旋風(fēng)分離器內(nèi)置導(dǎo)流葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究

為研究旋風(fēng)分離器內(nèi)置導(dǎo)流葉片各個結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的相互作用，基于CFD數(shù)值模擬方法和BBD試驗(yàn)設(shè)計(jì)，采用二階多項(xiàng)式基函數(shù)建立了Stairmand旋風(fēng)分離器的葉片軸向位置、葉片長度及葉片偏轉(zhuǎn)角度與分離效率及壓降間的數(shù)學(xué)模型。擬合結(jié)果表明：響應(yīng)目標(biāo)的決定系數(shù)均在0.99以上，表明相關(guān)性和回歸模型效果較好。使用Design Expert軟件處理數(shù)據(jù)后選擇了最佳推薦點(diǎn)，對分離器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化后的模型與原結(jié)構(gòu)對比結(jié)果如下：優(yōu)化模型的壓降略有上升；顆粒直徑在1～20 μm范圍內(nèi)時，優(yōu)化前后分離器的分離效率變化明顯，尤其在1～15 μm范圍內(nèi)時，優(yōu)化前分離效率為6.8%～31.0%，優(yōu)化后則達(dá)到了17.0%～54.0%，提升約20個百分點(diǎn)；而當(dāng)粒徑在15～40 μm區(qū)間時，優(yōu)化前后的分離效率變化不明顯，尤其是在粒徑20～40" μm時，優(yōu)化前的分離效率為71.0%～98.0%，而優(yōu)化后的分離效率只有77%～99%，提升約10個百分點(diǎn)；優(yōu)化后的模型性能符合“高效低阻”的設(shè)計(jì)目標(biāo)。所得結(jié)論可為旋風(fēng)分離器內(nèi)置葉片的改進(jìn)提供設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

旋風(fēng)分離器；Fluent；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；響應(yīng)面法；BBD試驗(yàn)設(shè)計(jì)；分離效率

TE926

A

012

Optimization on Structural Parameters of Guide

Vanes Built in Cyclone Separators

Zeng Yun¹ Chen Mi¹ Wei Ke² Li Meiqiu¹ Li Weiwei³ Dong Jining³

（1.School of Mechanical Engineering，Yangtze University；2.Shandong Natural Gas Pipeline Co.，Ltd.;3.Shandong Weiyuan Technology Co.，Ltd.）

In order to study the interaction among structural parameters of the guide vanes built in cyclone separator，based on CFD numerical simulation method and BBD test design，a second-order polynomial basis function was used to build a mathematical model for the relationships among the axial position，length and deflection angle of the blade，the separation efficiency and the pressure drop of the Stairmand cyclone separator.The fitting results show that the determination coefficients of the response target are all above 0.99，indicating a good effect of correlation and regression model.Moreover，after having processed the data using Design Expert software，the best recommendation point was selected to conduct optimization on the structure of the separator.The comparison between the optimized model and the original structure reveals that the pressure drop of the optimized model slightly increases.When the particle diameter is within the range of 1-20 μm，there is a significant change in the separation efficiency of the separator before and after optimization，especially within the range of 1-15 μm，the separation efficiency is 6.8%-31.0% before optimization，and reaches 17.0%-54.0% after optimization，an improvement of about 20 percentage points.When the particle diameter is within the range of 15-40 μm，there is no significant change in separation efficiency before and after optimization，especially within the range of 20-40 μm，the separation efficiency is 71.0%-98.0% before optimization，and reaches 77%-99% after optimization，an improvement of about 10 percentage points.The performance of the optimized model conforms to the design goal of “high efficiency and low resistance”.The study conclusions provide design guidance for the improvement of the guide vanes built in the cyclone separator.

cyclone separator；Fluent；structural optimization；response surface method；BBD test design；separation efficiency

