新型旋流分離器的數(shù)值模擬研究

邱良燕 戴石良、3 李貝貝 王昂

1 南華大學(xué)土木工程學(xué)院

2 核能與核安全國家示范型國際科技合作基地

3 湖南核三力技術(shù)工程有限公司

現(xiàn)有的氣固分離裝置按分離原理可分為重力沉降分離，慣性碰撞分離，旋風(fēng)離心分離，磁分離以及超聲波分離[1]。其中旋風(fēng)分離器因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無其他運(yùn)動(dòng)部件等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中大受推崇，然而其對(duì)小粒徑顆粒物分離效率不佳，因此多作為初級(jí)分離設(shè)備應(yīng)用于實(shí)際工程中[2]。但旋風(fēng)分離器一般入口為矩形狀，不易融于原有管道，且存在能耗大、分離效率低等缺點(diǎn)，為改善上述缺點(diǎn)，國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)及分離原理展開了深入的研究[3]。

現(xiàn)階段工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)分離裝置的要求不僅限于滿足低能耗、高分離效率，更要貼合實(shí)際要求，本文基于旋風(fēng)分離器與渦旋管分離器結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，提出一種全新結(jié)構(gòu)的軸向旋流分離器，在不破壞原有管道的基礎(chǔ)上，能達(dá)到對(duì)含塵氣流中的絕大部分顆粒物進(jìn)行初分離，減少顆粒物對(duì)主管道的磨損，延長(zhǎng)二級(jí)分離設(shè)備的壽命。

1 新型旋流分離器

1.1 結(jié)構(gòu)及分離原理

新型軸向旋流分離器主要由進(jìn)氣管、集塵室、排氣管、中心軸、螺旋葉片（4 片）組成，具體幾何結(jié)構(gòu)和固定尺寸見圖1 及表1。其分離原理同樣利用固體顆粒物在圓管內(nèi)受螺旋葉片的導(dǎo)向作用做離心力運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到氣固分離，但與旋風(fēng)分離器不同的是潔凈后的氣體與分離出來的固體顆粒物速度方向垂直，即互不影響，極大程度上能改善旋風(fēng)分離器中固體顆粒物“二次返流”現(xiàn)象。且集塵室端傾斜、光滑的內(nèi)壁能加快分離后固體顆粒物的匯集。因此新型軸向旋流分離器無論是從結(jié)構(gòu)上還是分離理論上均作了創(chuàng)新，以期其能達(dá)到低能耗及高分離效率要求。

圖1 新型分離器結(jié)構(gòu)示意圖

表1 新型分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 網(wǎng)格劃分

因新型分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)為螺旋葉片，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此采用結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)的四面體網(wǎng)格劃分。首先為了減少網(wǎng)格對(duì)模擬計(jì)算結(jié)果的影響，對(duì)網(wǎng)格無關(guān)性進(jìn)行檢驗(yàn)，劃分了4 種數(shù)量不同的單元網(wǎng)格：62 萬、85萬、101 萬、120 萬，并對(duì)不同網(wǎng)格數(shù)量的初始模型進(jìn)行數(shù)值模擬，所得阻力特性曲線如圖2。

圖2 不同網(wǎng)格數(shù)對(duì)阻力特性的影響

從圖2 中可以看出，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量超過101 萬時(shí)，阻力特性曲線幾近重合。模擬數(shù)據(jù)結(jié)果表明：101 萬網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果與120 萬網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果相差小于1%。此時(shí)可以認(rèn)為網(wǎng)格數(shù)量101 萬對(duì)計(jì)算結(jié)果沒有影響，已經(jīng)達(dá)到網(wǎng)格無關(guān)性要求，綜上，最終選擇101 萬的畫法為最佳網(wǎng)格畫法。

