旋風(fēng)分離器入口上側(cè)收縮角對(duì)流場(chǎng)影響研究

劉崗輝，王衛(wèi)兵，喻俊志，韓帥

（1.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832003；2.中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所復(fù)雜系統(tǒng)管理與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190）

旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作維護(hù)方便，能夠在高溫、高壓、高顆粒質(zhì)量濃度等苛刻工況下長(zhǎng)期連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行[1]，因此，旋風(fēng)分離器在氣固分離領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但是，旋風(fēng)分離器的內(nèi)部流場(chǎng)是復(fù)雜的強(qiáng)旋轉(zhuǎn)湍流流動(dòng)，氣流旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)極大的不穩(wěn)定性和湍流強(qiáng)烈的方向差異性導(dǎo)致旋風(fēng)分離器的實(shí)際分離過程非常復(fù)雜[2]。

旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)的變化都會(huì)對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響顆粒的分離性能[3]。旋風(fēng)分離器入口作為其重要組成部分，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究。王璐等[1]研究了蝸殼式旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)的非穩(wěn)態(tài)特性，發(fā)現(xiàn)蝸殼包角大于270°以后，純氣相流場(chǎng)中的旋進(jìn)渦核（PVC）現(xiàn)象基本消失。Zhao[4]、Lim[5]和李紅[6]等分別對(duì)單入口雙進(jìn)氣道旋風(fēng)分離器、雙入口旋風(fēng)分離器和不同入口高寬比的旋風(fēng)分離器進(jìn)行了研究，入口結(jié)構(gòu)的優(yōu)化均提高了旋風(fēng)分離器的分離效率，但是雙入口和入口高寬比較大的旋風(fēng)分離器壓降也增大。何宏舟等[7]對(duì)入口下傾旋風(fēng)分離器進(jìn)行了仿真，結(jié)果顯示螺旋下傾入口結(jié)構(gòu)改善了流體的入口壓縮現(xiàn)象，提高了對(duì)細(xì)小顆粒的分離效率。蘭江[8]提出在旋風(fēng)分離器入口設(shè)置多層管排，研究發(fā)現(xiàn)多層管排入口結(jié)構(gòu)改變了入口區(qū)域的顆粒相及氣體質(zhì)量流量的分布，增加了氣體與壁面的接觸面積，使壓降升高5%，但是，切向速度高于傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器，改善了旋風(fēng)分離器的分離性能。Qian 等人[9]對(duì)不同入口截面角旋風(fēng)分離器的分離效率和內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明入口截面角雖然提高了顆粒分離效率，但卻破壞了旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)的對(duì)稱性。杜慧娟等[10]研究了入口側(cè)面收縮角度對(duì)旋風(fēng)分離器分離性能的影響，研究結(jié)果表明當(dāng)入口流量一定時(shí)，切向速度隨著收縮角度的增大而增大，分離效率先逐漸升高再逐漸下降，但是氣流場(chǎng)的不對(duì)稱性隨入口收縮角的增大而增大。

綜上所述，入口結(jié)構(gòu)的優(yōu)化雖然可以提高顆粒的分離效率，但是也可能在一定程度上增加內(nèi)部流場(chǎng)的不對(duì)稱性。本文將杜慧娟等[10]設(shè)置在旋風(fēng)分離器入口側(cè)面的收縮角設(shè)置在入口上側(cè)，希望在改善旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)對(duì)稱性的同時(shí)提高分離效率。

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 旋風(fēng)分離器模型

本文以Lapple 型旋風(fēng)分離器為基礎(chǔ)，并在其旋風(fēng)分離器入口上側(cè)設(shè)置收縮角。為了將收縮角參數(shù)與柱段直徑D相聯(lián)系，采用入口收縮高度m表征收縮角度的大小，入口收縮高度越大收縮角度越大。改進(jìn)后的旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)及其示意見表1和圖1。坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置在旋風(fēng)分離器頂板幾何中心，且向上為正。

表1 旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)參數(shù) 單位：mmTab.1 Structural parameters of the cyclone separator

1.2 計(jì)算模型

采用ICEM 對(duì)旋風(fēng)分離器進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，并對(duì)邊界網(wǎng)格加密，第1 層網(wǎng)格厚度0.55 mm，得到大約3.5×105個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)格劃分質(zhì)量較好，可以滿足計(jì)算要求。

由于旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)是三維強(qiáng)旋流流動(dòng)，所以在使用Fluent 軟件仿真時(shí)采用摒棄了各向同性渦黏性假設(shè)的雷諾應(yīng)力（reynolds stress model，RSM）模型[11-14]。旋風(fēng)分離器入口采用速度入口（velocity Inlet），速度為16 m/s，氣相流體為常溫空氣，密度為1.225 kg/m3，動(dòng)力黏度為1.789 4×10-5kg/(m·s)，水力直徑為6.67×10-2m，湍流強(qiáng)度為3.946%。認(rèn)為出口處流體充分發(fā)展，設(shè)置為自由出流（outflow）。壁面設(shè)置為無(wú)滑移邊界條件，近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理。壓力速度耦合格式選用SIMPLEC，壓力插補(bǔ)格式選用 PRESTO!，動(dòng)量離散格式選用QUICK，雷諾應(yīng)力離散格式選用一階迎風(fēng)，湍動(dòng)能和湍流耗散率離散格式選用二階迎風(fēng)。

