渦旋管分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其性能影響的數(shù)值研究

湯浩，李麗，畢云棟，許立

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

渦旋管分離器由旋風(fēng)分離器演化而來(lái)，又稱(chēng)軸流旋風(fēng)分離器，與傳統(tǒng)的旋風(fēng)分離器相比，其體積小、安裝容易、成本與維修成本低.渦旋管分離器一般在分離微小顆粒的工作環(huán)境中使用，在分離過(guò)程中，氣流夾雜著固體小顆粒軸向進(jìn)入渦旋管分離器，在旋流葉片處，固體顆粒在慣性力的作用下，沿著慣性旋流管，從灰塵口排出，其余的氣體經(jīng)過(guò)集氣管，由集氣口流出，進(jìn)行二次過(guò)濾或直接排放[1].

自1969年渦旋管分離器被兩家公司合作實(shí)驗(yàn)研究并用于直升機(jī)的過(guò)濾裝置以來(lái)，國(guó)內(nèi)外開(kāi)始了對(duì)渦旋管分離器的研究，并將其應(yīng)用到軍、工、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，現(xiàn)在渦旋管分離器在直升機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣防護(hù)、煙草過(guò)濾、醫(yī)藥、生物等行業(yè)中都有應(yīng)用.隨著研究流體力學(xué)軟件的日趨成熟與人們對(duì)過(guò)濾裝置的需求，渦旋管分離器的研究也被人們重視起來(lái)[2-3].楊漢杰等[4]對(duì)車(chē)載燃?xì)廨啓C(jī)的砂塵分離器進(jìn)行數(shù)值模擬，建立了一套試驗(yàn)系統(tǒng)與數(shù)值模擬的結(jié)構(gòu)，通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比得到渦旋管的設(shè)計(jì)方案，試驗(yàn)結(jié)果基本達(dá)到進(jìn)氣防護(hù)的要求.萬(wàn)兵兵[5]通過(guò)氣液兩相流歐拉法對(duì)渦旋管分離器結(jié)冰情況進(jìn)行數(shù)值模擬，并結(jié)合冰風(fēng)洞試驗(yàn)證明該方法正確有效.林秀麗等[6]研究了在不同的風(fēng)速下，旋風(fēng)分離器葉片間距,旋轉(zhuǎn)角度及排塵間隙對(duì)阻力和切向速度的影響，為軸流旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)提供了依據(jù).邱良燕[7]采用正交設(shè)計(jì)和響應(yīng)曲面法對(duì)影響軸向旋流分離器性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了探討，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證.

本文主要研究渦旋管分離器葉片角度、灰塵口大小、葉片后端軸長(zhǎng)度、葉片軸直徑對(duì)分離效率與總壓損失的影響.

1 計(jì)算模型及模擬方法

1.1 計(jì)算模型

本文研究的渦旋管分離器，其幾何模型如圖1所示，主要由慣性旋流管、旋流葉片、集氣管組成.

使用ICEM軟件繪制渦旋管分離器計(jì)算域模型，這里采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)在45萬(wàn)左右.

1.2 性能參數(shù)

分離效率η是衡量渦旋管分離器的最重要參數(shù)指標(biāo)為：

(1)

總壓損失也是衡量渦旋管分離器的參數(shù)指標(biāo)之一，總壓為靜壓和動(dòng)壓之和.

Δp0=p01-p02

(2)

p0=p+(1/2)ρu2

(3)

式中：Δp0為總壓損失；p01為進(jìn)口處總壓；p02為主流出口處總壓；p為靜壓；(1/2)ρu2為動(dòng)壓；ρ為密度；u為速度.

在渦旋管分離器中的總壓損失較大的地方一般位于氣流碰撞到葉片處、旋流葉片流道內(nèi)、橫截面積變化較大處.

1.3 模擬方法

流體流動(dòng)遵循守恒定律，包括質(zhì)量、能量和動(dòng)量守恒定律[8].

質(zhì)量守恒方程又稱(chēng)連續(xù)方程，其方程為：

(4)

能量守恒方程為：

(5)

動(dòng)量守恒方程在x、y、z三個(gè)方向?yàn)椋?/p>

(6)

(7)

(8)

式中，t為時(shí)間；u為速度矢量；u、v、w為u在x、y、z方向的分量；T為時(shí)間；cp為比熱容；k為傳熱系數(shù)；ST為粘性耗散項(xiàng)；τxx、τxy、τxz是粘性應(yīng)力τ的分量；FX、Fy、Fz是微元體的體力.