0 引 言

旋風(fēng)分離器作為鉆井平臺固控系統(tǒng)中的重要設(shè)備，利用氣流的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力來分離氣流中的顆粒。與濾膜法、重力沉降等分離設(shè)備相比，旋風(fēng)分離器因其性能穩(wěn)定、分離效率高、結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于環(huán)保及油氣處理等領(lǐng)域^［1-2］。長久以來，國內(nèi)外學(xué)者致力于旋風(fēng)分離器的性能研究，其中以經(jīng)典的Stairmand旋風(fēng)分離器為主要研究對象。Stairmand分離器內(nèi)部主要分為外旋流和內(nèi)旋流2部分，除此之外還有短路流、偏心環(huán)流等二次流現(xiàn)象，內(nèi)部流場較為復(fù)雜，對分離效率的影響較大。針對分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)與操作參數(shù)的優(yōu)化研究較多，具體有：封躍鵬等^［3］將傳統(tǒng)出口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成帶夾層的結(jié)構(gòu)，使從入口進(jìn)入的氣流加速旋轉(zhuǎn)，改善了流場狀況，提高了分離效率；解凱等^［4］基于標(biāo)準(zhǔn)Stairmand型旋風(fēng)分離器，設(shè)計(jì)了2種外導(dǎo)流管式旋風(fēng)分離器，優(yōu)化了分離器內(nèi)二次渦的分布；趙新學(xué)等^［5］基于CFD模擬研究了旋風(fēng)分離器顆粒出口直徑對其壁面磨損的影響，研究發(fā)現(xiàn)，隨著顆粒出口直徑的減小，分離空間壁面的磨損增加，在圓錐底部磨損增加程度最大；付烜等^［6］采用數(shù)值模擬方法，研究不同入口形式對旋風(fēng)分離器分離效率的影響，研究發(fā)現(xiàn)，分離器在環(huán)形管入口處的分離效率略高于兩側(cè)入口的分離效率，壓降損失降低了25%；凌光磊等^［7］探究了旋風(fēng)分離器蝸殼半徑對分離性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，隨著蝸殼半徑增大，分離效率逐漸提高，并且蝸殼半徑增大，物料分離性能越好；趙洋等^［8］針對分離器入口面積對旋風(fēng)分離器性能的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在進(jìn)氣流量減小后，入口面積減小有利于提高分離器的分離效率。除了傳統(tǒng)的優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)與操作參數(shù)外，學(xué)者們對分離器內(nèi)部構(gòu)件的研究也越來越重視，并提出了創(chuàng)新性的結(jié)構(gòu)：楊昌智等^［9］在旋風(fēng)分離器內(nèi)部添加旋流葉片，研究發(fā)現(xiàn)，在入口速度較小時分離效率顯著提高，在入口速度較大時分割粒徑顯著減??；ZHANG S.等^［10］在分離器排塵口附近添加防混反錐，驗(yàn)證了防混反錐與排塵口的最佳距離為0.15倍的筒體直徑；梁嘉豪等^［11］則在分離器進(jìn)口處設(shè)置導(dǎo)流板，研究表明，分離器的分離效率明顯提高。與此同時，國內(nèi)外許多學(xué)者針對分離器內(nèi)部構(gòu)件的不同結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究。但大多數(shù)都是僅針對單一因素進(jìn)行研究，未將其他影響因素綜合考慮，在實(shí)際工程意義上仍有欠缺。

響應(yīng)面法是一種將試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)學(xué)建模相結(jié)合的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，通過在局部范圍內(nèi)的代表性試驗(yàn)點(diǎn)上進(jìn)行試驗(yàn)，可以全局?jǐn)M合設(shè)計(jì)變量和響應(yīng)目標(biāo)之間的函數(shù)關(guān)系^［12］。并且，響應(yīng)面法考慮了試驗(yàn)的隨機(jī)誤差，將復(fù)雜未知的函數(shù)關(guān)系在一定的試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)用簡單的多項(xiàng)式模型來擬合，計(jì)算簡便^［13-14］。本文在已有的內(nèi)置導(dǎo)流葉片的旋風(fēng)分離器基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面法建立了葉片軸向位置、葉片長度及葉片偏轉(zhuǎn)角度與壓降和分離效率之間的數(shù)學(xué)模型，基于模型對不同參數(shù)之間的耦合進(jìn)行了研究，進(jìn)而對旋風(fēng)分離器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以期為內(nèi)置導(dǎo)流葉片的旋風(fēng)分離器設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