2 可靠性驗(yàn)證

2.1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)

為了排除網(wǎng)格數(shù)量對(duì)Fluent 軟件仿真結(jié)果的影響，將Lapple 旋風(fēng)分離器模型劃分為1.5×105、2.0×105、2.5×105、3.0×105、3.5×105和4.0×105這6 種不同的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)。圖2 對(duì)比了6 種不同網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)在Y=0 截面上Z=-0.2 m 處的切向速度分布。由圖2 可以看出，切向速度仿真結(jié)果都呈現(xiàn)出組合渦結(jié)構(gòu)，且隨著網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加切向速度逐漸趨于穩(wěn)定，3.5×105和4.0×105這2 種網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)量下的切向速度基本重合。由于在保證仿真結(jié)果準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上應(yīng)盡量減少網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)量以節(jié)約計(jì)算資源，最終確定網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)量為3.5×105。

圖2 網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)量對(duì)切向速度的影響Fig.2 Effect of the number of grid node on tangential velocity

2.2 模擬結(jié)果準(zhǔn)確性檢驗(yàn)

在網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上，為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，將Lapple 型旋風(fēng)分離器的模擬結(jié)果與王晨雯[2]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖3 所示。由圖3 可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果變化趨勢(shì)相同并且有部分重合點(diǎn)，說明模擬結(jié)果準(zhǔn)確性較高，模擬結(jié)果可信。

圖3 模擬與實(shí)驗(yàn)切向速度對(duì)比Fig.3 Comparison of tangential velocity between simulation and experiment

3 結(jié)果與討論

3.1 壓降分析

壓降是評(píng)價(jià)旋風(fēng)分離器性能的重要指標(biāo)，降低壓降是眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究目標(biāo)之一。旋風(fēng)分離器內(nèi)導(dǎo)致壓力降低的阻力主要由入口阻力、分離空間內(nèi)氣流摩擦動(dòng)能阻力和出口阻力三部分組成[15]。圖4 對(duì)比了不同入口收縮高度時(shí)的壓降。由圖4 可以看出，壓降隨著入口收縮高度的增大而增加。這可能是由于壓降大致與入口速度的平方成正比[16]，在入口設(shè)置收縮角后，入口截面逐漸變小，對(duì)入口氣流有一定的加速作用，導(dǎo)致壓降增加。

圖4 入口收縮高度對(duì)壓降的影響Fig.4 The effect of inlet necking height on pressure drop

3.2 靜壓分析

圖5 和圖6 分別為旋風(fēng)分離器Y=0 截面和Y=0截面上Z=-0.2 m 處的靜壓分布。由圖5 和圖6 可以看出：靜壓由壁面向中心逐漸減小；入口收縮高度對(duì)旋風(fēng)分離器軸線附近靜壓分布影響較小，對(duì)近壁面區(qū)域影響較大；隨著入口收縮高度的增大近壁面區(qū)域的靜壓增加明顯，軸線附近靜壓分布的對(duì)稱性得到改善，特別是旋風(fēng)分離器的下部（圖5 中矩形所示區(qū)域）。

圖5 旋風(fēng)分離器Y=0 截面靜壓分布Fig.5 Contours of static pressure of cyclone separator in Y=0 section

圖6 旋風(fēng)分離器Z=-0.2 m 處?kù)o壓分布（Y=0 截面）Fig.6 Static pressure distribution of the cyclone separator in Z=-0.2 m (Y=0 section)

圖7 為中心軸線上的靜壓分布。由圖7 可以看出，隨著收縮高度的增大中心軸線上靜壓的波動(dòng)逐漸減小，并且在排塵口附近的負(fù)壓值逐漸變大，這有利于改善由于排塵口附近負(fù)壓區(qū)引起的顆粒返混現(xiàn)象[17]，提高顆粒分離效率。

圖7 旋風(fēng)分離器軸線上靜壓分布Fig.7 Static pressure distribution on axis of the cyclone separator

3.3 切向速度分析

旋進(jìn)渦核（PVC）是旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)的一種非穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象[18]，渦核在流場(chǎng)中做偏心擺動(dòng)，表現(xiàn)為旋風(fēng)分離器內(nèi)部強(qiáng)旋渦對(duì)稱流場(chǎng)的中心線與旋風(fēng)分離器幾何中心線的不重合[19]。圖8 為旋風(fēng)分離器切向速度在Y=0 截面上的分布。由圖8 可以看出，隨著收縮高度的增大流場(chǎng)的PVC 現(xiàn)象逐漸改善。

