旋風(fēng)分離器顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律的數(shù)值模擬研究

羅 驍 ， 徐茂欽 ， 張 麗 ， 梅 靜

（四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，四川 瀘州 646000）

0 引言

旋風(fēng)分離器是一種利用離心捕集原理實(shí)現(xiàn)氣固分離的設(shè)備，它被廣泛應(yīng)用于石油、化工、能源、環(huán)保等領(lǐng)域[1-2]。雖然人們運(yùn)用旋風(fēng)分離器的歷史已有百余年，但由于其內(nèi)部為各向異性的三維強(qiáng)旋流流場，致使顆粒在其內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)極其復(fù)雜[3-5]。這為旋風(fēng)分離器的設(shè)計(jì)制造、結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和改進(jìn)帶來了很大困難。因此，研究顆粒在旋風(fēng)分離器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是相當(dāng)有必要的。但在以往的研究中，研究者們往往是針對旋風(fēng)分離器的內(nèi)部流場、入口高寬比、錐體的錐角等進(jìn)行研究[6-8]，且都是將顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律單獨(dú)出來分析[9-13]，沒有充分考慮氣相流場對顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的影響，缺乏可靠性和完整性。本文通過數(shù)值模擬的方法研究了旋風(fēng)分離器內(nèi)二次流的類型和成因，以及顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡與進(jìn)口位置、粒徑和二次流的關(guān)系。

1 數(shù)值模擬研究

1.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)臺旋風(fēng)分離器尺寸建立模型，旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)如圖1所示，幾何尺寸如表1所示，計(jì)算模型如圖2所示。采用ICEM CFD 14.5進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了提高網(wǎng)格質(zhì)量和計(jì)算速度，采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對壁面、內(nèi)外漩渦交界處等流速變化劇烈的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格數(shù)為520 445，劃分結(jié)果如圖3所示。

表1 旋風(fēng)分離器的幾何尺寸 mm

圖1 旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)

圖2 旋風(fēng)分離器計(jì)算模型

圖3 網(wǎng)格劃分結(jié)果

1.2 邊界條件及物性參數(shù)設(shè)置

采用Fluent 14.5進(jìn)行旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場的模擬，旋風(fēng)分離器的進(jìn)口采用速度入口（velocity-inlet），排灰口設(shè)置為壁面邊界（wall），升氣管設(shè)置為自由流出口（outflow）。流體介質(zhì)設(shè)置為空氣，密度為1.225kg/m3，動(dòng)力黏度為1.789 4×10-5Pa·s，顆粒密度為2 748.4 kg/m3，進(jìn)口流量為20m3/h。氣相流場的模擬采用雷諾應(yīng)力模型（RSM），對流項(xiàng)采用QUICK格式，壓力梯度項(xiàng)采用PRESTO插補(bǔ)格式，計(jì)算方法采用SIMPLEC算法。氣固兩相流場的模擬采用基于歐拉—拉格朗日方法的離散相模型（DPM），采用基于隨機(jī)軌道模型的隨機(jī)游走模型（DRW）描述湍流擴(kuò)散引起的顆粒運(yùn)動(dòng)。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 二次流分析

旋風(fēng)分離器內(nèi)部的流場主要由內(nèi)外旋流組成，但其中還夾雜了一些二次流。二次流的存在會改變主流場的結(jié)構(gòu)，對顆粒的分離極其不利。因此，分析二次流的形式有助于顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究。圖4為X=0截面的總速度矢量圖，圖5為圖4的局部放大圖。

圖4 X=0截面的總速度矢量圖

圖5 局部二次流

圖5（a）為附著在排氣管外壁的貼壁環(huán)流。這是由于內(nèi)部上升旋流有少部分沒有進(jìn)入排氣管，與外部向下的旋流在此處交匯，進(jìn)而形成貼壁環(huán)流。貼壁環(huán)流的主要危害是擠壓頂部氣流，加劇頂灰環(huán)的形成。

圖5（b）為排氣管附近的短路流和縱向渦流。旋風(fēng)分離器排氣管入口處的壓力較低，因此對外部旋流會產(chǎn)生一定的吸引作用，當(dāng)外部旋流下行至排氣管入口處時(shí)，靠近排氣管管壁的這部分氣流便形成短路流。短路流會導(dǎo)致部分顆粒不經(jīng)過分離而直接排出，從而降低分離效率?？v向渦流的成因主要是外部旋流受到短路流的排擠，并與內(nèi)部旋流交匯?？v向渦流會導(dǎo)致排氣管附近的顆粒積聚到排氣管上，從而得不到很好的分離。

圖5（c）為筒體和錐體連接處的縱向渦流，當(dāng)外部下行旋流由筒體過渡到錐體時(shí)，因截面減小，外旋流向內(nèi)旋流擠壓，使得內(nèi)部渦核發(fā)生擺動(dòng)，如圖4所示。由此造成內(nèi)外旋流交界區(qū)的擾動(dòng)，形成內(nèi)外旋流間的縱向渦流，這種縱向渦流會引起顆粒在內(nèi)外旋流間竄動(dòng)，增加分離難度。

