蔡香麗，楊智勇，馬玉苗，管述哲，魏耀東,2

(1.新疆工程學院 化學工程系，新疆 烏魯木齊 930091；2.中國石油大學 化工學院, 北京 102249)

旋風分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)流湍流特性的實驗分析

蔡香麗1，楊智勇1，馬玉苗1，管述哲1，魏耀東1,2

(1.新疆工程學院 化學工程系，新疆 烏魯木齊 930091；2.中國石油大學 化工學院, 北京 102249)

采用熱線風速儀(Hot wire anemometry，HWA)測量了φ300 mm×2000 mm旋風分離器內(nèi)的瞬時切向速度，進而分析旋轉(zhuǎn)流的湍流特性?；跍y量的瞬時切向速度計算的湍流強度表明，切向湍流強度是由氣流自身湍流脈動產(chǎn)生的湍流強度和氣流旋轉(zhuǎn)波動產(chǎn)生的湍流強度兩部分構成。在壁面附近，切向湍流強度主要是旋轉(zhuǎn)流自身的湍流脈動作用，旋轉(zhuǎn)流波動對其影響較?。欢趲缀沃行母浇?，切向湍流強度不僅有旋轉(zhuǎn)流自身的湍流脈動，而且更主要是旋轉(zhuǎn)流擺動的影響。由于旋風分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)流的旋轉(zhuǎn)中心與幾何中心不重合，形成了旋流的擺動，使中心區(qū)域的計算切向湍流強度驟增，遠大于壁面區(qū)域的切向湍流強度。

旋風分離器；熱線風速儀(HWA)；旋轉(zhuǎn)流；湍流強度；波動特性

旋風分離器作為一種廣泛使用的氣-固分離設備，特別適用于一些高溫、高壓的氣-固分離工藝，如煉油催化裂化裝置中凈化煙氣和油氣的旋風分離器、丙烯腈反應器內(nèi)分離催化劑的旋風分離器等。旋風分離器是利用氣流旋轉(zhuǎn)離心力使固體與氣體分離，其旋轉(zhuǎn)流流場的研究是強化分離性能的重點。旋風分離器內(nèi)部是一個三維湍流強旋轉(zhuǎn)流流場，旋轉(zhuǎn)流的三維速度分布和湍流特性存在一定的變化規(guī)律[1-6]。但是相關的研究多局限在宏觀參數(shù)，即穩(wěn)態(tài)流場靜態(tài)特性的描述上，缺少對流場瞬態(tài)特性的分析，尤其是對湍流強度的分析基本上只基于時均統(tǒng)計的方法。Hoekstra等[6]、王建軍等[7]采用激光多普勒測速儀(Laser doppler velocimetry, LDV)，王甜等[8]利用熱線風速儀(Hot wire anemometry，HWA)，吳小林等[9]采用粒子圖像測速儀(Particle image velocimetry，PIV)分別測量了旋風分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)流切向速度的湍流強度。測量結果表明，在外旋流區(qū)，湍流強度較小且分布均勻；進入內(nèi)旋流區(qū)，湍流強度顯著增大。對旋風分離器內(nèi)流場的數(shù)值模擬結果也表明，湍流強度在內(nèi)旋流區(qū)域急劇增大[9-11]。雖然上述研究有助于認識旋風分離器流場的湍流特性，但僅停留在現(xiàn)象的描述上，缺乏對湍流特性機制的分析。實際上，旋風分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)流的中心和旋風分離器的幾何中心不重合，旋轉(zhuǎn)中心在橫截面上作不規(guī)則的擺動，形成了旋轉(zhuǎn)流波動[12-15]。這種旋轉(zhuǎn)流動形式的湍流不同于一般直管內(nèi)的湍流，更需要考慮旋轉(zhuǎn)流波動對湍流的影響。為此，筆者在實驗測量瞬時切向速度的基礎上，分析了旋轉(zhuǎn)流波動與切向速度湍流特性之間的關系，以及旋轉(zhuǎn)流擺動對湍流強度分布的影響。

1 旋風分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)流特性的實驗裝置和測量方法

研究旋風分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)流特性的實驗裝置如圖1所示。采用吸風負壓操作，氣體在旋風分離器內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)流，然后從排氣管流出。氣體為常溫空氣，設定入口速度Vi=10 m/s。