1 旋風(fēng)分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理

在經(jīng)典旋風(fēng)分離器中，氣流在其內(nèi)部被分為速度較快的外旋流和速度較慢的內(nèi)旋流。分離器在分離過程中，會出現(xiàn)部分粗顆粒被卷入速度較慢的內(nèi)旋流的情況。當(dāng)部分粗顆粒被卷入內(nèi)旋流后，較低的切向速度無法提供足夠的離心力使顆粒擺脫向上的螺旋氣流，從而隨著細(xì)顆粒被帶出排氣口，造成不充分分離。同時，在圓錐體的下端存在偏心環(huán)流的現(xiàn)象，這會導(dǎo)致已被分離至排塵口的粗顆粒重新被卷入內(nèi)旋流。

為了阻擋部分粗顆粒被卷入內(nèi)旋流中，并使顆粒在分離器內(nèi)部的停留時間延長，同時使其內(nèi)部的氣壓分布具有更好的對稱性，削弱底部偏心環(huán)流和旋渦擺尾對分離效率的影響，這里對Stairmand旋風(fēng)分離器添加了內(nèi)置旋流葉片，將導(dǎo)流葉片置于內(nèi)外旋交界面之間（54.87～67.30 mm），距溢流管下端50 mm處?；跅畈堑?sup>［9^］提出的內(nèi)置導(dǎo)流葉片深入研究葉片參數(shù)的選取。同時，考慮到過大的葉片偏轉(zhuǎn)角度和葉片厚度會使壓降大幅增大，此處初選葉片偏轉(zhuǎn)角度為10°，葉片厚度為2 mm。葉片數(shù)量會影響分離器對氣體的導(dǎo)流效果，初選葉片數(shù)量為4個。具體生成過程及尺寸如圖1所示。

2 數(shù)值模擬

2.1 連續(xù)相方程

采用CFD方法研究旋風(fēng)分離器的分離特性。數(shù)值模擬所采用的連續(xù)性方程如下：

N-S方程為：

式中：u、u′分別為流體時均速度和脈動速度，m/s；u_i和u_j為速度分量，m/s;ρ為流體密度，kg/m³；p為壓力，Pa；x_i和x_j為坐標(biāo)分量，m；μ為動力黏度，Pa·s；g為重力加速度，m/s²；u′_iu′_j為雷諾應(yīng)力分量。

動量守恒方程如下：

式中：u、v和w分別為流體在t時刻在點(diǎn)（x、y、z）處的速度分量，m/s；f_x、f_y、f_z為控制體各方向上的質(zhì)量力，m/s²。

2.2 湍流方程

由于雷諾應(yīng)力在湍流流動中具有明顯的各向異性，所以在旋風(fēng)分離器的數(shù)值模擬中采用雷諾應(yīng)力模型（RSM）。該模型對旋風(fēng)分離器具有強(qiáng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的問題研究具有較高精度。雷諾應(yīng)力輸運(yùn)方程如下：

式中：D_i，j為擴(kuò)散項(xiàng)，Pa/s;p_i，j為應(yīng)力產(chǎn)生項(xiàng)，Pa/s;G_i，j為浮力產(chǎn)生項(xiàng)，Pa/s;φ_i，j為壓力應(yīng)變再分配項(xiàng)，Pa/s;ε_i，j為離散項(xiàng)，Pa/s;F_i，j為旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生項(xiàng)，Pa/s;S_user為自定義源項(xiàng)，Pa/s。