圖8 旋風(fēng)分離器Y=0 截面切向速度分布Fig.8 Contours of tangential velocity of the cyclone separator in Y=0 section

旋風(fēng)分離器的切向速度、軸向速度和徑向速度中，切向速度的數(shù)值較大。圖9為Y=0 截面上Z=-0.2 m 處的切向速度分布。

圖9 旋風(fēng)分離器Z=-0.2 m 處切向速度分布（Y=0 截面）Fig.9 Distribution of tangential velocity of the cyclone separator in Z=-0.2 m (Y=0 section)

由圖9 可以看出：優(yōu)化前后的旋風(fēng)分離器流場(chǎng)都呈現(xiàn)出有利于顆粒分離的組合渦結(jié)構(gòu)，切向速度先由壁面向中心逐漸增大，在約0.6De處達(dá)到最大值，而后又逐漸減小；切向速度分布呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)且隨著入口收縮高度的增大而增大。旋風(fēng)分離器內(nèi)顆粒所受離心力隨著切向速度的增大而增大，分離效率也隨之提高[20]。

3.4 短路流量分析

旋風(fēng)分離器頂板下的環(huán)形空間內(nèi)存在自內(nèi)壁面流向排氣管外壁的次級(jí)流動(dòng)，這部分氣流會(huì)夾帶未分離顆粒沿著排氣管外壁向下流動(dòng)，最終直接從排氣管流出，稱之為短路流[21]。短路流夾帶的顆粒在旋風(fēng)分離器分離空間中停留的時(shí)間較短，會(huì)顯著降低顆粒的分離效率[22]。目前，短路流的計(jì)算方法主要有徑向速度積分法和軸向速度積分法2 種，由于徑向速度分布較為復(fù)雜并且數(shù)值較小，故本文采用軸向速度積分法計(jì)算短路流量。其中，積分截面在軸向位置上的確定是準(zhǔn)確計(jì)算短路流量的關(guān)鍵，而該截面的確定主要依賴研究者的經(jīng)驗(yàn)，Xue 等人[23]認(rèn)為積分截面存在于排氣管末端下方0.25D處。

圖10 為不同入口收縮高度時(shí)排氣管下方軸向位置的下行質(zhì)量流量。由圖10 可以看出：下行流量在排氣管末端下方15 mm 范圍內(nèi)快速降低，主要是由于在此區(qū)域的氣流沒有隨下行流沿內(nèi)壁面向下運(yùn)動(dòng)，而是直接從排氣管流出，形成了短路流；下行流量在后一段軸向范圍內(nèi)基本保持穩(wěn)定是由于此范圍內(nèi)的短路流現(xiàn)象基本消失；最后下行流量又隨軸向位置的下移逐漸降低是因?yàn)椴糠窒蛳碌耐庑鬓D(zhuǎn)變成了向上的內(nèi)旋流。所以，確定積分截面在排氣管末端下方15 mm 處。

圖10 入口收縮高度對(duì)軸向位置下行流量的影響Fig.10 The effect of inlet necking height on downward mass flow in the axial position

圖11 為不同入口收縮高度時(shí)短路流量占入口流量的百分比。從圖11 可以看出，入口收縮角的設(shè)置有利于改善短路流現(xiàn)象，這可能是由于氣流在進(jìn)入帶收縮角的旋風(fēng)分離器時(shí)就具備了向下的初始軸向速度，更容易穿過短路流區(qū)域，可以提高旋風(fēng)分離器的分離效率。

圖11 入口收縮高度對(duì)短路流的影響Fig.11 The effect of inlet necking height on short circuit flow

4 結(jié)論

1）旋風(fēng)分離器內(nèi)增加入口收縮角后入口截面逐漸減小，在相同的入口流量下，入口速度比Lapple型旋風(fēng)分離器大，因此壓降增加。但是，入口收縮角結(jié)構(gòu)改善了氣相流場(chǎng)的PVC 現(xiàn)象，增大了切向速度，有利于提高顆粒分離效率。旋風(fēng)分離器入口收縮高度大于0.20D以后氣相流場(chǎng)的PVC 現(xiàn)象改善已不明顯，而壓降仍持續(xù)增大，所以認(rèn)為旋風(fēng)分離器的最佳收縮高度為0.20D。

2）入口帶收縮角的旋風(fēng)分離器與Lapple 型旋風(fēng)分離器相比，近壁面區(qū)域的靜壓增加明顯，排塵口附近的靜壓增加，靜壓分布的對(duì)稱性得到改善，并且中心軸線上的靜壓波動(dòng)變小，有利于改善顆粒返混現(xiàn)象。

3）入口收縮角沒有改變短路流發(fā)生的區(qū)域，積分截面都在排氣管末端下方15 mm 處，并且入口收縮角結(jié)構(gòu)可以顯著降低短路流量。這對(duì)改善旋風(fēng)分離器的分離效率具有重要意義，入口收縮角對(duì)顆粒分離效率的影響還需要進(jìn)一步的研究。