王江云，毛 羽，孟 文，張 果，王 娟

(中國石油大學(xué) 重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249)

旋風(fēng)分離器內(nèi)非軸對(duì)稱旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)的測(cè)量

王江云，毛 羽，孟 文，張 果，王 娟

(中國石油大學(xué) 重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249)

采用相位多普勒分析儀研究了不同入口旋風(fēng)分離器氣相非軸對(duì)稱流場(chǎng)。首先采用圓管層流實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，然后考察不同入口結(jié)構(gòu)下直筒型旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)的分布特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的切向、軸向速度，湍流度分布與旋風(fēng)分離器典型流場(chǎng)分布特點(diǎn)一致。對(duì)比3種入口結(jié)構(gòu)旋風(fēng)分離器測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著入口結(jié)構(gòu)軸對(duì)稱性逐漸增加，其內(nèi)部流場(chǎng)分布的非軸對(duì)稱性明顯減小，旋轉(zhuǎn)中心與旋風(fēng)分離器幾何結(jié)構(gòu)中心之間的偏心距也明顯減小，有利于提高旋風(fēng)分離器的分離效率并降低因渦核擺動(dòng)造成的摩擦阻力。合理地布置入口結(jié)構(gòu)是抑制單入口旋風(fēng)分離器非軸對(duì)稱旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，提高旋風(fēng)分離器性能的有效手段之一。

旋風(fēng)分離器；相位多普勒分析儀；入口；非軸對(duì)稱旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)；湍流度

旋風(fēng)分離器是氣-固分離過程中應(yīng)用最為廣泛的除塵設(shè)備之一[1]，目前其研究及應(yīng)用已處于很高水平。但是，針對(duì)單入口形成的非軸對(duì)稱旋轉(zhuǎn)流動(dòng)引發(fā)的渦核擺動(dòng)、顆粒返混和分離效率下降[2]及進(jìn)一步降低壓降[3]，以及FCC裝置旋風(fēng)分離器中因非軸對(duì)稱旋轉(zhuǎn)流動(dòng)引起的排氣管結(jié)焦[4-7]的問題仍未完全解決。雖然眾多學(xué)者對(duì)于這一問題進(jìn)行了研究，采用將排氣管下口切口[8]、芯管偏置[9-10]、180°對(duì)稱雙入口、蝸螺形均流分配箱[11]等措施，取得了一定的效果，但在通過對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)非軸對(duì)稱強(qiáng)旋流流場(chǎng)測(cè)量來獲悉其產(chǎn)生的機(jī)理，找出抑制非軸對(duì)稱強(qiáng)旋流方法方面研究還較少。筆者采用相位多普勒分析儀(PDA)測(cè)量單直切式、單蝸殼式和雙蝸殼式3種入口結(jié)構(gòu)的直筒型旋風(fēng)分離器內(nèi)非軸對(duì)稱強(qiáng)旋流流場(chǎng)，獲得了全面的流場(chǎng)基礎(chǔ)信息，并考察不同入口結(jié)構(gòu)對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)非軸對(duì)稱性的影響規(guī)律，以期為旋風(fēng)分離器內(nèi)抑制非軸對(duì)稱強(qiáng)旋流的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)量方法

旋風(fēng)分離器流場(chǎng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，由實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)組成。負(fù)壓吸風(fēng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的風(fēng)量由出口管路上的閘板閥與畢托管測(cè)量和控制。測(cè)量對(duì)象為直徑150 mm直筒型旋風(fēng)分離器，采用等面積的單切、單蝸和180°雙蝸3種入口形式。在有機(jī)玻璃旋風(fēng)分離器各測(cè)點(diǎn)上開有測(cè)試窗，并安裝厚2 mm的光學(xué)玻璃，以減少對(duì)光路的干擾。旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)示意圖及流場(chǎng)測(cè)量點(diǎn)布置如圖2所示。

圖1 旋風(fēng)分離器流場(chǎng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖2 旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)示意圖及流場(chǎng)測(cè)量點(diǎn)布置