2.3 多相流模型

對于多相流問題，主要采用歐拉-歐拉方法和歐拉-拉格朗日方法，考慮所研究的旋風(fēng)分離器中固相體積分?jǐn)?shù)不超過10%，因此選用歐拉-拉格朗日方法，也就是離散相模型（DPM）模擬。其顆粒運(yùn)動時的平衡方程為：

式中：m_p為顆粒質(zhì)量，kg；F_D 為顆粒所受曳力，N;u_p為顆粒速度，m/s;ρ_p為顆粒密度，kg/m³;d_p為顆粒直徑，m;Re為相對雷諾數(shù)；F為顆粒所受到的其他作用力，包括虛擬質(zhì)量力、薩夫曼升力、布朗力等，N。

在這里，粉煤灰為亞觀尺寸顆粒，因此需要考慮薩夫曼升力，而ρlt;ρ_p，虛擬質(zhì)量力可忽略。同時，由于DPM模型不考慮顆粒之間的相互作用力，顆粒所受的布朗力也可忽略。

2.4 參數(shù)設(shè)置及邊界條件

將旋風(fēng)分離器的入口邊界條件設(shè)置為速度入口，出口邊界條件設(shè)置為壓力出口。入射的流體為空氣。入口風(fēng)速設(shè)置為15 m/s，湍流強(qiáng)度為4%，入射顆粒為體積分?jǐn)?shù)小于5%的粉煤灰。由于顆粒對氣體流動的影響可以不計(jì)，所以采用基于歐拉-拉格朗日方法的DPM離散相模型模擬氣固兩相流動。旋風(fēng)分離器內(nèi)部流動較復(fù)雜，因此采用湍流脈動的隨機(jī)軌道模型^［15］。入射顆粒物粉煤灰的密度為1 850 kg/m³，顆粒的初始速度設(shè)置為與氣體速度相同為15 m/s。

2.5 網(wǎng)格劃分與無關(guān)性驗(yàn)證

由于內(nèi)置導(dǎo)流葉片處流域較為復(fù)雜，考慮網(wǎng)格劃分所需要的時間和模擬的計(jì)算精度，采用適應(yīng)性較好的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在網(wǎng)格數(shù)為53萬、58萬、60萬和68萬下進(jìn)行模擬，并選取某截面處切向速度進(jìn)行對比，以此進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出：網(wǎng)格數(shù)量對計(jì)算結(jié)果有顯著影響，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為53萬時，切向速度的分布明顯較平緩；當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為58萬時，切向速度分布在靠近中心位置，較前者已經(jīng)有較大差異；當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為60萬時，計(jì)算結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)量68萬的結(jié)果無太大差異。因此，可選擇60萬網(wǎng)格數(shù)作為離散標(biāo)準(zhǔn)。3 結(jié)構(gòu)參數(shù)響應(yīng)面優(yōu)化

3.1 單因素參數(shù)選擇

導(dǎo)流葉片上端到溢流管下端之間的距離為導(dǎo)流葉片的軸向位置，考慮到葉片軸向位置過小會使溢流管附近的“節(jié)流效應(yīng)”增強(qiáng)，選定軸向位置d=50～250 mm。葉片偏轉(zhuǎn)角度過大會使壓降增大并增加粗顆粒進(jìn)入內(nèi)旋流的概率，選定葉片偏轉(zhuǎn)角度α=10°～15°。旋風(fēng)分離器的溢流管下端距離排塵口為670 mm，用字母E來表示。選定葉片長度y=0.4E～0.6E，即268～402 mm之間。在不改變其他結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況的前提下，通過研究單因素參數(shù)對分離器分離性能的影響，進(jìn)而選取合適的參數(shù)范圍進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化。

圖3為不同軸向位置時的壓力云圖。由圖3可知，在不同軸向位置下，中心空氣柱均呈現(xiàn)較好的柱狀分布，外部輪廓明顯且無明顯彎曲。在緊靠溢流管的下端產(chǎn)生小范圍的收縮現(xiàn)象，這是因?yàn)樯闲械臍饬鲝膶?dǎo)流葉片上部出口流出時，管徑突然增大使此處的靜壓降低，從而導(dǎo)致氣體被壓縮。

