旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真分析

夏友濤 楊道龍 趙婷婷 王云濤 俞煙婷

摘 要：為了研制出一款低能耗、高效率的新型旋風(fēng)分離器，文章根據(jù)目前旋風(fēng)分離器存在的結(jié)構(gòu)不合理、能耗偏高等問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化，建立旋風(fēng)分離器模型，通過(guò)CFD仿真軟件對(duì)其內(nèi)部顆粒進(jìn)行仿真研究，分析流場(chǎng)靜壓、動(dòng)壓及速度分布情況，以期能為旋風(fēng)分離器的設(shè)計(jì)、理論創(chuàng)新、仿真提供參考。

關(guān)鍵詞：旋風(fēng)分離器;優(yōu)化設(shè)計(jì);內(nèi)部流場(chǎng);CFD仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ051.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1064（2020）11-015-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2020.11.008

世界上第一臺(tái)旋風(fēng)分離器誕生于19世紀(jì)90年代，使得世界各地的科研人員開(kāi)始了對(duì)分離器性能、結(jié)構(gòu)等參數(shù)的研究。1930年，范登格南[1]對(duì)雙旋渦分離器進(jìn)行研究后表明，旋風(fēng)分離器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的確是雙螺旋結(jié)構(gòu)，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)旋風(fēng)分離器的發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。1939年，Lapple[2]通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)比旋風(fēng)分離器的尺寸和壓降之間的關(guān)系。1956年，準(zhǔn)自由渦和強(qiáng)制渦理論模型由Barth提出[3]，并于1963年研制出了DEL型旋風(fēng)分離器[4]。20世紀(jì)70年代后，計(jì)算機(jī)飛速發(fā)展，流體力學(xué)在計(jì)算機(jī)的幫助下也進(jìn)入飛速發(fā)展的時(shí)代。Boysan Ayer withenbank[5]在1982年對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行研究，采用的方法正是當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的CFD數(shù)值模擬法。1992年美國(guó)B&W公司對(duì)靜態(tài)分離器進(jìn)行了改造，并安裝了旋轉(zhuǎn)移動(dòng)鏟[6]，大大提高了分離器性能。2003年，旋風(fēng)分離器用于石油開(kāi)采脫水，使石油脫水效率大大提高[7]。2010年，韓國(guó)學(xué)者使用分離器分離人參粉末[8]，效果明顯，可有效分離3μm顆粒。2017年，波蘭研究人員Marek Wasilewski做實(shí)驗(yàn)時(shí)在分離器內(nèi)部添加元件，發(fā)現(xiàn)反錐原件對(duì)分離器性能有較大的提升作用，但是在提升效率的同時(shí)也會(huì)承受壓力降[9]。

文章根據(jù)目前旋風(fēng)分離器在選礦作業(yè)中存在的結(jié)構(gòu)不合理、能耗偏高等問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化，建立旋風(fēng)分離器模型，通過(guò)CFD仿真軟件對(duì)其內(nèi)部顆粒進(jìn)行數(shù)值模擬研究。根據(jù)得出的模擬結(jié)果，分析在不同的情況下，不同顆粒從不同入口進(jìn)入后的運(yùn)動(dòng)軌跡差異以及優(yōu)化后的旋風(fēng)分離器的分離性能，為旋風(fēng)分離器的設(shè)計(jì)、理論創(chuàng)新、仿真提供參考。

1 旋風(fēng)分離器仿真模型

分析普通旋風(fēng)分離器的普遍缺陷，適當(dāng)增加或減少旋風(fēng)分離器排氣管的插入深度，對(duì)不同尺寸結(jié)構(gòu)的分離器進(jìn)行仿真對(duì)比。

1.1 建立旋風(fēng)分離器模型

旋風(fēng)分離器正交網(wǎng)格如圖1所示，多塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格密度高，與其他網(wǎng)格相比，其形狀更美觀，迭代次數(shù)更少，誤差范圍更小，數(shù)值模擬的精度也得到了提高。

1.2 仿真參數(shù)

采用控制變量法進(jìn)行仿真，不同參數(shù)設(shè)置仿真出的結(jié)果也有所差異，主要表現(xiàn)在最大靜壓力、最大動(dòng)壓力、最大速度、顆粒流失比例等方面。即在保證其他條件不變的情況下，改變分離器排氣管形狀，分析排氣管形狀對(duì)分離器效率的影響。流場(chǎng)及顆粒參數(shù)設(shè)置如表1所示。

所有參數(shù)設(shè)置完畢后，開(kāi)始進(jìn)行仿真計(jì)算。等待計(jì)算步驟全部結(jié)束，得出普通分離器的計(jì)算結(jié)果。

2 改進(jìn)旋風(fēng)分離器仿真結(jié)果

分析普通旋風(fēng)分離器的普遍缺陷，利用軟件對(duì)不同尺寸結(jié)構(gòu)的分離器進(jìn)行仿真對(duì)比，得出不同的排氣管形狀對(duì)分離器內(nèi)壁受到的壓力及磨損大小、分離效果等因素的影響。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在分離器的圓錐部位受到的磨損最為嚴(yán)重?？刹捎酶淖兤渑艢夤芙Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法，將圓柱形排氣管設(shè)計(jì)成圓錐形，從仿真結(jié)果來(lái)看避免了應(yīng)力集中，一定程度上減輕了旋風(fēng)分離器使用過(guò)程中圓錐部位磨損嚴(yán)重的問(wèn)題，且對(duì)其分離效率并無(wú)太大影響。當(dāng)顆粒進(jìn)口速度為70m/s時(shí)，旋風(fēng)分離器排氣管的動(dòng)壓、靜壓、速度云圖如圖2所示。

由圖2可以看出，將排氣管由圓柱形改為圓錐形之后，在相同的條件下，顆粒對(duì)分離器的磨損程度在減小，圓錐形排氣管受到的壓力比圓柱形排氣管更加均勻，修改后的分離器在排氣管最底部的壓力明顯減小。在一定程度上避免了應(yīng)力集中，也就相應(yīng)減少了顆粒對(duì)管壁的磨損，提高了分離器的使用壽命。

3 結(jié)語(yǔ)

文章對(duì)現(xiàn)有的旋風(fēng)分離器進(jìn)行了較為詳細(xì)的仿真模擬分析。對(duì)圖像進(jìn)行分析，得出分離器內(nèi)壁承受壓力較大的部位，承受壓力較大也就是磨損最為嚴(yán)重的部位，針對(duì)這一部位的結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)改變分離器入料口處排氣管的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出圓錐形排氣管，并且也對(duì)該種排氣管進(jìn)行模擬，建立模型、畫(huà)網(wǎng)格、計(jì)算速度、壓力場(chǎng)得出云圖，結(jié)合仿真模擬得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。從仿真與分析結(jié)果來(lái)看，修改后的分離器在排氣管最底部的壓力明顯減小。與原旋風(fēng)分離器排氣管云圖對(duì)比可得，顆粒對(duì)分離器的磨損程度在減小。將排氣管由圓柱形改為圓錐形之后，對(duì)分離器內(nèi)壁的磨損也有很大改善，對(duì)提升分離器的使用壽命具有一定意義。

參考文獻(xiàn)

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