基于計算顆粒流體力學的旋風分離器結構優(yōu)化

趙峰，孫明興，郝哲峰，車德勇

（1．華能伊春熱電有限公司，黑龍江省 伊春市 153000； 2．東北電力大學能源與動力工程學院，吉林省 吉林市 132000）

0 引言

由于旋風分離器內部不存在運動附件，具有能耗小、故障率低以及易維護等特點，因此被能源行業(yè)大量使用[1-8]。但旋風分離器工作時，內部氣體和固體顆粒同時流動，使得內部流動特性十分復雜，特別是在入口顆粒體積分數較大的工況下，實際運行情況和理論設計相差甚遠，因此，通過數值模擬手段了解內部兩相流運動情況，對優(yōu)化分離器性能是十分必要的。

目前，已有學者對旋風分離器內部流動特點進行了研究，如陳俊冬等[9]采用CFD軟件對旋風分離器分離性能進行了分析，結果發(fā)現(xiàn)芯管深度會影響分離效率；王帥等[10]采用LES-DEM耦合方法研究旋風分離器內氣固兩相流動特性，結果表明，顆粒在壁面附近因速度下降而被捕捉；張峰等[11]采用FLUENT軟件對褐煤干燥過程中旋風分離器的內部流場進行數值模擬，研究了入口速度對分離性能的影響。然而以上研究并未對大量顆粒群在不同類型分離器中的運動特征進行深入分析，為此，本文以2種結構旋風分離器為研究對象，采用計算顆粒力學理論模型對分離器內部氣固兩相流的流動特點進行模擬分析，以期為實際工程中旋風分離器的選型與優(yōu)化提供參考。

1 數值方法

Barracuda是一款大型氣體顆粒流化床反應器模擬軟件，主要基于計算顆粒流體力學(computational particle fluid dynamics，CPFD)數值方法，適用于計算量較大的兩相流工程仿真。CPFD方法是Snider[12]最先提出來的，運用歐拉?拉格朗日耦合求解方式來解決流體中顆粒三維運動的高效求解問題。與其他多相流數值方法不同的是，CPFD方法在求解過程中提出了“顆粒團”概念，即將一定數量同類特征的實際顆粒進行打包，形成計算顆粒。計算顆粒在流場中受到重力、摩擦力和顆粒相互碰撞作用力，氣體相和顆粒相運動通過各自的控制方程完成求解，在這個過程中對應氣體的控制方程[13]為

式中：θg為氣體體積分數；ρg為氣體密度；υg為氣體流動速度；τg為氣相應力張量；Sg為氣體源項；P為氣壓；g為重力加速度；F為兩相之間的黏性力，表示為

式中：μg為氣相動力黏度；rp為顆粒半徑；υp為顆粒速度；ρp為顆粒密度；f為概率分布函數；fb為由曳力模型決定的系數；m為質量。

本文中曳力模型是Wen-Yu/Ergun模型[14-15]，其通過Wen-Yu模型與Ergun模型進行線性變換得到，因此由曳力模型決定的系數fb可表示為

式中：θcp為顆粒處于壓實狀態(tài)的體積分數；θp為顆粒在流化過程中的體積分數；fw、fe通過Wen-Yu模型和Ergun模型計算獲取。

在計算顆粒碰撞時，采用的顆粒法向應力為

式中：Ps為大于0的常數；γ為模型的自有系數，取值范圍為[1.2, 5]；ε為構建的一個小量，用于消除模型中奇異點。

2 計算條件

圖1為原始直線型、改造后的螺旋型2種結構的旋風分離器，均由直筒段、圓錐段和集料斗3部分組成。直筒段直徑為0.80 m，高度為0.78 m，上出口直徑為0.40 m；圓錐段高度為0.82 m，錐口直徑為0.20 m；集料斗上端直徑為0.50 m，直段長度為0.20 mm，下料口直徑為0.20 m。含顆粒氣流以8 m/s速度從入口進入，入口顆粒體積分數為20%，粒徑分布為0.1~1 m正態(tài)分布，顆粒經過旋風分離器的作用，大部分顆粒從集料斗下料口排出。本文采用Barracuda軟件進行仿真計算，計算所需的物性參數如表1所示。

圖1 2種不同結構的旋風分離器 Fig. 1 Two different types of cyclone separators

表1 物性參數 Tab. 1 Physical and numerical parameters

3 結果分析

3.1 顆粒運動情況

圖2為同一邊界條件下不同結構的分離器內部顆粒速度分布情況。含顆粒氣流進入分離器后，大部分顆粒在離心力的作用下緊貼壁面，使得顆粒速度快速下降，當大量顆粒累積后，由于重力作用，這部分顆粒貼壁下落，最終進入集料斗中；有小部分顆粒進入分離器中心區(qū)域，這部分顆粒在上升氣流的作用下從上端出口排出。

