方形旋風(fēng)分離器數(shù)值模擬研究

（華東理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200237）

0 引言

隨著能源化工等行業(yè)的迅速發(fā)展，氣固分離裝置在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的作用逐漸提高。原料利用率、生產(chǎn)過(guò)程中物料的純度以及是否滿足大氣排放標(biāo)準(zhǔn)等都受到分離裝置的影響，所以化工行業(yè)亟需更高效環(huán)保的分離裝置。旋風(fēng)分離器被廣泛用于循環(huán)流化床技術(shù)，但傳統(tǒng)的圓截面旋風(fēng)分離器因空間利用率低，不適用于現(xiàn)在的大型流化床鍋爐。因此，研究人員提出了一些新型的旋風(fēng)分離器技術(shù)。其中，方形旋風(fēng)分離器因結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)便于布置隔熱層，進(jìn)而提高熱效率，所以得到不斷改進(jìn)和應(yīng)用[1-3]。蘇亞欣等[4]利用數(shù)值模擬研究了不同進(jìn)口結(jié)構(gòu)的方形旋風(fēng)分離器的流動(dòng)特點(diǎn)，提出了進(jìn)口結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方向；鄭安橋等[5]采用雷諾應(yīng)力模型和隨機(jī)軌道模型計(jì)算了改變溢流管結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)分離器內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)和湍動(dòng)能的分布受溢流管結(jié)構(gòu)影響；方形旋風(fēng)分離器內(nèi)部阻力較大，余洋等[6]通過(guò)數(shù)值模擬研究了內(nèi)置減阻桿的減阻機(jī)理，優(yōu)化了減阻桿直徑、截面形狀和布置位置。

本文提出一種柱錐式方形旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)，利用數(shù)值模擬對(duì)其流動(dòng)特性、分離性能的影響機(jī)理進(jìn)行研究。

1 模型建立

1.1 旋風(fēng)分離器模型

本文研究的方形旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括進(jìn)口段、柱段、錐段、料斗段、溢流管段。除溢流管段截面為圓形外，其他各段截面均為正方形。各部分結(jié)構(gòu)的尺寸見(jiàn)表1。方形旋風(fēng)分離器模型見(jiàn)圖1。

圖1 方形旋風(fēng)分離器模型

表1 方形旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)尺寸 mm

1.2 網(wǎng)格劃分

建立該方形旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)的物理模型并利用ICEM對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分如圖2所示，網(wǎng)格采用六面體結(jié)構(gòu)化，在保證網(wǎng)格質(zhì)量的情況下減小網(wǎng)格數(shù)量，并對(duì)溢流管附近加密處理，得到網(wǎng)格數(shù)約為14萬(wàn)個(gè)。

圖2 網(wǎng)格劃分結(jié)果

1.3 計(jì)算模型

旋風(fēng)分離器的流動(dòng)是三維不對(duì)稱的湍流流動(dòng)，一般為多相流動(dòng)。本文采用歐拉-拉格朗日方法對(duì)方形旋風(fēng)分離器內(nèi)的氣固兩相流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，其中氣相使用雷諾應(yīng)力模型（RSM），顆粒相使用隨機(jī)軌道模型（DPM）。

雷諾應(yīng)力模型屬于高雷諾數(shù)湍流計(jì)算模型，可以模擬出旋轉(zhuǎn)流動(dòng)及流動(dòng)方向表面曲率變化的影響。適用于復(fù)雜流動(dòng)狀態(tài)的模擬，因而比較適合模擬旋風(fēng)分離器內(nèi)部強(qiáng)旋湍流[7]。

隨機(jī)軌道模型是將拉氏坐標(biāo)系下的顆粒作用力微分方程積分，求解離散相顆粒的軌道。在笛卡爾坐標(biāo)系下以x方向?yàn)槔w粒慣性等于作用在顆粒上的各力矢量和，即顆粒的作用力平衡方程為：