圖1 研究旋風分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)流特性的實驗裝置示意圖

圖2為旋風分離器模型。為了考察旋轉(zhuǎn)流波動特性，在結構上將常規(guī)旋風分離器的錐體部分取消，以消除錐體對切向速度的加速作用。旋風分離器采用整體筒體結構，用有機玻璃制造，筒體尺寸φ300 mm×2000 mm，進氣口尺寸178 mm×92 mm，排氣管直徑φ90 mm。軸向坐標Z原點在升氣管入口截面的中心處，向下為正。筒體軸向上選擇Z分別為322 mm、572 mm和1072 mm 3個測量截面，主要測量0°～180°徑向方向的切向速度，徑向測量點間隔20 mm。采用美國TSI公司IFA100/200熱線風速儀，采樣頻率5000 Hz，采樣時間1 s。切向速度是旋風分離器流場的主要分量，并能直接反映旋轉(zhuǎn)流的擺動變化，因此通過測量瞬時切向速度的波動變化考察旋轉(zhuǎn)流的湍流特性。

圖2 旋風分離器尺寸和測量點

2 結果與討論

2.1 旋風分離器內(nèi)的時均切向速度和瞬時切向速度

圖4為旋風分離器3個測量截面上不同測量點的瞬時切向速度隨時間的變化曲線。其中，圖4(a)、(c)、(e)是1s測量時間內(nèi)所有數(shù)據(jù)繪制的曲線，而圖4(b)、(d)、(f)是其對應1s測量時間0.4～0.6s區(qū)間的局部放大圖。由圖4可知，旋轉(zhuǎn)流的瞬時切向速度是由高頻的湍流脈動速度和低頻的波動速度疊加構成，其脈動速度反映了氣流自身的湍流，是無規(guī)則和高頻的，而波動速度是一種低頻高幅的速度變化，具有類周期性，由旋轉(zhuǎn)流的波動造成，即由旋轉(zhuǎn)流的旋轉(zhuǎn)中心偏離旋風分離器幾何中心擺動造成。

圖3 旋風分離器內(nèi)時均切向速度分布曲線

2.2 旋風分離器內(nèi)瞬時切向速度的概率密度分布

湍流理論[16]認為，湍流速度場在時間點上具有不規(guī)則性，但在時間區(qū)間上具有規(guī)則性的概率分布和平均特性。旋轉(zhuǎn)流的湍流脈動速度作為一個連續(xù)型的隨機變量，在時間區(qū)間上的數(shù)值分布符合高斯分布函數(shù)，對應旋轉(zhuǎn)流瞬時切向速度Vt的高斯分布函數(shù)P(Vt)如式(1)所示。

(1)

通過對Z=322mm和Z=1072mm測量截面上的瞬時切向速度進行類似分析，也可以得到具有同Z=572mm測量截面相同的結果。

圖5 旋風分離器內(nèi)的瞬時切向速度的高斯分布函數(shù)(P(Vt))擬合曲線

為了進一步分析旋轉(zhuǎn)流擺動對瞬時切向速度的影響，將旋風分離器3個測量截面(Z=322 mm，Z=572 mm，Z=1072 mm)不同徑向位置測量點在1 s測量時間內(nèi)5000個測量數(shù)據(jù)分別通過式(1)進行高斯函數(shù)擬合，結果如圖6所示。當r/R>0.40時，高斯擬合曲線分布比較窄，σ比較小，即切向速度數(shù)據(jù)分布比較集中；當r/R<0.40時，高斯擬合曲線開始變寬，σ比較大，說明切向速度數(shù)據(jù)分散度增大。這是由于旋轉(zhuǎn)流波動造成的數(shù)據(jù)分散。

圖6 旋風分離器內(nèi)的瞬時切向速度的高斯分布函數(shù)擬合曲線沿徑向的變化

2.3 旋風分離器內(nèi)切向速度的湍流強度

反映氣流湍流特性的主要參數(shù)是湍流強度。湍流運動在空間任意點上的湍流強度是該點湍流脈動速度的均方根值。這里僅考慮旋轉(zhuǎn)流切向速度的切向湍流強度，其均方根Trms的定義及計算如式(2)所示。式(2)中，N為采樣數(shù)據(jù)數(shù)，N=5000。

(2)

圖7 旋風分離器內(nèi)切向湍流強度沿徑向的變化

(3)