目前計(jì)算多相流有兩種方法，歐拉-拉格朗日方程和歐拉-歐拉方程.本文采用基于歐拉-拉格朗日方程的離散項(xiàng)(DPM)模型來(lái)計(jì)算多相流.在離散項(xiàng)(DPM)模型中，顆粒作為離散相，流體作為連續(xù)相，這里離散相占比小于10%，因此在計(jì)算過(guò)程中，不考慮粒子間的作用力，顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡都是獨(dú)立的[9].

顆粒沿X方向平衡方程為：

(8)

(9)

在平衡方程中：up為粒子速度；FD為粒子單位質(zhì)量曳力；gx為X方向重力加速度；ρp為粒子密度；Fx為其他作用力；μ為流體粘性；CD為曳力系數(shù)；Re為相對(duì)雷諾系數(shù)；dp為粒子直徑大小.

1.4 初始條件和邊界條件設(shè)置

邊界條件主要設(shè)定為：工況環(huán)境為一個(gè)大氣壓，渦旋管分離器入口設(shè)置為壓力入口、逃逸(escape)邊界，空氣出口為壓力出口,表壓-500 Pa、逃逸(escape)邊界，灰塵口為壓力出口，表壓-500Pa、捕獲(trap)邊界.慣性旋流管壁面、旋流葉片、集氣管壁面均為反射(reflect)邊界.

顆粒相中，顆粒的直徑為10 μm，定義顆粒形狀為球形[1]，密度為1 550 kg/m3，設(shè)定顆粒均勻分布在壓力入口截面，該截面有3 553個(gè)網(wǎng)格，假設(shè)從同個(gè)網(wǎng)格進(jìn)入的顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡一樣，假設(shè)質(zhì)量流量為5×10-8kg/s，共模擬了1.7×105個(gè)真實(shí)粒子的軌跡.

1.5 仿真工況設(shè)定

在四個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合的工況中，通過(guò)每次只改變參數(shù)中的一個(gè)，可以得出每個(gè)參數(shù)對(duì)分離效率和總壓損失的影響，仿真模擬的各工況如表1所示.

表1 仿真結(jié)構(gòu)參數(shù)表

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 葉片旋轉(zhuǎn)角度對(duì)性能的影響

比較第Ⅰ組中試驗(yàn)號(hào)為1、2、3的數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)值模擬得出葉片旋轉(zhuǎn)角度對(duì)總壓損失與分離效率的影響，如圖2所示.從圖中看出旋流葉片的旋轉(zhuǎn)角度由160°增大到180°，總壓損失逐漸增大，分離效率也逐漸增大，當(dāng)葉片角度為180°時(shí)，總壓損失達(dá)到125.27 Pa.這是由于葉片旋轉(zhuǎn)角度增大時(shí)，渦旋管內(nèi)葉片處的氣流流過(guò)的通道彎曲程度增大，使氣流與葉片的碰撞作用力也隨之增大，導(dǎo)致了較大的總壓損失.

圖2 三種葉片角度的總壓損失與分離效率

2.2 灰塵口大小對(duì)性能的影響

比較第Ⅱ組中試驗(yàn)號(hào)為4、5、6的數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)值模擬得出灰塵口大小對(duì)分離效率和總壓損失的影響，如圖3所示.從圖中看出灰塵口由1.5mm增大到2.5 mm，總壓損失逐漸增大，分離效率逐漸增大，變化率達(dá)到了6%，同時(shí)，總壓損失達(dá)到了188.76Pa.這是由于灰塵口變大，通過(guò)灰塵口的流量增大，則通過(guò)集氣口的流量變小，速度變小，從而動(dòng)壓變小，同時(shí)集氣口靜壓不變，則集氣口總壓p02變小.在分離器入口總壓p01不變的情況下，則總壓損失Δp0增大.并且由于灰塵口增大，捕獲的粒子數(shù)量增加，從而分離效率增大.