圖4為不同葉片長度時的壓力云圖。由圖4可以看出：隨葉片長度的增大，分離器中心處負(fù)壓連續(xù)性逐漸下降；在葉片長度為268～301 mm時，中心處的負(fù)壓區(qū)均呈現(xiàn)出良好的連續(xù)性；當(dāng)葉片長度為335 mm時，負(fù)壓連續(xù)性變差，且最大負(fù)壓出現(xiàn)在溢流管下端區(qū)域。這是因?yàn)楫?dāng)導(dǎo)流葉片距離溢流管下端較大時，分離器內(nèi)的壓力差變大、湍流強(qiáng)度增強(qiáng)，在排塵口附近產(chǎn)生明顯擾動。

圖5為不同偏轉(zhuǎn)角度時的壓力云圖。由圖5可以看出：當(dāng)偏轉(zhuǎn)角度為13°時，最大靜壓值最小，且內(nèi)旋區(qū)和外旋區(qū)的壓差明顯，靜壓值從兩側(cè)中心處遞減；當(dāng)偏轉(zhuǎn)角度在10°～15°的范圍內(nèi)，負(fù)壓值隨角度增大而增大。這是因?yàn)閷?dǎo)流葉片的存在，兩葉片之間的縫隙處空間狹小，空氣氣流增大，從而使得靜壓值降低。

通過在局部范圍內(nèi)對具有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，分別選取葉片長度為268～301 mm，葉片軸向位置為100～250 mm，偏轉(zhuǎn)角度為12°～14°。

3.2 BBD試驗(yàn)設(shè)計(jì)

響應(yīng)面優(yōu)化方法是使用簡單的多項(xiàng)式模型擬合某個試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)的復(fù)雜未知函數(shù)關(guān)系。在試驗(yàn)條件范圍內(nèi)分析時，可以對不同水平的不同因素進(jìn)行連續(xù)分析，從而獲得準(zhǔn)確的最優(yōu)解^［16］。BBD設(shè)計(jì)在每個因素中取3個水平值，分別為0、-1、1，以（0，0，0）為中心點(diǎn)進(jìn)行編碼，-1和1分別代表每個因素的最大值和最小值。由于BBD設(shè)計(jì)的試驗(yàn)次數(shù)較少，且優(yōu)化得出的參數(shù)值不會超過參數(shù)的取值范圍，所以采用BBD方法進(jìn)行試驗(yàn)樣本點(diǎn)的設(shè)計(jì)。這里對葉片軸向位置、葉片長度、葉片偏轉(zhuǎn)角度3個結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化參數(shù)及范圍如表1所示。

采用Design-Expert軟件進(jìn)行試驗(yàn)點(diǎn)設(shè)計(jì)，共進(jìn)行15組數(shù)值模擬試驗(yàn)，如表2所示。設(shè)計(jì)變量分別為葉片軸向位置P1、葉片偏轉(zhuǎn)角度P2及葉片長度P3，目標(biāo)變量為壓降P4和分離效率P5。

通過這15組試驗(yàn)可以看出：當(dāng)設(shè)計(jì)變量同時發(fā)生變化時，分離效率最低值為64.94%，最高值為82.42%；而壓降最低值為719.5 Pa，最高值為763.8 Pa。由此可見，在邊界條件不變的情況下，分離效率和壓降均發(fā)生明顯變化，原因可能在于結(jié)構(gòu)參數(shù)對分離效率和壓降存在明顯影響。

3.3 基于kriging模型的響應(yīng)面擬合分析

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，采用kriging建立模型，其表達(dá)形式如下：

式中：x為維度為d的設(shè)計(jì)參數(shù)［x₁，x₂，…，x_d］；y（x）為多項(xiàng)式模型；z（x）為正態(tài)分布函數(shù)，其不獨(dú)立但同分布；f（x）為類似響應(yīng)面模型；m為多項(xiàng)式的數(shù)目。

