孟 文, 王江云, 毛 羽, 張 果, 王 娟

(1. 中國石油大學 重質(zhì)油國家重點實驗室, 北京 102249; 2. 海工英派爾工程有限公司, 青島 266101)

排氣管直徑對旋分器非軸對稱旋轉(zhuǎn)流場的影響

孟 文1,2, 王江云1, 毛 羽1, 張 果1, 王 娟1

(1. 中國石油大學 重質(zhì)油國家重點實驗室, 北京 102249; 2. 海工英派爾工程有限公司, 青島 266101)

采用相位多普勒分析儀研究了4種不同排氣管直徑的旋風分離器氣相非軸對稱旋轉(zhuǎn)流場。結(jié)果表明,實驗測得的切向速度、軸向速度、湍流度分布與旋風分離器典型流場分布特點一致;隨著排氣管直徑的減小,旋轉(zhuǎn)中心與旋風分離器幾何結(jié)構(gòu)中心之間的偏心距也明顯減小,其內(nèi)部流場分布的非軸對稱性減弱,有利于提高旋風分離器的分離效率,并降低因渦核擺動造成的摩擦阻力。說明合理地設置排氣管直徑是抑制單入口旋風分離器非軸對稱旋轉(zhuǎn)流動、提高旋風分離器性能的有效手段。

旋風分離器; 相位多普勒分析儀; 排氣管; 非軸對稱旋轉(zhuǎn)流場; 湍流度

旋風分離器是一種利用離心力作用實現(xiàn)氣-固分離的設備。旋風分離器內(nèi)的非軸對稱旋流流動將引發(fā)渦核擺動、顆粒返混,進而導致分離效率下降、壓降增加等問題[1]。眾多學者研究了旋風分離器各結(jié)構(gòu)參數(shù)對非軸對稱旋轉(zhuǎn)流場的影響,發(fā)現(xiàn)除入口結(jié)構(gòu)參數(shù)外,排氣管的結(jié)構(gòu)參數(shù)也是重要影響因素。隨著排氣管直徑的增加,在旋風分離器分離空間內(nèi)中心位置上行流區(qū)將產(chǎn)生向下的回流,從而引發(fā)返混[2-3],進而影響分離效率,同時湍流度內(nèi)、外區(qū)分界面外移[4];隨著排氣管插入深度的增加,切向速度減小,且排氣管直徑較大時,效率變化較為明顯[5-6]。但是,通過對旋風分離器內(nèi)非軸對稱強旋流流場測量來獲悉其產(chǎn)生機理,找出其抑制方法方面的研究還較少。筆者采用相位多普勒分析儀(PDA)測量不同排氣管直徑旋風分離器內(nèi)的非軸對稱強旋流流場,獲得全部流場基礎信息,并考察排氣管直徑對旋風分離器內(nèi)部流場非軸對稱性的影響規(guī)律,以期為抑制旋風分離器內(nèi)非軸對稱強旋流的結(jié)構(gòu)改進和優(yōu)化提供理論指導。

1 實驗裝置及測量方法

旋風分離器流場測量裝置由實驗系統(tǒng)和測量系統(tǒng)組成,如圖1所示。負壓吸風實驗系統(tǒng)的風量由畢托管和出口管路上的閘板閥測量和控制。測量對象為直徑150 mm、偏心距16 mm的直筒型蝸殼式旋風分離器,排氣管直徑與旋風分離器筒體直徑之比(dr/D,簡稱排氣管直徑比)分別為0.21、0.36、0.46、0.57,入口氣速為15 m/s。在旋風分離器各測點上開有測試窗,并安裝1 mm厚的光學玻璃,以減少有機玻璃筒體對光路的干擾。旋風分離器結(jié)構(gòu)及流場測量點布置示于圖2。測量系統(tǒng)采用丹麥Dantec公司研制的激光三維相位多普勒動態(tài)分析儀,示蹤粒子為衛(wèi)生香煙霧。每個測點取3000個樣本,根據(jù)測點處采集到的示蹤顆粒有效樣本點來確定測量時限。