式中 up——顆粒速度，m/s；

u——流體相速度，m/s；

gx——X方向重力加速度，m/s2；

ρp——顆粒密度，kg/m3；

ρ——流體密度，kg/m3；

Fx——X方向的其他作用力，N，如附加質(zhì)量力、熱泳力、布朗力、Saffman 升力；

μ——流體動(dòng)力黏度，Pa·s；

Re——相對(duì)雷諾數(shù)；

dp——顆粒直徑，m；

CD——曳力系數(shù)。

1.4 邊界條件

入口邊界條件為速度進(jìn)口，流量為30，40，50，60 m3/h時(shí)，對(duì)應(yīng)的速度分別為 6.17，8.23，10.29，12.35 m/s。出口邊界條件為自由出流出口，壁面邊界條件采用無(wú)滑移邊界，設(shè)定所有壁面為光滑表面，近壁面有邊界層效應(yīng)。在隨機(jī)軌道模型的設(shè)定中，離散相為球形顆粒，密度為893 kg/m3，顆粒粒徑為10 μm，入射流量為1.667×10-10kg/s。顆粒入射源為入口面，入口和上出口邊界設(shè)置為逃逸類(lèi)型。當(dāng)顆粒與壁面接觸，顆粒會(huì)發(fā)生彈射或沉積，所以將內(nèi)壁面設(shè)置為反射類(lèi)型，彈性恢復(fù)系數(shù)取1.0，表示完全彈性碰撞。下出口邊界設(shè)置為捕獲類(lèi)型，即顆粒到達(dá)該面就被捕獲，模擬計(jì)算結(jié)束。求解器選擇壓力-速度耦合方程求解算法，壓力插值采用PRESTO法，采用半隱式連接壓力方程方法求解差分方程組。

2 結(jié)果與分析

2.1 壓力分布

圖3示出方形旋風(fēng)分離器在流量分別為30，40，50，60 m3/h時(shí)的X軸向截面壓力分布云圖。從圖中可以看出，隨著流量的增大，分離器內(nèi)的最大壓力有較明顯增大，最小壓力變化較小。在不同流量的工況下，壓力分布規(guī)律大致相同。分離器內(nèi)大部分區(qū)域的壓力為正壓，僅溢流管段的下半?yún)^(qū)域存在小范圍負(fù)壓，這是因?yàn)橐缌鞴芏沃苯优c大氣相通，壓強(qiáng)有較大幅度變化。溢流管段的等壓線成倒V形，其他管段等壓線成V形。從柱段可以看出，在水平方向離壁面越遠(yuǎn)壓力越小。綜合分析可知，流量的改變對(duì)分離器內(nèi)部壓力分布規(guī)律影響不大，但對(duì)壓力數(shù)值大小有較明顯的影響。

圖3 X軸截面壓力分布云圖

2.2 速度矢量分布

從流量為50 m3/h時(shí)X=0截面的速度矢量分布圖可以看出，方形旋風(fēng)分離器內(nèi)流場(chǎng)不僅包含內(nèi)旋流和外旋流2種主要的流態(tài)，還包括一些對(duì)分離效果影響較大的局部二次流，比如靠近入口區(qū)域的循環(huán)渦流、溢流管附近入口側(cè)的短路流和錐段下端的回流柱。

流體從入口進(jìn)入旋流腔內(nèi)后在離心力和重力的作用下旋轉(zhuǎn)向下運(yùn)動(dòng)，這使得分離腔頂部區(qū)域壓力較小，這可從圖3看出。所以部分流體在溢流管外壁附近向壓力較小處流動(dòng)，受分離器上壁面阻擋改變流向，隨后在入口流體的帶動(dòng)下向下運(yùn)動(dòng)，即形成循環(huán)渦流。分離器溢流管附近壓力沿Y軸正方向逐漸減小，并且剛進(jìn)入分離腔的流體在受到后壁面阻擋前離心力較小，這兩個(gè)因素導(dǎo)致部分靠近溢流管的流體未經(jīng)分離直接進(jìn)入溢流管。從圖4可以看出，在錐段下端有外旋流中流體向內(nèi)旋流轉(zhuǎn)化，此即回流柱，這個(gè)過(guò)程中可能有顆粒被帶入內(nèi)旋流，使分離效率下降。