流場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)采用丹麥Dantec公司研制的激光三維相位多普勒動(dòng)態(tài)分析儀，示蹤粒子系由LZL型粒子發(fā)生器產(chǎn)生的粒徑約2 μm的丙二醇粒子。實(shí)驗(yàn)中每個(gè)測(cè)點(diǎn)取1000個(gè)樣本點(diǎn)，根據(jù)測(cè)點(diǎn)處采集到的示蹤顆粒有效樣本點(diǎn)數(shù)來確定測(cè)量時(shí)限。

1.2 測(cè)量方法準(zhǔn)確性驗(yàn)證

應(yīng)用PDA系統(tǒng)測(cè)量氣相流場(chǎng)時(shí)，因?yàn)闅怏w分子的散射光非常弱，無法捕捉到足夠強(qiáng)的多普勒信號(hào)，所以必須向流場(chǎng)中釋放光學(xué)性能較好的示蹤粒子。PDA測(cè)量得到的信息實(shí)際上來自示蹤粒子，并用該粒子的運(yùn)動(dòng)表示流場(chǎng)中流體的運(yùn)動(dòng)。因此，示蹤粒子的選擇對(duì)測(cè)量精度具有較大的影響。同時(shí)，為了得到足夠強(qiáng)的多普勒信號(hào)，反映流場(chǎng)的流動(dòng)特性，保證實(shí)驗(yàn)前后數(shù)據(jù)的連貫性及安全性，要求示蹤粒子應(yīng)具有良好的球形度和折射率，較好的跟隨性、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、清潔、無毒、無腐蝕和無磨蝕。綜合考慮上述因素，選用丙二醇粒子。經(jīng)實(shí)測(cè)LZL型粒子發(fā)生器產(chǎn)生的丙二醇粒子粒徑為2 μm，光學(xué)效果較好。

1.2.1 示蹤粒子跟隨性驗(yàn)證

散射粒子在氣相湍流中的跟隨性可以微粒速度vp與氣相速度vg的比值及相角之差Φ來表示[12]，分別如式(1)和式(2)所示。

(1)

(2)

由式(1)和式(2)計(jì)算得vp/vg=0.996，Φ/w=2.5 μs。說明采用粒徑為2 μm的丙二醇粒子作為示蹤粒子時(shí)，測(cè)得的流速是真實(shí)流速的0.996倍，粒子脈動(dòng)滯后于流體的時(shí)間為2.5 μs。丙二醇粒子具有較好的跟隨性，可以作為PDA測(cè)試系統(tǒng)的示蹤粒子。

1.2.2 PDA測(cè)量精度驗(yàn)證

除示蹤粒子的跟隨性外，流場(chǎng)中的粒子濃度、光路布置以及光學(xué)參數(shù)也會(huì)影響PDA的測(cè)量精度。因此，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量之前，利用簡(jiǎn)單圓管內(nèi)的層流流動(dòng)對(duì)PDA測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了準(zhǔn)確性驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果示于圖4。式(3)為圓管層流中速度的計(jì)算式。

從圖4速度測(cè)量值與式(3)理論解的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量值及變化趨勢(shì)與理論解較為吻合，能夠反映出圓管層流中速度的拋物線分布。說明筆者采用的測(cè)量方法具有很高的精度，可以用于旋風(fēng)分離器內(nèi)流場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)研究。

(3)

圖3 圓管驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖4 圓管驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的速度測(cè)量值與理論值

2 結(jié)果與討論

2.1 旋風(fēng)分離流場(chǎng)測(cè)量結(jié)果及分析

測(cè)量了單切、單蝸、180°雙蝸入口的直筒型旋風(fēng)分離器的氣相流場(chǎng)。同時(shí)采用能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)強(qiáng)旋流流場(chǎng)的雷諾應(yīng)力模型(RSM)[13-14]來驗(yàn)證測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性。

2.1.1 速度場(chǎng)

圖5和圖6分別為0°～180°截面不同入口旋風(fēng)分離器內(nèi)切向和軸向速度測(cè)量值與模擬值。從圖5、圖6可以看出，不同入口結(jié)構(gòu)下，旋風(fēng)分離器內(nèi)部的速度分布均表現(xiàn)為內(nèi)部準(zhǔn)剛性渦、外部準(zhǔn)自由渦、中心上行流、邊壁下行流的雙層強(qiáng)旋流結(jié)構(gòu)，符合旋風(fēng)分離器內(nèi)切向速度與軸向速度典型的分布特點(diǎn)，精確的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以作為模型驗(yàn)證所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。同時(shí)，切向和軸向速度隨流動(dòng)過程中能量耗散，沿軸向從上到下逐漸減小，底部截面上的切向速度峰值僅為頂部的1/3，且各截面實(shí)測(cè)值與模擬值吻合較好。