旋風分離器內(nèi)中心區(qū)域的湍流強度的劇增，一方面增加了流體流動的能耗，使壓降增大；另一方面加劇了中心區(qū)域已被分離顆粒的擴散返混，使分離效率下降。同時旋轉(zhuǎn)流的擺動也形成旋風分離器系統(tǒng)振動的激振力，誘導旋風分離器系統(tǒng)發(fā)生共振造成設備的疲勞斷裂。

2.4 旋風分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)流波動對切向速度的湍流強度的影響

圖8 旋風分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)流波動對瞬時切向速度的影響示意圖

3 結 論

(1) 采用HWA測量了旋風分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)流的瞬時切向速度。結果表明，旋風分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)流瞬時切向速度是高頻的湍流脈動速度和低頻的波動速度的疊加，中心區(qū)域的瞬時切向速度隨時間的速度波動較大，而靠近邊壁區(qū)域瞬時切向速度隨時間的速度波動較小。

(2) 切向速度的湍流強度是由氣流自身脈動產(chǎn)生的切向湍流強度和氣流旋轉(zhuǎn)波動導致的切向湍流強度兩部分構成。在壁面附近，切向湍流強度主要是旋轉(zhuǎn)流自身的湍流脈動作用；在幾何中心附近，切向湍流強度不僅有旋轉(zhuǎn)流自身的湍流脈動，而且更主要受旋轉(zhuǎn)流波動的影響，導致了旋轉(zhuǎn)流湍流強度的急劇增加，對旋風分離器的分離性能不利。

符號說明：

k1——常數(shù)；

k2——常數(shù)；

N——采樣數(shù)據(jù)個數(shù)；

n——常數(shù)；

P——切向速度概率密度；

R——旋風分離器半徑，mm；

r——徑向坐標，mm；

Trms——均方根速度，m/s；

T″rms——旋轉(zhuǎn)流波動而導致湍流強度增加部分，m/s；

Vi——入口速度，m/s；

Vt——瞬時切向速度，m/s；

Z——軸向坐標，mm；

σ——標準差；

ΔVt——切向速度波動值，m/s；

[1] CORTéS C, GIL A. Modeling the gas and particle flow inside cyclone separators [J].Progress in Energy and Combustion Science, 2007, 33: 409-452.

[2] PENG W, HOFFMANN A C, BOOT P J A J, et al. Flow pattern in reverse-flow centrifugal separators [J].Powder Technology, 2002, 127: 212-222.

[3] 胡礫元, 時銘顯. 渦殼式旋風分離器全空間三維時均流場結構[J].化工學報, 2003, 54(4): 549-556. (HU Liyuan, SHI Mingxian. Three-dimensional time-averaged flow structure in cyclone separator with volute inlet[J].Journal of Chemical Industry and Engineering (China), 2003, 54 (4): 549-556)

[4] 吳小林，姬忠禮， 田彥輝，等. PV型旋風分離器內(nèi)流場的試驗研究[J].石油學報(石油加工), 1997, 13(3): 93-99.(WU Xiaolin，JI Zhongli，TIAN Yanhui，et al. Experimental study on flow field of PV type cyclone separator[J].Acta Petrolei Sinica (Petroleum Processing Section), 1997, 13(3): 93-99.)

[5] 吳小林，申屠進華， 姬忠禮. PV型旋風分離器內(nèi)三維流場的數(shù)值模擬[J].石油學報(石油加工), 2003, 19(5): 74-79.(WU Xiaolin, SHENTU Jinhua, JI Zhongli. Numerical simulation of three-dimension flow field in a PV type cyclone [J].Acta Petrolei Sinica (Petroleum Processing Section), 2003, 19(5): 74-79.)

[6] HOEKSTRA A J, DERKSEN J J, VAN DEN AKKER H E A. An experimental and numerical study of turbulent swirling flow in gas cyclones [J].Chemical Engineering Science, 1999, 54: 2055-2065.

[7] 王建軍, 金有海. 旋風管內(nèi)氣相的湍流運動特性[J].過程工程學報, 2004, 4(3): 198-203. (WANG Jianjun, JIN Youhai. Gas turbulence flow in the cyclone tube [J].The Chinese Journal of Process Engineering, 2004, 4(3): 198-203.)

[8] 王甜, 徐俊, 宋健斐, 等. 旋風分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)流的不穩(wěn)定性[J].化工學報, 2010, 61(2): 318-322.(WANG Tian, XU Jun, SONG Jianfei, et al. Instability of swirling flow in the cyclone[J].Chinese Journal of Chemical Engineering (China), 2010, 61(2): 318-322.)