圖4 Q=50 m3/h時(shí)X=0截面的速度矢量分布

圖5示出當(dāng)流量為50 m3/h時(shí)不同水平截面的速度矢量分布。由圖可知，分離器內(nèi)部的流場(chǎng)呈不對(duì)稱分布，且隨高度的下降，不對(duì)稱性更加明顯。這種不對(duì)稱性是由單入口形式?jīng)Q定的。單位體積氣流從單入口進(jìn)入后，受到各個(gè)壁面的阻礙作用，能量逐漸減小，導(dǎo)致不同水平截面的旋流中心在不同位置。從上到下旋流中心位置的變化方向與氣相的流向相同，從上向下看呈逆時(shí)針?lè)较?，這也證明旋流中心線是近似螺旋形的。圖4和5（a）左上角中的循環(huán)渦流屬于同一區(qū)域。分離腔內(nèi)緊靠入口下端區(qū)域的流體經(jīng)過(guò)一周的離心運(yùn)動(dòng)后，受入口處剛進(jìn)入分離腔流體的影響而出現(xiàn)回轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)的大部分流體形成循環(huán)渦流，小部分流體形成圖4中的短路流。

圖5 Q=50 m3/h時(shí)不同水平截面氣相速度矢量分布

2.3 速度分布

除入口區(qū)域外，旋風(fēng)分離器內(nèi)的流動(dòng)常常被近似地看作是對(duì)稱的。任一點(diǎn)流體的速度都可分解為軸向、切向和徑向3個(gè)分量。

軸向速度的分布能反應(yīng)內(nèi)旋流和外旋流的分布情況，內(nèi)旋流沿軸線向上流動(dòng)，大部分從溢流口流出；外旋流的流體向下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)顆粒從底流口流出。這樣就形成了一個(gè)零軸向面。這個(gè)面的形狀決定于旋風(fēng)分離器主腔的結(jié)構(gòu)。軸向速度的大小直接決定離散相軸向運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，也即離散相在分離器內(nèi)的停留時(shí)間，保證了分離過(guò)程的連續(xù)性和有效性。

圖6示出了不同流量下，X=0截面與不同水平截面交線的軸向速度分布曲線。

圖6 軸向速度分布曲線

從圖可以看出，內(nèi)旋流軸向速度向上且為正，外旋流軸向速度向下且為負(fù)，近壁面因邊界層效應(yīng)速度為0。隨著流量的增大，軸向速度的絕對(duì)值也都明顯增加。速度分布成近似對(duì)稱，這說(shuō)明內(nèi)外旋流主流的位置在不斷波動(dòng)，這也印證了田曉慶等[8-9]測(cè)試中內(nèi)旋流成螺旋狀的現(xiàn)象。y=-50 mm截面的軸向速度分布圖與其他不同的是，內(nèi)旋流兩側(cè)速度為零的范圍較大，這是因?yàn)橐缌鞴茉诜蛛x腔內(nèi)的長(zhǎng)度為50 mm，溢流管管壁的下近壁面速度為零。且左側(cè)靠近邊壁處有一小段軸向速度方向向上，這是因?yàn)樵撎幙拷肟冢肟谔幜黧w切向速度較大，壓力較大，使入口下方附近流體向上運(yùn)動(dòng)。y=-100 mm和y=-150 mm截面的軸向速度分布規(guī)律大致相同，均是近似對(duì)稱分布。從y=-200 mm、y=-250 mm、y=-300 mm截面軸向速度分布可以看出，內(nèi)外旋流的不對(duì)稱性隨軸向位置的下降而增強(qiáng)。這容易造成離散相的返混，減弱分離性能。