圖5 旋風(fēng)分離器內(nèi)切向速度測(cè)量值與模擬值(0°～180°)

2.1.2 湍流度分析

PDA測(cè)量系統(tǒng)可以直接給出測(cè)點(diǎn)上瞬時(shí)湍流脈動(dòng)速度的均方根值uRMS(可用式(4)表示)，反映該點(diǎn)上湍流的脈動(dòng)速度偏離時(shí)均速度的程度，也可定義為該點(diǎn)湍流運(yùn)動(dòng)的湍流度σ，即σ=uRMS。此外，將空間一點(diǎn)的湍流度σ與該點(diǎn)的時(shí)均速度ū相比，即為該點(diǎn)的相對(duì)湍流度δ(可用式(5)表示)，即湍流度的大小表示脈動(dòng)速度的大小，而相對(duì)湍流度則表示脈動(dòng)速度占時(shí)均速度的比例。

(4)

(5)

圖7和圖8分別為0°～180°截面上不同入口旋風(fēng)分離器內(nèi)切向湍流度和切向相對(duì)湍流度沿徑向的分布。由圖7、圖8可見，切向湍流度與切向相對(duì)湍流度沿徑向的分布曲線形態(tài)較相似，都被切向速度內(nèi)外雙渦結(jié)構(gòu)的分界面分為2個(gè)區(qū)域。外部區(qū)域內(nèi)，切向湍流度基本不隨徑向位置變化，分布平緩；切向相對(duì)湍流度會(huì)隨徑向向內(nèi)緩慢減小，在最大切向速度處達(dá)到最小，但在器壁附近會(huì)出現(xiàn)突然增大的情況。內(nèi)部區(qū)域的切向湍流度則隨徑向向內(nèi)逐漸增大，在軸線附近出現(xiàn)最大值；切向相對(duì)湍流度沿徑向向內(nèi)迅速增大，在軸線附近甚至?xí)霈F(xiàn)無窮大的情況。說明旋風(fēng)分離器內(nèi)部旋轉(zhuǎn)中心和幾何中心不重合導(dǎo)致旋風(fēng)分離器中心處切向速度脈動(dòng)速度非常大，由相對(duì)湍流度說明中心處于極大值。

圖9和圖10分別為0°～180°截面上不同入口旋風(fēng)分離器內(nèi)軸向湍流度和軸向相對(duì)湍流度沿徑向的分布。由圖9、圖10可見，軸向湍流度與軸向相對(duì)湍流度沿徑向的分布曲線形態(tài)差異較大。軸向湍流度沿徑向分布十分平緩，僅在排氣管入口處相對(duì)旋風(fēng)分離器中下部有較大的波動(dòng)；而軸向相對(duì)湍流度的分布曲線則沿徑向變化很大，在軸向速度零點(diǎn)處出現(xiàn)無窮大。從該點(diǎn)向外、內(nèi)分別為下、上行流區(qū)域，下行流區(qū)相對(duì)湍流度為負(fù)值，向邊壁先迅速減小，然后緩慢減小，靠近壁面又稍有增大。上行流區(qū)相對(duì)湍流度為正值，向中心先出現(xiàn)驟降，繼續(xù)向內(nèi)則變?yōu)榫徛郎p小，靠近軸線附近出現(xiàn)最小值。在上、下行流分界位置，軸向相對(duì)湍流度急劇增大，湍流脈動(dòng)非常劇烈，湍動(dòng)能消耗較大。

圖7 不同入口旋風(fēng)分離器內(nèi)切向湍流度沿徑向的分布(0°～180°)

圖8 不同入口旋風(fēng)分離器內(nèi)切向相對(duì)湍流度沿徑向的分布(0°～180°)

圖9 不同入口旋風(fēng)分離器內(nèi)軸向湍流度沿徑向的分布(0°～180°)

圖10 不同入口旋風(fēng)分離器內(nèi)軸向相對(duì)湍流度沿徑向的分布(0°～180°)