圖1 旋風分離器流場測量裝置示意圖

圖2 旋風分離器結(jié)構(gòu)及流場測量點布置示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 旋風分離器內(nèi)氣流速度非軸對稱性分析

單入口旋風分離器內(nèi)氣流切向速度和軸向速度分布均有一定的非軸對稱性。切向速度的非軸對稱性主要體現(xiàn)在對稱軸兩側(cè)速度峰值的位置及數(shù)值的差別程度,軸向速度的非軸對稱性主要體現(xiàn)在上行流速度峰值與旋風分離器軸線偏離程度及對稱軸兩側(cè)上下行流分界點位置的差別[7]。

圖3為旋風分離器內(nèi)氣流切向速度和軸向速度非軸對稱性沿周向的分布,其中左、右半部分分別為各軸向速度和切向速度在周向4個方向上的分布。分析發(fā)現(xiàn),各旋風分離器的流場分布均具有非軸對稱性,其中在排氣管入口處軸對稱性最差,這是由于不對稱的入口結(jié)構(gòu)造成旋轉(zhuǎn)中心和幾何中心的不重合,進而使得氣流進入環(huán)形空間后形成不對稱的旋轉(zhuǎn)運動,排氣管入口附近處受環(huán)形空間非軸對稱流動的影響最大,故非軸對稱性明顯;隨著氣流向下流動,軸對稱的圓柱型約束空間減弱了非軸對稱的旋轉(zhuǎn)運動,因而流場的軸對稱性增強。對比圖3各分圖可以看出,隨著排氣管直徑的增加,各截面4個周向方向的速度曲線重合度降低,流場的非軸對稱性增強;同時,準剛性渦范圍擴大,旋流穩(wěn)定性降低,且從排氣管入口至旋風分離器底端旋流衰減速度加快。

圖4和圖5分別為不同排氣管直徑比旋風分離器內(nèi)氣流在z=-10 mm及z=-300 mm截面的切向速度和軸向速度非軸對稱性分布。由圖4可知,當dr/D在0.21～0.46范圍,隨著排氣管直徑的減小,氣流切向速度內(nèi)、外旋流分界點,即切向速度最大值點內(nèi)移,切向速度值增加,而邊壁附近的切向速度大小變化不大。但是,排氣管直徑過小會導致旋風分離器內(nèi)部氣速急劇增加,分離過程中過高的氣速將加重二次夾帶,而且會使旋風分離器壓降增大。對于dr/D=0.57的直筒型旋風分離器,由于排氣管直徑較大,環(huán)形空間相對較小,因此在排氣管入口附近氣流切向速度值比較大;同時,較大的排氣管直徑導致內(nèi)旋流流道面積變大,氣流因旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的能量耗損變大,所以速度衰減迅速。當dr/D=0.46時,切向速度曲線的軸對稱性最差,在z=-10 mm截面,180°的切向速度明顯大于0°的,在z=-300 mm截面切向速度曲線的偏移量最大。隨著排氣管直徑比的減小,切向速度曲線的軸對稱性變好。

圖3 旋風分離器內(nèi)氣流的切向速度與軸向速度非軸對稱性沿周向的分布

圖4 不同排氣管直徑比旋風分離器內(nèi)氣流的切向速度非軸對稱性分布(0°～180°)

圖5 不同排氣管直徑比旋風分離器內(nèi)氣流的軸向速度非軸對稱性分布(0°～180°)

由圖5可知,隨著排氣管直徑的減小,氣流軸向速度上、下行流分界點內(nèi)移,上行流速度峰值增加。當排氣管直徑在一定范圍內(nèi)時,氣流軸向速度分布曲線呈單峰結(jié)構(gòu);當排氣管直徑過大時,在排氣管入口附近的軸線位置處,軸向速度分布曲線出現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu),形成滯留和回流現(xiàn)象。這是由于在排氣管入口中心附近,氣體強烈的旋轉(zhuǎn)在該處產(chǎn)生了相對較大的負壓,從而形成逆向壓力梯度,在中心部位產(chǎn)生回流,從而造成反混,不利于分離[3]。當dr/D為0.46和0.57時,軸向速度上行流峰值偏離了中心軸線,并且在不同軸向截面的偏離方向不同。隨著排氣管直徑比的減小,上行流峰值越來越靠近軸線,分布曲線的軸對稱性增強。