圖5（d）為錐體底部的偏心環(huán)流，錐體底部是外旋流向內(nèi)旋流發(fā)展的轉(zhuǎn)折處，運(yùn)動(dòng)劇烈而復(fù)雜，偏心環(huán)流的形成主要是由于渦核的擺動(dòng)。錐體底部的偏心環(huán)流會使顆粒堆積在排灰管入口處，不利于顆粒的收集。

2.2 顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

本文主要研究入口位置和粒徑對顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響，選擇1mm、2mm和3mm分別代表細(xì)微顆粒、小顆粒、大顆粒，分別從入口下部、中部和上部進(jìn)入旋風(fēng)分離器，計(jì)算顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖6、圖7、圖8所示。

2.2.1 入口位置對顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響

從圖6中可以看出，從入口下部進(jìn)入旋風(fēng)分離器的顆粒容易受短路流、縱向渦流和偏心環(huán)流的影響。由于入口位置過低，一部分顆粒進(jìn)入分離器后來不及到達(dá)筒壁，加之靠近排氣管入口，很容易被短路流帶出分離器。一部分顆粒也因?yàn)楂@得的動(dòng)能較低，受離心力作用較小而不能迅速到達(dá)筒壁，在到達(dá)分離器中段和錐體下部時(shí)幾乎完全喪失動(dòng)能，受縱向渦流和偏心環(huán)流的作用被卷入內(nèi)部旋流，進(jìn)入內(nèi)部旋流后獲得動(dòng)能又被甩出內(nèi)旋流，如此往復(fù)，致使顆粒在分離器內(nèi)滯留太久，不利于顆粒的分離。

圖6 不同粒徑顆粒從入口下部進(jìn)入分離器后的運(yùn)動(dòng)軌跡

圖7 不同粒徑顆粒從入口中部進(jìn)入分離器后的運(yùn)動(dòng)軌跡

圖8 不同粒徑顆粒從入口上部進(jìn)入分離器后的運(yùn)動(dòng)軌跡

從圖7中可以看出，從入口中部進(jìn)入分離器時(shí)，顆粒主要受縱向渦流的作用。與下部進(jìn)入的顆粒不同，中部進(jìn)入分離器的顆粒能夠獲得較大的動(dòng)能，雖然也會受縱向渦流影響出現(xiàn)內(nèi)外旋流交替運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，但交替次數(shù)較少，顆粒能夠更多地參與分離作用，因此，更利于顆粒的分離。

從圖8中可以看出，入口位置升高，顆粒能獲得更多動(dòng)能，但由于靠近頂部，加上貼壁環(huán)流的影響，顆粒下行受限，從而長時(shí)間滯留在分離器頂部，這也是頂灰環(huán)形成的主要原因。此外，貼壁環(huán)流還會將顆粒引向短路流，對顆粒的分離極其不利。

2.2.2 粒徑對顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響

結(jié)合圖6、圖7、圖8分析可知：細(xì)微顆粒由于質(zhì)量很小，所受離心力不足以克服曳力，受空氣的粘帶作用較強(qiáng)，幾乎處于跟隨空氣一起運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，因此，受四種二次流的影響均較大。大顆粒質(zhì)量較大，受到的離心力較大，能夠克服曳力迅速到達(dá)筒壁并沿壁面下行，是比較理想的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，但仍然會受到偏心環(huán)流和短路流的影響。小顆粒的質(zhì)量介于細(xì)微顆粒和大顆粒之間，因此，運(yùn)動(dòng)情況也介于兩者之間。小顆粒雖然能夠在離心力的作用下向壁面靠近，但不能迅速到達(dá)壁面，因此，在筒體下部以及錐體中容易受縱向渦流和偏心環(huán)流的作用，從而在內(nèi)外旋流間交替運(yùn)動(dòng)，呈現(xiàn)出較為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡。

3 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬的方法，研究了旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場和顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律，得到以下結(jié)論：

1）通過數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比可知，采用雷諾應(yīng)力模型（RSM）和離散相模型（DPM）能夠較好地模擬旋風(fēng)分離器內(nèi)氣相流場和氣固兩相流場。

2）旋風(fēng)分離器中的氣相流場極其復(fù)雜，除了由內(nèi)外旋流組成的主流場外，還存在一些二次流，分別為排氣管外壁的貼壁環(huán)流、排氣管管口處的短路流和縱向渦流、筒體和錐體連接處的縱向渦流以及錐體底部的偏心環(huán)流。

3）入口位置偏低時(shí)，顆粒容易受短路流、縱向渦流和偏心環(huán)流的影響；入口位置升高后，顆粒主要受縱向渦流的作用；入口位置過高，顆粒受短路流和貼壁環(huán)流的作用較大。入口位置過低和過高均不利于顆粒的分離。

4）大顆粒的運(yùn)動(dòng)最簡單，主要受到偏心環(huán)流和短路流的影響；小顆粒的運(yùn)動(dòng)最復(fù)雜，受縱向渦流和偏心環(huán)流的作用較大；細(xì)微顆粒的運(yùn)動(dòng)介于大顆粒和小顆粒之間，受四種二次流的影響均較大。