現在L2/H2大于0.8的位置。由圖還可看出，每一種結構在的壁面上磨損率最小。

圖11 不同壁面夾角的椎體壁面沖蝕磨損速率變化

6 結論

（1）分離空間切向速度峰值與高寬比成正比，但是中心區(qū)域的速度波動與高寬比的變化正相關，同時過大的高寬比也會加劇渦核擺動強度，引發(fā)二次渦流，加劇錐體底部的沖蝕磨損。

（2）每種分離器對小粒徑顆粒的捕捉能力都不高，在高寬比為7.5的結構中，中間粒徑的入射位置對頂灰環(huán)的形成有一定影響，靠近進口底部入射時，固體顆粒更容易分離出去，但是在進口頂部射入的顆粒，比較容易匯集在分離空間頂部，加劇該區(qū)域的沖蝕磨損。

（3）筒體部分的沖蝕速率都是從分離空間頂端向下漸漸變小，且隨著高寬比的增大最大沖蝕速率逐漸變大。在壁面夾角的壁面沖蝕速率明顯小于其他3個壁面。錐體壁面的沖蝕磨損速率沿著軸向向下都出現逐漸增大的趨勢。在L2/H2大于0.8的區(qū)域，為磨損最為嚴重的區(qū)域。

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