2.2 旋風分離器湍流度及相對湍流度分析

PDA測量可以直接得到測點上瞬時湍流脈動速度的均方根值uRMS,i,可用式(1)計算。此值反映該點上湍流的瞬時速度偏離時均速度的程度,定義為該點湍流運動的湍流度σi,即σi=uRMS,i。氣流在空間某一點的湍流度σi與氣流在該點的時均速度ūi之比值即為氣流在該點的相對湍流度δi,如式(2)所示。湍流度的大小表示氣流脈動速度的大小,而相對湍流度則表示脈動速度占時均速度的比例。

(1)

(2)

圖6為不同排氣管直徑比旋風分離器內(nèi)氣流切向湍流度在z=-10 mm及z=-300 mm截面沿0°～180°方向的分布。由圖6可見,氣流切向湍流度分布被其切向速度內(nèi)外雙渦結(jié)構(gòu)的分界面分為2個區(qū)域。在中心區(qū)域,切向湍流度出現(xiàn)峰值,沿徑向向外迅速減小,在r/R=0.8附近為最小值,在器壁附近出現(xiàn)突然增大的情況,說明在分離過程中,濃集在邊壁的顆粒容易被二次揚起,從而影響分離效率;在內(nèi)旋流區(qū),切向湍流度最大值隨著排氣管直徑的增大而減小,排氣管直徑過大,旋流穩(wěn)定性變?nèi)?切向湍流度沿徑向分布紊亂。此處較高的切向湍流度加上短路流的存在,將會極大地削弱旋風分離器分離能力,使粉塵未經(jīng)分離由排氣管逸出。

切向相對湍流度對旋風分離器的分離性能有很大影響,氣流切向速度的脈動將引起離心力的脈動,因此切向速度的脈動越大,形成的離心力場越不穩(wěn)定,分離效果也越差[4]。圖7為不同排氣管直徑比旋風分離器內(nèi)氣流切向相對湍流度在z=-10 mm及z=-300 mm截面沿0°～180°方向的分布。由圖7可見,切向相對湍流度沿徑向的分布曲線形態(tài)與切向湍流度的分布曲線較相似。由于軸線處氣流的切向速度極小,因此該處切向相對湍流度為無窮大。排氣管直徑比在0.21～0.46范圍時,內(nèi)旋流區(qū)域的氣流切向相對湍流度相差不大,外旋流區(qū)域的氣流切向相對湍流度幾乎相同;排氣管直徑過大時,切向相對湍流度沿徑向分布紊亂,說明此時氣流脈動非常劇烈,離心力不穩(wěn)定。

圖8為不同排氣管直徑比旋風分離器內(nèi)氣流軸向湍流度在z=-10 mm及z=-300 mm截面沿0°～180°方向的分布。圖9為不同排氣管直徑比旋風分離器內(nèi)氣流軸向相對湍流度在z=-10 mm及z=-300 mm截面沿0°～180°的分布。由圖8、9可見,氣流軸向湍流度沿徑向分布較為平緩,僅在排氣管入口處相對旋風分離器中、下部有較大的波動,中心區(qū)域與邊壁處稍大;排氣管直徑過大時,氣流軸向湍流度沿徑向分布紊亂。與軸向湍流度相比,氣流軸向相對湍流度沿徑向的分布曲線形態(tài)差異較大,其沿徑向變化很大,在軸向速度零點處急劇增大,湍流脈動非常劇烈,湍動能消耗較大;并且,在上、下行流分界點附近,由于旋流的不穩(wěn)定性導致了交界點的波動,從而擴大了脈動范圍。