將表2中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Design-expert軟件中，建立響應(yīng)目標(biāo)（分離效率和壓降）分別與P1（葉片軸向位置）、P2（葉片偏轉(zhuǎn)角度）及P3（葉片長度）的回歸方程，并對以分離效率和壓降為基礎(chǔ)建立的kriging模型進(jìn)行擬合分析^［17］。

為了驗(yàn)證回歸方程的預(yù)測精度，對其進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)分析，得到如表3所示的分析結(jié)果。表3中Y₁為壓降，Y₂為分離效率。

由表3可知，Y₁和Y₂的決定系數(shù)均在0.99以上，并且校正決定系數(shù)和預(yù)測決定系數(shù)這2個值高且接近（校正決定系數(shù)-預(yù)測決定系數(shù)＜2）。這表明相關(guān)性和回歸模型效果較好，擬合得到的回歸方程可以較好地滿足誤差的要求^［18］，預(yù)測的內(nèi)置導(dǎo)流葉片的旋風(fēng)分離器壓力損失模型與分離效率模型合理。

3.4 響應(yīng)面分析

為了直觀地分析幾何參數(shù)對性能目標(biāo)的影響，通過將其他參數(shù)設(shè)置為常量，將所研究的2個設(shè)計(jì)變量作為因變量，分析兩兩參數(shù)的交互作用以獲得最佳參數(shù)^［19］。這里根據(jù)回歸方程進(jìn)行葉片軸向位置、葉片偏轉(zhuǎn)角度、葉片長度3個因素的響應(yīng)曲面分析。

3.4.1 單因素對響應(yīng)目標(biāo)的影響

圖6為各單因素設(shè)計(jì)變量對目標(biāo)變量的影響。由圖6可以看出，分離器分離效率與壓降在各單因素變量之間均呈先上升后下降的趨勢，并且在達(dá)到頂端后，下降速度逐漸加快。如圖6a所示，分離效率及壓降均在P1為153.57 mm，即葉片距離溢流管底端為153.57 mm時達(dá)到最高，之后便呈下降趨勢；如圖6b所示，分離效率在P2（葉片偏轉(zhuǎn)角度）為13.14°時達(dá)到最大，而壓降則在P2為12.57°時達(dá)到頂峰，但總體來說P2對壓降的影響較微弱；如圖6c所示，分離器分離效率在P3為286.28 mm時達(dá)到最高，而壓降則在P3為281.71 mm時達(dá)到頂峰。

3.4.2 雙因素變量對響應(yīng)目標(biāo)的影響

圖7為不同雙變量對分離器壓降的影響規(guī)律。從圖7a、圖7c可以看出，P4隨著P1、P2和P3的增大呈先上升后下降的趨勢，但相比于P1和P3，P2對P4的影響較微弱，這與單因素分析中得出的結(jié)論一致。而從圖6b可以看出，隨著P1和P3不斷增加，壓降P4呈明顯的先上升后下降趨勢，這同樣與單因素分析中得出的結(jié)論一致。

圖8為不同雙變量對分離器分離效率的影響規(guī)律。從圖8a可以看出，當(dāng)P1不變時，隨著P2的增加，分離效率先升高后下降。當(dāng)葉片軸向位置增大，分離效率隨葉片偏轉(zhuǎn)角度增加的變化趨勢由快速上升后趨于平穩(wěn)逐漸變?yōu)槠骄徤仙罂焖傧陆?。從圖8b、圖8c可以看出，當(dāng)P1、P2保持不變時，隨著P3的增加，分離器分離效率逐漸升高達(dá)到頂峰后又呈下降趨勢，但相比于P1和P2，P3對P5的影響明顯較弱，這與前文單因素影響規(guī)律的結(jié)論一致。