1.3 邊界條件設(shè)置

氣相參數(shù)設(shè)置：空氣，溫度為300 K；采用速度入口12 m/s，氣相出口設(shè)為outflow。離散相參數(shù)設(shè)置參照文獻(xiàn)[17]：AC 粗砂，密度為2650 kg/m3。忽略砂塵之間的碰撞影響，選取隨機(jī)軌道模型進(jìn)行計(jì)算。Rosin-Rammler 分布，平均直徑為42.4 μm，擴(kuò)散因子n 為1.0513。

湍流模型的選擇參考文獻(xiàn)[17] 采用標(biāo)準(zhǔn)K-ε 模型，SIMPLE 算法，結(jié)合二階格式進(jìn)行壓力插值，離散相二階迎風(fēng)格式，提高計(jì)算精度。

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 響應(yīng)曲面法

本文擬采用響應(yīng)曲面法[18]結(jié)合CFD 數(shù)值模擬方法，對(duì)以下3 個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)：螺距S，軸徑H 及集塵室上端傾斜高度T 進(jìn)行最優(yōu)水平組合，確定各無量綱結(jié)構(gòu)參數(shù)的水平取值范圍如表2；對(duì)其進(jìn)行分別建模、數(shù)值模擬計(jì)算。最終得到結(jié)果如表3：

表2 因素取值范圍

表2 計(jì)算結(jié)果

表3 響應(yīng)曲面優(yōu)化設(shè)計(jì)回歸方程方差分析

采用響應(yīng)曲面優(yōu)化設(shè)計(jì)方法開展多元回歸擬合分析，將表2 中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Design-Expert 軟件中建立目標(biāo)函數(shù)歐拉數(shù)Eu 和分離效率η 分別與A、B、C 的二次多項(xiàng)式響應(yīng)面回歸方程，如式（1）和式（2）所示，并對(duì)回歸方程進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4 所示。

從表3 可知，葉片螺距對(duì)新型分離器歐拉數(shù)和分離效率的影響極為顯著，為進(jìn)一步得到各因素對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響規(guī)律，繪制曲面圖3、4?？梢钥闯?，歐拉數(shù)與分離效率均隨葉片螺距S 的增大而下降。隨著軸徑H 增大，分離效率提高，歐拉數(shù)也增高，這是因?yàn)檩S徑變大，管內(nèi)流域減小，同等流量下，管內(nèi)局部速度增大，歐拉數(shù)增高。而集塵室上端的傾斜高度T 越大，則會(huì)導(dǎo)致分離效率下降，歐拉數(shù)增大，這是因?yàn)閮A斜高度的增大，集塵室端空間變大，氣流從進(jìn)氣端進(jìn)入集塵室時(shí)速度衰減變大，阻力損失增大。

圖3 不同因數(shù)對(duì)歐拉數(shù)Eu 的響應(yīng)曲面

在進(jìn)行分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)既要考慮其分離效率也要考慮其壓降損失最低，根據(jù)以上響應(yīng)曲面結(jié)果分析可得出最優(yōu)水平組合為A=1.5，B=0.25，C=0.20；此時(shí)分離效率為95.24%，歐拉數(shù)為3.58。

圖4 不同因數(shù)對(duì)歐拉數(shù)η 的響應(yīng)曲面

2.2 設(shè)計(jì)前后對(duì)比

優(yōu)化前后尺寸詳見表4，進(jìn)一步將最佳模型與初始模型進(jìn)行對(duì)比分析，得表5：

表4 優(yōu)化尺寸參數(shù)（D=200 mm）

表5 模型預(yù)測(cè)值與CFD 模擬值

由表5 可知：Design Expert 軟件的預(yù)測(cè)值與CFD的模擬值的誤差在6%以內(nèi)，說明基于響應(yīng)曲面法的模型預(yù)測(cè)值與CFD 模擬值吻合度較高；相比于初始模型尺寸，優(yōu)化模型犧牲了小部分能耗來提高分離效率，使得分離效率與阻力損失兩者平衡。