[9] 吳小林, 熊至宜, 姬忠禮, 等. 旋風分離器旋進渦核的數(shù)值模擬[J].化工學報, 2007, 58(2): 383-389.(WU Xiaolin, XIONG Zhiyi, JI Zhongli, et al. Numerical simulation of processing vortex core in cyclone separator[J].Journal of Chemical Industry and Engineering (China), 2007, 58(2): 383-390.)

[10] GRONALD G, DERKSEN J J. Simulating turbulent swirling flow in a gas cyclone: A comparison of various modeling approaches [J].Powder Technology, 2011, 205: 160-171.

[11] 胡礫元, 周力行, 時銘顯, 等. 旋風分離器內(nèi)三維強旋湍流流動數(shù)值模擬的修正壓力應變項模型[J].工程力學, 2005, 22(5): 83-88.(HU Liyuan, ZHOU Lixing, SHI Mingxian et al. A modified pressure-strain model for simulating strongly swirling flows in a cyclone separator [J].Engineering Mechanics (China), 2005, 22(5): 83-88.)

[12] DERKSEN J J, VAN DEN AKKER H E A. Simulation of vortex core precession in a reverse-flow cyclone [J].AIChE Journal, 2000, 46(7): 1317-1331.

[13] 宋健斐, 魏耀東, 時銘顯. 旋風分離器內(nèi)流場的非軸對稱性特點[J].化工學報, 2005, 56(8): 1397-1402.(SONG Jianfei, WEI Yaodong, SHI Mingxian. Asymmetry of gas-phase flow field in cyclone separator[J].Journal of Chemical Industry and Engineering (China), 2005, 56(8): 1398-1402.)

[14] 高翠芝, 孫國剛, 董瑞倩. 旋風分離器旋渦尾端位置的實驗測量及其影響因素[J].石油學報(石油加工), 2011, 27(6): 952-958.(GAO Cuizhi, SUN Guogang, DONG Ruiqian. Experimental measurement of the position of vortex end in cyclone and its effect factors[J].Acta Petrolei Sinica (Petroleum Processing Section), 2011, 27(6): 952-958.)

[15] 王江云, 毛羽, 王娟. 單入口雙進氣道旋風分離器內(nèi)流體的流動特性[J].石油學報(石油加工), 2011, 27(5): 780-786.(WANG Jiangyun, MAO Yu, WANG Juan. Flow characteristic in a single inlet cyclone separator with double passage[J].Acta Petrolei Sinica (Petroleum Processing Section), 2011, 27(5): 780-786.)

[16] 張兆順, 崔桂香, 許春曉. 湍流理論與模擬 [M].北京: 清華大學出版社, 2005: 1-10.

Experimental Analysis of Turbulence Characteristics of Swirling Flow in Cyclone

CAI Xiangli1, YANG Zhiyong1, MA Yumiao1, GUAN Shuzhe1, WEI Yaodong1,2

(1.DepartmentofChemicalEngineer,XinjiangInstituteofEngineering,Urumqi930091,China;2.CollegeofChemicalEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249，China)

The turbulence characteristics of swirling flow in the cyclone were studied based on measured real tangential velocity by hot wire anemometry (HWA). The mechanics of turbulence intensity of the real tangential velocity was analyzed. The measured results showed that the turbulence intensity of the tangential velocity was affected largely by the fluctuation of swirling flow, and the turbulence intensity in the center region was higher than that near the wall. As the real tangential velocity was composed of the high frequency turbulence velocity and low frequency fluctuation velocity, the turbulence intensity was not only influenced by the turbulence flow itself, but also by the fluctuation of swirling flow resulted from gas swirling flow center deviating geometry center. So, the real tangential velocity fluctuated significantly in the center region of cyclone, and a little near the wall of cyclone, resulting in the great increase of turbulence intensity in the center region.

cyclone; hot wire anemometry(HWA); swirling flow; turbulence intensity; fluctuation characteristics

2014-04-29

新疆自然科學基金項目(201233146-1)資助

蔡香麗，女，講師，碩士，從事多相流動的數(shù)值模擬與實驗研究

魏耀東，男，教授，博士，從事氣-固分離，流態(tài)化及化工過程裝備優(yōu)化等方面的研究，E-mail:weiyd@cup.edu.cn

1001-8719(2015)04-0983-08

TQ051.8

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2015.04.022