圖6 不同排氣管直徑比旋風分離器內(nèi)氣流的切向湍流度沿0°～180°方向的分布

圖7 不同排氣管直徑比旋風分離器內(nèi)氣流的切向相對湍流度沿0°～180°方向的分布

圖8 不同排氣管直徑比旋風分離器內(nèi)氣流的軸向湍流度沿0°～180°方向的分布

圖9 不同排氣管直徑比旋風分離器內(nèi)氣流的軸向相對湍流度沿0°～180°方向的分布

從以上分析可知,隨著排氣管直徑的增大,旋風分離器內(nèi)旋流穩(wěn)定性減弱,雙旋流結(jié)構(gòu)的流場形式中,沿幾何中心的上下扭擺造成中心處的氣流的切向湍流度和切向相對湍流度的增大,以及軸向相對湍流度在上、下流分界點處劇增。此種現(xiàn)象表明,整個旋流結(jié)構(gòu)都在發(fā)生著非軸對稱性的擺動,并隨著排氣管直徑的增大而加劇。

2.3 旋風分離器旋轉(zhuǎn)中心偏離性分析

將旋風分離器某一軸向位置上氣流旋轉(zhuǎn)中心偏離幾何結(jié)構(gòu)中心的距離(Δr)定義為氣流在該軸向位置上的偏心距,如圖10所示。圖11為不同排氣管直徑比旋風分離器12個軸向位置的氣流旋轉(zhuǎn)中心位置。由圖11可見,排氣管直徑比越小,各測點的氣流旋轉(zhuǎn)中心越集中在旋風分離器幾何中心附近。將不同軸向方向的相應點連線,得到了旋風分離器內(nèi)氣流旋轉(zhuǎn)的無量綱偏心距Δr/R的軸向分布,如圖12所示。由圖12可見,在排氣管附近及筒體底部,氣流旋轉(zhuǎn)中心嚴重偏離幾何結(jié)構(gòu)中心;隨著旋風分離器排氣管直徑比的減小,氣流旋轉(zhuǎn)中心與幾何結(jié)構(gòu)中心不重合的現(xiàn)象大為緩解,dr/D=0.21時Δr最小,隨著dr/D的增大,Δr增大。表1為不同排氣管直徑比旋風分離器12個測量截面的平均偏心距。由表1可見,相對于dr/D=0.21,dr/D為0.36、0.46、0.57時的平均偏心距增加。這是由于排氣管直徑過大,旋流穩(wěn)定性減弱,筒體上部氣流速度分布的非軸對稱性變強,但是流場能量的迅速耗散導致筒體下部旋流特征基本消失,偏心現(xiàn)象不明顯,因而整體平均后的偏心距有所減小。

綜上分析可見,旋風分離器排氣管直徑越大,器內(nèi)氣流旋轉(zhuǎn)中心連線的扭擺越劇烈,各軸向截面旋轉(zhuǎn)中心的投影越分散,非軸對稱性越顯著;在排氣管底端附近截面及筒體底端截面旋轉(zhuǎn)中心偏離幾何結(jié)構(gòu)中心嚴重,在筒體中部偏心距變化較小,非軸對稱性減弱。過大的排氣管直徑會加大旋風分離器內(nèi)非軸對稱性,且易導致旋風分離器遠離入口部位旋流減弱,不利于氣-固分離。

圖10 偏心距方向示意圖

圖11 不同排氣管直徑比旋風分離器內(nèi)12個軸向位置的氣流旋轉(zhuǎn)中心位置

圖12 不同排氣管直徑比旋風分離器氣流旋轉(zhuǎn)中心的

表1 不同排氣管直徑比旋風分離器12個測量截面氣流旋轉(zhuǎn)中心的平均偏心距(Er)

Table 1 The average eccentricity(Er) of airflow vortex center at 12 measured sections in cyclone separators with different vortex finder diameter

dr/DEr/mmΔEr/Er10 211 8700 362 910 5560 464 921 6310 574 181 235

3 結(jié) 論

(1)采用相位多普勒分析儀測量了4種不同排氣管直徑的直筒型旋風分離器內(nèi)氣相流場,得到了旋風分離器內(nèi)部氣流速度和湍流度等流場分布細節(jié)。實測結(jié)果均表現(xiàn)出了旋風分離器內(nèi)典型雙層旋流結(jié)構(gòu)(內(nèi)剛性渦和外準自由渦)的基本流動特征。