3.5 優(yōu)化結(jié)果及驗(yàn)證

以“高效低阻”為設(shè)計(jì)目標(biāo)^［20］，需要考慮在滿足提高分離效率的同時保持壓降不大幅度升高。將分離效率和壓降的優(yōu)化比重均設(shè)置為1，以最大分離效率和最小壓降為優(yōu)化目標(biāo)。通過Design-expert軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在Solution中選擇最佳推薦點(diǎn)。經(jīng)過優(yōu)化后的設(shè)計(jì)變量取值為：P1（葉片軸向位置）=100 mm，P2（葉片偏轉(zhuǎn)角度）=14°，P3（葉片長度）=300 mm。優(yōu)化前、后旋風(fēng)分離器內(nèi)置導(dǎo)流葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表4所示。

為進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化后的性能得到提升，根據(jù)優(yōu)化所得設(shè)計(jì)變量的參數(shù)值進(jìn)行建模。在邊界條件不變的情況下，對比分析優(yōu)化前后的分離效率變化，結(jié)果如圖9所示。由圖9a可以看出，在粒徑為1～20 μm內(nèi)時，優(yōu)化前、后分離器的分離效率變化明顯，尤其在1～15 μm范圍內(nèi)時，優(yōu)化前分離效率為6.8%～31.0%，優(yōu)化后則達(dá)到了17.0%～54.0%，提升約20個百分點(diǎn)。而當(dāng)粒徑在15～40 μm內(nèi)時，優(yōu)化前、后的分離效率變化不明顯，尤其是在20～40 μm時，優(yōu)化前的分離效率為71%～98%，而優(yōu)化后的分離效率只有77%～99%，提升約10個百分點(diǎn)。

由圖9b可見，雖然內(nèi)置導(dǎo)流葉片的分離器壓降相比經(jīng)典Stairmand分離器略有上升，但相比于壓降升高，分離效率有更大幅度的提高，優(yōu)化所得參數(shù)仍符合“高效低阻”設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 結(jié)論及建議

（1）使用BBD方法設(shè)計(jì)進(jìn)行了15組試驗(yàn)，并驗(yàn)證了使用kriging模型建立的分離效率和壓降響應(yīng)面函數(shù)的擬合精度。結(jié)果表明，響應(yīng)目標(biāo)的相關(guān)系數(shù)均在0.99以上，并且回歸模型效果較好，回歸方程符合精度要求。

（2）內(nèi)置導(dǎo)流葉片的旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場相比經(jīng)典的Stairmand旋風(fēng)分離器更加穩(wěn)定，并且阻擋了部分粗顆粒被卷入內(nèi)旋流中，使顆粒在旋風(fēng)分離器內(nèi)部停留的時間延長，提高了分離效率。

（3）對建立的響應(yīng)面函數(shù)進(jìn)行了響應(yīng)面分析，結(jié)果表明，葉片軸向位置和葉片偏轉(zhuǎn)角度對分離效率的影響更加明顯，但葉片偏轉(zhuǎn)角度對壓降的影響較小，并且分離效率和壓降的變化趨勢均隨3個結(jié)構(gòu)參數(shù)的增大而先增大后減小。

（4）通過Design-expert軟件優(yōu)化，得到了旋流葉片的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，并進(jìn)一步驗(yàn)證得出：優(yōu)化后分離器的分離效率在粒徑為1～15 μm時得到明顯提高，相比于優(yōu)化前提高了約20個百分點(diǎn)。同時壓降也有一定程度的升高，但相比于壓降升高，分離效率有更大幅度的提高，優(yōu)化所得參數(shù)仍符合“高效低阻”設(shè)計(jì)目標(biāo)。

（5）建議后續(xù)開展旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的耦合仿真，以完善研究結(jié)果，為優(yōu)化旋風(fēng)分離器奠定理論基礎(chǔ)、提供數(shù)據(jù)支持。

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曾云，講師，生于1991年，2020年畢業(yè)于長江大學(xué)石油礦場機(jī)械專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)從事壓裂設(shè)備方面的科研和教學(xué)工作。地址：（434023）湖北省荊州市。email：mechanicszy@163.com。

2024-03-25

王剛慶