2.2 旋風(fēng)分離流場(chǎng)非軸對(duì)稱分析

2.2.1 速度分布分析

通過對(duì)不同入口形式旋風(fēng)分離器內(nèi)切向和軸向速度測(cè)量值對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，各軸向位置上，切向和軸向速度均有一定的非軸對(duì)稱性，前者的非軸對(duì)稱性主要體現(xiàn)在對(duì)稱兩側(cè)最大切向速度的大小和位置的差別，后者的非軸對(duì)稱性主要體現(xiàn)在最大上行速度是否在旋風(fēng)分離器軸線上，對(duì)稱兩側(cè)上、下行流分界點(diǎn)位置的差別。其中單直切式旋風(fēng)分離器的流場(chǎng)非軸對(duì)稱性最為明顯，單蝸殼式居中，雙蝸殼式非軸對(duì)稱性最小，基本呈軸對(duì)稱分布，說明入口結(jié)構(gòu)對(duì)稱性有助于抑制流場(chǎng)的非軸對(duì)稱性。

圖11為旋風(fēng)分離器切向速度與軸向速度非軸對(duì)稱性沿周向的分布。由圖11可見，各旋風(fēng)分離器的流場(chǎng)分布均具有非軸對(duì)稱性，且隨周向不同而變化；排氣管入口處軸對(duì)稱性最差，沿軸向遠(yuǎn)離排氣管入口方向軸對(duì)稱性逐漸變好。由于不對(duì)稱入口結(jié)構(gòu)形成的旋轉(zhuǎn)中心和幾何中心的不重合，進(jìn)而造成氣流進(jìn)入旋風(fēng)分離器后在環(huán)形空間形成不對(duì)稱的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，排氣管入口處受環(huán)形空間非軸對(duì)稱流動(dòng)的影響最大，故非軸對(duì)稱性明顯；隨著氣流向下流動(dòng)，軸對(duì)稱的圓柱型約束空間減弱了非軸對(duì)稱的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?？傮w來說，單直切式旋風(fēng)分離器非軸對(duì)稱性最為明顯，單蝸殼式非軸對(duì)稱性有所減小，雙蝸殼式軸對(duì)稱性最好。

2.2.2 旋轉(zhuǎn)中心偏離性分析

圖11 旋風(fēng)分離器內(nèi)切向速度與軸向速度非軸對(duì)稱性沿周向的分布(0°～180°)

圖12 偏心距方向示意圖

通過對(duì)3種入口結(jié)構(gòu)直筒型旋風(fēng)分離器內(nèi)流場(chǎng)的測(cè)量及非軸對(duì)稱性分析發(fā)現(xiàn)，單切入口結(jié)構(gòu)直筒型旋風(fēng)分離器流場(chǎng)的非軸對(duì)稱性表現(xiàn)最強(qiáng)，雙蝸?zhàn)钊?，單蝸居中，入口的?duì)稱性進(jìn)氣結(jié)構(gòu)對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)流場(chǎng)的非軸對(duì)稱性影響較大。因此，通過合理地布置旋風(fēng)分離器入口結(jié)構(gòu)，優(yōu)化進(jìn)氣軸對(duì)稱性，有助于抑制旋風(fēng)分離器內(nèi)部的非軸對(duì)稱性強(qiáng)旋流動(dòng)，尤其對(duì)于只能使用單入口形式旋風(fēng)分離器的場(chǎng)合，改善進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的軸對(duì)稱性是提高分離效率，降低壓降，開發(fā)高效、低阻、大處理旋風(fēng)分離器的有效措施之一。

圖13 不同入口旋風(fēng)分離器旋轉(zhuǎn)中心偏心距的軸向分布

3 結(jié) 論

(1) 采用PDA對(duì)圓管內(nèi)層流流動(dòng)進(jìn)行了流場(chǎng)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果與理論值相吻合，說明所采用的示蹤粒子及測(cè)量方法具有較高的精度，可以用于旋風(fēng)分離器內(nèi)流場(chǎng)的測(cè)量。