圖3 三種灰塵口大小的總壓損失與分離效率

2.3 葉片后端軸長(zhǎng)對(duì)性能的影響

比較第Ⅲ組中試驗(yàn)號(hào)為7、8、9的數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)值模擬得出葉片后端軸長(zhǎng)對(duì)分離效率和總壓損失的影響，如圖4所示.從圖中可以看出葉片后端軸長(zhǎng)度增大，總壓損失增長(zhǎng)較小，從103.62Pa增大到107.46 Pa，分離效率先增大至97.1%后減小至95.2%.這是因?yàn)槿~片后端軸長(zhǎng)度影響了粒子在軸末端到灰塵口的運(yùn)動(dòng)軌跡，適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度有利于粒子向灰塵口移動(dòng)，提高分離效率.總壓損失略微增大，是因?yàn)槿~片軸變長(zhǎng)，增加了一定的沿程損失.

圖4 三種后端軸長(zhǎng)度的總壓損失與分離效率

2.4 葉片軸直徑對(duì)性能的影響

比較第Ⅳ組中試驗(yàn)號(hào)為10、11、12的數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)值模擬得出葉片軸直徑對(duì)分離效率和總壓損失的影響，如圖5所示.從圖中可以看出葉片軸直徑由3 mm增大到4 mm，總壓損失增大2.71 Pa，分離效率先由94.4%增大至95.1%后幾乎不變，這說(shuō)明葉片軸直徑的大小對(duì)渦旋管分離器的性能影響較小.

圖5 三種葉片軸直徑的總壓損失與分離效率

2.5 模擬結(jié)果分析

以試驗(yàn)號(hào)6為例，從模擬結(jié)果中可以得知，灰塵口的大小對(duì)分離效率和總壓損失的影響是最大的，當(dāng)灰塵口的大小為2.5 mm時(shí)，其分離效率達(dá)到了98.2%，但是總壓損失也是最大的，達(dá)到了188.76 Pa，這說(shuō)明增大灰塵口提高了分離效率，但也增加了總壓損失.

渦旋管分離器內(nèi)流域速度矢量分布如圖6所示.由圖中可以看出速度較大的地方分布在靠近旋流葉片、灰塵口和集塵口處.靠近旋流葉片處的速度較大是葉片使氣流受到離心力，從而速度增加，灰塵口和集氣口處速度較大是由于出口通流截面積較小.

圖6 速度矢量分布云圖

顆粒路徑圖能夠更直觀的觀察粒子在渦旋管分離器中的運(yùn)動(dòng)路徑，如圖7所示.從圖中可以看出，粒子從入口進(jìn)入，與螺旋葉片發(fā)生碰撞，并在離心力的作用下，貼在慣性旋流管的內(nèi)壁向出口運(yùn)動(dòng)，粒子大部分從灰塵口排出，極少數(shù)從集氣口逃逸.

圖7 粒子路徑圖

3 結(jié)論

本文以渦旋管分離器為模型，結(jié)合數(shù)值模擬分析方法，分別改變渦旋管分離器的葉片角度、灰塵口大小、葉片后端軸長(zhǎng)度和葉片軸直徑，得到渦旋管分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)總壓損失與分離效率的影響.

數(shù)值模擬結(jié)果表明，旋流葉片的旋轉(zhuǎn)角度增大20°，總壓損失由100.09 Pa增大到125.27 Pa，分離效率由90.4%增大到94%；灰塵口增大1mm，總壓損失由62.05 Pa增大到188.76 Pa，分離效率由92.2%增大到98.2%；葉片后端軸長(zhǎng)度增大5 mm，總壓損失由103.62Pa增大到107.46Pa，分離效率先由94.5%增大至97.1%后減小至95.2%；葉片軸的直徑增大1 mm，總壓損失由106.87 Pa增大到109.58 Pa，分離效率由94.4%增大至95.1%后變化很小.其中，灰塵口大小對(duì)總壓損失和分離效率的影響較大，葉片旋轉(zhuǎn)角度、葉片后端軸長(zhǎng)、葉片軸的直徑增大對(duì)總壓損失和分離效率的影響較小.

本文只對(duì)渦旋管分離器的部分結(jié)構(gòu)參數(shù)做出數(shù)值分析，今后還可以對(duì)工作環(huán)境等參數(shù)做出研究.