圖2 顆粒速度分布情況 Fig. 2 Particle velocity distribution

從圖2可以看出，2種結構對應的顆粒速度分布情況相差不大。通過對比2種結構中的顆粒運動情況可以發(fā)現(xiàn)，直線型分離器的右側低顆粒濃度區(qū)域較大；而螺旋分離器的改進可以在不改變顆粒運動規(guī)律的前提下對空白區(qū)域進行優(yōu)化，使得設備材料成本降低，同時節(jié)省使用空間，便于生產現(xiàn)場其他管路集中布置。

圖3為不同高度截面上的顆粒體積分數分布情況。通過對比可知，2種結構在入口中心水平截面上的顆粒體積分數分布規(guī)律相同，入口附近體積分數較大，且顆粒分布較均勻。進入直筒段后，離心力作用致使壁面附近顆粒體積分數較大，靠近中心區(qū)域顆粒體積分數較小，但直筒段位置上螺旋型分離器入口中心水平截面上的顆粒體積分數相對集中。這是由于這些區(qū)域受到Y軸方向上螺旋壁面約束，強制顆粒大量集中到螺旋上壁面。在直筒段下半部分區(qū)域的截面上，直筒段的高濃度顆粒區(qū)域水平跨度較大，容易造成顆粒充斥低濃度空間，導致分離效率降低，這一現(xiàn)象在圓錐段同樣表現(xiàn)明顯。因此，在同等尺寸條件下，螺旋型分離器能夠使顆?？焖偌?，這樣分離效率也比較穩(wěn)定。

圖3 顆粒體積分數分布情況 Fig. 3 Particle volume fraction distribution

3.2 氣相速度分布特點

圖4 為2種結構中心截面上的氣相速度分布情況，可以看出，2種結構在直筒段附近均出現(xiàn)氣相低速區(qū)域。結合圖3的顆粒體積分數分布特點可以發(fā)現(xiàn)，這些區(qū)域對應顆粒密集區(qū)域，大量顆粒的聚集占據了氣體空間，同時阻礙氣流運動，使得這些區(qū)域氣流速度快速下降。對比2種結構 流速分布特點可知，直線型分離器在截面兩側均存在這種氣相低速區(qū)域，同時也驗證了圖3中顆粒體積分數跨度較大的特點。而螺旋型分離器僅在單側局部區(qū)域氣流速度較低，結合顆粒體積分數分布特點可知，其他氣流速度較高區(qū)域的顆粒體積分數也較低，說明顆粒的聚集性能較好，有利于分離。

圖4 中心截面上的氣相速度分布 Fig. 4 Air velocity distribution on the central section

圖5為3個水平截面上的氣相速度分布情況，可以看出，2種結構的中心區(qū)域氣相速度分布規(guī)律基本相似，均呈現(xiàn)氣流速度較大的特點；在圓錐段上，直線型分離器的氣流低速區(qū)域更接近于圓環(huán)形。

圖5 3個水平截面上的氣相速度分布 Fig. 5 Air velocity distribution on three horizontal sections

圖6 為直筒段和圓錐段交接處直徑方向上的氣相速度分布曲線，其中，x方向垂直于入口面，y方向平行于入口面。通過對比2種結構的分離器可知，螺旋型分離器x、y方向上的平均速度都高于直線型分離器；直線型分離器x、y方向速度變化規(guī)律基本一致，而螺旋型分離器因受到螺旋面的影響，其x、y方向速度分布規(guī)律差異明顯。

圖7為垂直中心線上的氣相速度分布曲線，可以看出，從集料斗到上端出口的中心線上，氣相速度不斷上升，2種結構的分離器中心線上出口段氣相速度先快速上升然后下降。結合圖4可知，2種結構出口段均存在氣流高速區(qū)，但是螺旋段對應的高速區(qū)域平均速度較高。同時在圖6中也可以發(fā)現(xiàn)，螺旋型分離器x方向上存在明顯氣流速度變化，這是由于這種結構存在一個螺旋面，造成直筒段的空間較小，在進氣量相同、出口尺寸不改變的前提下，縮小分離器內部空間，會直接影響出口段的氣流速度。

圖6 直徑方向上的氣相速度分布曲線 Fig. 6 Air velocity distribution curve in diameter direction

圖7 垂直中心線上的氣相速度分布曲線 Fig. 7 Air velocity distribution curve on vertical centerline

4 結論

以旋風分離器為研究對象，采用CPFD方法研究了不同結構的直筒段對氣固兩相流運動的影響，結論如下：

1）直線型和螺旋型分離器內顆粒速度分布情況基本一致，但直線型分離器中存在較大的低顆粒濃度區(qū)域，同時在圓錐段，氣相低速區(qū)域呈圓環(huán)形分布。

2）螺旋型分離器顆粒體積分數分布較集中，氣流速度較高區(qū)域對應的顆粒體積分數較小，有利于顆粒分離。

3）在同等外觀尺寸的情況下，螺旋型分離 器直筒段空間較小，使得其直筒段的平均氣流 速度高于直線型分離器，導致其出口氣流速度 較大。