(2) 對(duì)3種入口結(jié)構(gòu)的直筒型旋風(fēng)分離器內(nèi)氣相流場(chǎng)測(cè)量的結(jié)果表明， 3種入口結(jié)構(gòu)旋風(fēng)分離器內(nèi)的流場(chǎng)均表現(xiàn)出旋風(fēng)分離器內(nèi)典型雙層旋流結(jié)構(gòu)(內(nèi)剛性渦和外準(zhǔn)自由渦)的基本流動(dòng)特征。

(3) 3種入口結(jié)構(gòu)的旋風(fēng)分離器均存在旋轉(zhuǎn)中心與幾何結(jié)構(gòu)中心不重合的現(xiàn)象，隨著入口結(jié)構(gòu)軸對(duì)稱性逐漸增加，其內(nèi)部流場(chǎng)分布的非軸對(duì)稱性明顯減小，氣流旋轉(zhuǎn)中心與旋風(fēng)分離器幾何結(jié)構(gòu)中心之間的偏心距也明顯減小。因此，合理地布置旋風(fēng)分離器入口結(jié)構(gòu)，增加單入口旋風(fēng)分離器入口軸對(duì)稱性是提高旋風(fēng)分離器性能的有效手段之一。

符號(hào)說明：

a,b,c——BBO方程系數(shù)；

dp——微粒粒徑，m；

N——測(cè)量采樣數(shù)；

Q——風(fēng)量，m3/h；

R,Rc——分別為測(cè)試圓管半徑、旋分器筒體半徑，mm；

r——徑向位置，mm；

Δr——旋轉(zhuǎn)中心在徑向坐標(biāo)上的偏移量，mm；

vt,vz——分別為切向、軸向的測(cè)量速度，m/s；

ui——測(cè)量樣本的瞬時(shí)速度，m/s；

u′——測(cè)量樣本的脈動(dòng)速度，m/s；

uRMS——湍流脈動(dòng)速度的均方根值，m/s；

vp,vg——分別為微粒、氣相的速度，m/s；

v——測(cè)試圓管氣相的速度，m/s；

w——湍流脈動(dòng)角頻率，kHz；

Δx,Δy——分別為旋轉(zhuǎn)中心在x、y坐標(biāo)上的偏移量，mm；

z——軸向坐標(biāo)，mm；

Φ——相角之差，rad；

ρp,ρg——分別為顆粒和氣相的密度，kg/m3；

σ,σt,σz——分別為湍流度和切向、軸向湍流度，m/s；

δ,δt,δz——分別為相對(duì)湍流度和切向、軸向相對(duì)湍流度。

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Experimental Measurement of Non-axisymmetric Rotating Flow Field in Cyclone Separator

WANG Jiangyun, MAO Yu, MENG Wen, ZHANG Guo, WANG Juan

(StateKeyLaboratoryofHeavyOilProcessing,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China)

The non-axisymmetric rotating flow field in cyclone with different inlet structures was studied by phase Doppler analyzer. The accuracy of the measurement system was verified by circular tube laminar flow experiment, and then the internal flow field distribution in cyclone tube with different inlet structures was researched. The measured results showed a good agreement with the typical cyclone flow filed distribution. The non-axisymmetry of the internal flow field obviously decreased with the increasingly axial symmetry of inlet structure by compared with the measured results of three inlet structures. And the eccentric distance between the swirl flow center and the geometric center also reduced, contributing to improve the collection efficiency and reduce frictional resistance induced by vortex core oscillating. Therefore, reasonable arranging inlet structure is obviously one effective method to restrain the non-axisymmetric rotating flow in single inlet cyclone separator and to improve the performance of cyclone separator.

cyclone separator; phase Doppler analyzer; inlet; non-axisymmetric rotating flow field; turbulent intensity

2014-04-18

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21106181)、中國石油大學(xué)(北京)科研基金項(xiàng)目 (KYJJ2012-03-15)資助

王江云，男，助理研究員，博士，從事多相流動(dòng)與分離、腐蝕及燃燒過程的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究；E-mail：wangjy@cup.edu.cn

毛羽，男，教授，博士，從事多相流動(dòng)及燃燒、氣固分離及液體霧化技術(shù)、化工過程裝備優(yōu)化等方面的研究；Tel：010-89733293; E-mail:maoyu@cup.edu.cn

1001-8719(2015)04-0920-10

TE624

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2015.04.013