(2)隨著旋風分離器排氣管直徑的增大,氣流切向相對湍流度沿徑向分布紊亂,旋流穩(wěn)定性變?nèi)?增加了粉塵進入內(nèi)旋流的幾率,降低了分離效率。且排氣管直徑過大時,在排氣管下方的軸線附近,氣流會出現(xiàn)軸向速度小于兩側(cè),甚至出現(xiàn)負值的雙峰式分布,造成滯留和回流現(xiàn)象,不利于旋風分離器的氣-固分離。

(3)4種不同排氣管直徑旋風分離器均存在氣流旋轉(zhuǎn)中心與其幾何結(jié)構(gòu)中心不重合的現(xiàn)象,隨著排氣管直徑的減小,其內(nèi)部流場分布的非軸對稱性明顯減弱,兩中心之間的偏心距也明顯減小。因此,在壓降升高的合理范圍內(nèi),適當?shù)販p小排氣管直徑有利于提高旋風分離器的分離性能。

符號說明：

dr——旋風分離器排氣管直徑,mm;

D——旋風分離器筒體直徑,mm;

N——測量采樣數(shù);

r——徑向位置,mm;

R——旋風分離器筒體半徑,mm;

ū——測量樣本的時均速度,m/s;

u——測量樣本的瞬時速度,m/s;

u′——測量樣本的脈動速度,m/s;

vt,vz——分別為切向、軸向的測量速度,m/s;

vin——入口氣速,m/s;

uRMS——湍流脈動速度的均方根值,m/s;

Δx,Δy——旋轉(zhuǎn)中心在x、y坐標上離原點的距離,mm;

Δr——某一軸向位置上旋轉(zhuǎn)中心偏離幾何結(jié)構(gòu)中心的距離,mm;

z——軸向坐標,mm;

σ,σt,σz——分別為湍流度和切向、軸向湍流度,m/s;

δ,δt,δz——分別為相對湍流度和切向、軸向相對湍流度;

i——測量樣本點;

Er——12個測量截面的平均偏心距,mm;Er=[Δr1+Δr2+……+Δr12]/12

Er1——排氣管直徑比為0.21時流場的平均偏心距,mm;

ΔEr——偏心距增量,mm;ΔEr=Er-Er1

ΔEr/Er1——偏心距相對增量。

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Effect of Vortex Finder Diameter on Non-axisymmetric Rotating Flow Field in Cyclone Separator

MENG Wen1，2, WANG Jiangyun1, MAO Yu1, ZHANG Guo1, WANG Juan1

(1.StateKeyLaboratoryofHeavyOilProcessing,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China;2.COOEC-ENPALEngineeringCo.,Ltd.,Qingdao266101)

The non-axisymmetric rotating flow field in cyclones with four different vortex finder diameters was studied by phase doppler analyzer. The results showed that the measured tangential velocity, axial velocity and turbulent intensity distributions were in agreement with the typical cyclone flow field distribution. The asymmetry of the internal flow field was obviously weakened as the vortex finder diameter decreased, meanwhile, the eccentric distance between the vortex centre and the geometric centre reduced, which is in favor of improving the collection efficiency and reducing the frictional resistance induced by vortex core oscillating. Therefore, setting vortex finder diameter reasonably is one effective method to restrain the non-axisymmetric rotating flow in the single inlet cyclone separator and to improve the performance of the cyclone separator.

cyclone separator; phase doppleranalyzer; vortex finder; non-axisymmetric rotating flow field; turbulent intensity

2014-07-07

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

孟文，女，碩士，從事多相流動與分離過程的數(shù)值模擬與實驗研究；E-mail：mengwen2@cnooc.com.cn

王江云，男，助理研究員，博士，從事多相流動與分離、腐蝕及燃燒過程的數(shù)值模擬與實驗研究；Tel： 010-89733293； E-mail：wangjy@cup.edu.cn

1001-8719(2015)06-1309-08

TE624

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2015.06.009