2.4 顆粒軌跡

對(duì)入口流量40 m3/h工況下，顆粒從分離器入口不同位置入射后的運(yùn)行軌跡進(jìn)行數(shù)值模擬。圖7示出以入口面為發(fā)射源得到的所有顆粒的軌跡，圖中軌跡的顏色代表顆粒運(yùn)動(dòng)時(shí)間。可以看出，少量顆粒因短路流未實(shí)現(xiàn)分離，或因在錐段下端返混進(jìn)入內(nèi)旋流從溢流口排出未實(shí)現(xiàn)分離。大部分顆粒沿分離器內(nèi)壁螺旋下降到達(dá)下出口實(shí)現(xiàn)分離。

圖7 顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡

圖8示出了顆粒從入口邊界的中心豎線（z=-22.5 mm）的不同高度入射后的運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖8 顆粒從z=-22.5 mm的不同高度入射后的運(yùn)動(dòng)軌跡

從圖可以看出，隨著入射軸向位置的變化，運(yùn)動(dòng)軌跡既存在較大相似性，也存在局部差異性。前4個(gè)位置發(fā)射的顆粒均實(shí)現(xiàn)分離，其中從y=-7.5 mm發(fā)射顆粒因?yàn)槿肷湮恢每拷蛛x器上壁面，其附近壓力較小，盤(pán)旋多圈后才開(kāi)始大幅度軸向運(yùn)動(dòng)。中間3個(gè)位置發(fā)射顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡相似，均在入射后立刻盤(pán)旋下落，不同的是隨著高度下降，顆粒到達(dá)底流口前旋轉(zhuǎn)圈數(shù)逐漸減小。一方面初始高度越大，軸向運(yùn)動(dòng)距離增大，需要的旋轉(zhuǎn)次數(shù)必然增加；另一方面初始高度越小，顆粒受分離腔頂部相對(duì)負(fù)壓的吸引作用越小，軸向向下運(yùn)動(dòng)速度更大，更容易實(shí)現(xiàn)分離。綜合分析可知，入射位置軸向高度較低更易實(shí)現(xiàn)分離，但高度過(guò)低時(shí)易受短路流影響。

短路流是影響分離效率的重要因素，圖9示出了顆粒從y=-22.5 mm的不同水平位置入射后的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以看到隨著入射位置向外偏移，在到達(dá)第一個(gè)拐角處時(shí)，z越大則顆粒切向速度增大，離心力隨之增大，所以第一次旋轉(zhuǎn)的軸向位移增大，受短路流的影響更小，因而更易實(shí)現(xiàn)分離。從上述分析可知，在相同工況下，粒徑相同的顆粒入射位置不同決定其能否實(shí)現(xiàn)分離。入射位置的水平位置距離軸線越遠(yuǎn)、高度越小越易實(shí)現(xiàn)分離。

圖9 顆粒從y=-22.5 mm的不同水平位置入射后的運(yùn)動(dòng)軌跡

3 結(jié)論

（1）本文采用的數(shù)值模擬方法具有科學(xué)性和可靠性，可用于模擬方形旋風(fēng)分離器的內(nèi)部流場(chǎng)情況。

（2）流場(chǎng)特征與傳統(tǒng)圓截面旋風(fēng)分離器相似，除內(nèi)外旋流外，還存在循環(huán)渦流、短路流及回流區(qū)等影響分離效率的重要二次流。流量的改變對(duì)分離器內(nèi)部壓力分布規(guī)律影響不大，但對(duì)壓力數(shù)值大小有較明顯的影響。

（3）隨著流量的增大，軸向速度的絕對(duì)值都明顯增加。速度分布成近似對(duì)稱，這說(shuō)明內(nèi)外旋流主流的位置在不斷波動(dòng)；內(nèi)外旋流的不對(duì)稱性隨軸向位置的下降而增強(qiáng)。這容易造成離散相的返混，減弱分離性能。

（4）在相同工況下，粒徑相同的顆粒的入射位置決定其能否實(shí)現(xiàn)分離。入射位置的水平位置距離軸線越遠(yuǎn)，高度越小越易實(shí)現(xiàn)分離。