3 最終模型特性分析

3.1 氣相流場(chǎng)研究

對(duì)優(yōu)化后的模新型分離器模型進(jìn)行氣相模擬，并截取Y=0 mm 中分面處及Z=195 mm 葉片處的速度及總壓等值線分布云圖，如圖5～8。

圖5 Y=0 mm 截面處總壓等值線分布圖

由總壓分布云圖5 和圖7 可知，進(jìn)氣管葉片處的總壓分布云圖呈中心軸有很好的對(duì)稱性。越靠近葉片中心處的總壓越大，即氣流在葉片處收到擠壓，壓力增大。且新型分離器內(nèi)總壓的衰減處在葉片處，還有集塵室與排氣管的起始段，這些都是引起壓力損失的主要部件。從速度分布云圖6 及圖8，可以明顯看出，總壓分布于速度分布云圖有一定的對(duì)應(yīng)性，新型分離器內(nèi)壓力大的地方，其氣流速度也大。且由于新型分離器集塵室端為異形管，不規(guī)則，導(dǎo)致其壓力及速度分布不均勻，引起與排氣管段連接處有小渦流出現(xiàn)。

圖6 Y=0 mm 截面處速度等值線分布圖

圖7 Z=195 mm 截面處總壓等值線分布圖

圖8 Z=195 mm 葉片處速度等值線分布圖

3.2 分離效率的研究

進(jìn)一步對(duì)新型分離器的分離性能分析，首先分析不同氣流速度下，新型分離器阻力損失與分離效率的變化趨勢(shì)，得到圖9。從圖9 中可以看出：總壓損失隨著進(jìn)氣速度的增加而增加，總體趨勢(shì)呈二次曲線增加。新型分離器對(duì)AC 粗塵的分離效率也隨進(jìn)氣速度的增加而增大，這是由于隨著入口速度的增大，粉塵顆粒受到的離心慣性力逐漸增大，更容易甩向壁面達(dá)到氣固分離的效果。當(dāng)進(jìn)氣速度大于10 m/s 時(shí)，分離效率增加的趨勢(shì)變緩。

圖9 速度對(duì)新型分離器的性能參數(shù)影響

選取氣流速度12 m/s 時(shí)，新型分離器對(duì)于不同粒徑顆粒物的分離效率，得到圖10。從圖10 中可以看出：隨著粒徑的增大，起初新型分離器的分離效率效率迅速增加。新型分離器對(duì)小粒徑顆粒物的分離效率至少能達(dá)到50%以上，對(duì)于10 μm 分離效率能達(dá)到74.52%。其對(duì)于大粒徑顆粒物（20 μm 左右）的分離效率能達(dá)到95%以上，即新型分離器作為一初級(jí)分離裝置，對(duì)于一般的顆粒物分離效率滿足基本要求。

圖10 新型分離器的分級(jí)效率曲線

4 結(jié)論

1）葉片螺距增大，新型分離器的歐拉數(shù)與分離效率均減小。軸徑增大，新型分離器的歐拉數(shù)與分離效率均增大。集塵室傾斜高度增大，新型分離器的歐拉數(shù)增大，分離效率反而減小。

2）優(yōu)化設(shè)計(jì)得出最佳水平組合為：A=1.5，B=0.25，C=0.2，分離效率為95.24%，歐拉數(shù)為3.58。

3）新型分離器對(duì)20 μm 以上的顆粒物基本能達(dá)到完全分離器，分離效率高達(dá)95%。對(duì)于1 μm 的顆粒物其分離效率也至少能達(dá)到50%以上，作為初級(jí)分離設(shè)備基本能夠分離氣流中大部分顆粒物，極大地減輕了二級(jí)分離設(shè)備的負(fù)擔(dān)。

4）綜上，基于該新型分離器的結(jié)構(gòu)及分離原理的創(chuàng)新均具有參考意義，對(duì)之后分離器的設(shè)計(jì)創(chuàng)新，提供了新思路。