韓婕　韓坤　劉德禮　夏興祥

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應(yīng)用研究

E型旋風(fēng)分離器流場(chǎng)的數(shù)值模擬和分離性能研究

韓婕*韓坤劉德禮夏興祥

（上海化工研究院）

采用數(shù)值模擬方法分析了旋風(fēng)分離器內(nèi)的上頂板附近的二次流特性，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，吻合較好。模擬了旋風(fēng)分離器內(nèi)的切向、軸向速度隨入口氣速變化的特性，并以此說(shuō)明E型旋風(fēng)分離器的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特性。采用DPM方法分析了旋風(fēng)分離器的入口速度、粉塵濃度和排氣口直徑對(duì)其效率的影響，模擬結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)定值變化趨勢(shì)一致。

旋風(fēng)分離器數(shù)值模擬流場(chǎng)流速分離性能計(jì)算流體力學(xué)

0　前言

旋風(fēng)分離器是一種利用含塵氣體高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生不同的離心力的原理，將固體從氣體中分離出來(lái)的干式分離設(shè)備。E型旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是具有異形進(jìn)口和漸縮形導(dǎo)流擋板。在氣流進(jìn)入旋風(fēng)分離器時(shí)，漸縮形導(dǎo)流擋板使得顆粒由直線(xiàn)流動(dòng)變?yōu)閳A周流動(dòng)，顆粒的徑向分離距離逐漸減小，有利于氣固兩相的分離。

雖然旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其內(nèi)部旋轉(zhuǎn)分離流場(chǎng)卻相當(dāng)復(fù)雜［1-3］，用實(shí)驗(yàn)或者解析的方法研究旋風(fēng)分離器內(nèi)部的流動(dòng)狀況比較困難。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)硬件及計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）技術(shù)的不斷進(jìn)步［4］，數(shù)值方法已成為研究旋風(fēng)分離器的一種重要手段。Griffiths和Boysan［5］運(yùn)用RNG κ-ε模型模擬了旋風(fēng)分離器的流場(chǎng)，考慮了流場(chǎng)壓力各向異性的關(guān)聯(lián)，并且在計(jì)算湍流黏性時(shí)考慮了旋轉(zhuǎn)的影響，計(jì)算得出了不同結(jié)構(gòu)旋風(fēng)分離器的壓降、分級(jí)效率曲線(xiàn)，模擬值和計(jì)算值吻合較好。Yoshida等［6］研究了增加進(jìn)口處二次流導(dǎo)流擋板的改進(jìn)型旋風(fēng)分離器。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，柱段的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度加大，錐段的下降流就增加。粒子的沉積模式表明，增加柱段部分的下傾角可以提高旋風(fēng)分離器的效率。李丹等［7］采用離散相模型（DPM）研究了旋風(fēng)分離器內(nèi)固相顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。當(dāng)入口速度相同時(shí)，不同粒徑的顆粒其運(yùn)動(dòng)軌跡相差很大。隨著粒徑的增大，顆粒旋轉(zhuǎn)的螺距增大，且被分離出的時(shí)間變短。對(duì)于小顆粒，其所受到的離心力較小，且由于其對(duì)氣流的跟隨性較好，大部分顆粒在旋風(fēng)分離器內(nèi)跟隨氣流作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，直至最后才被上旋氣流帶出分離器。

本文運(yùn)用CFD對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析，并將模擬數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，研究E型旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)的分布規(guī)律，這對(duì)旋風(fēng)分離器的設(shè)計(jì)而言具有一定的指導(dǎo)意義。

1　幾何模型及數(shù)值解法

1.1E型旋風(fēng)分離器的幾何結(jié)構(gòu)

E型旋風(fēng)分離器屬于異形進(jìn)口型旋風(fēng)分離器。本文研究的E型旋風(fēng)分離器其直徑D=830 mm，有關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

表1　E型旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)尺寸

圖1為本研究要用到的E型旋風(fēng)分離器部分截面示意圖，其中X軸和Y軸構(gòu)成水平面，Z軸為鉛垂方向。Y=0平面平行于氣流進(jìn)口方向，為X軸沿Z軸移動(dòng)截旋風(fēng)分離器所得；X=0平面垂直于氣流進(jìn)口方向，為Y軸沿Z軸移動(dòng)截旋風(fēng)分離器所得。坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在圓筒體上部與排氣管交界面的中心處，往上為Z軸正方向，往下為Z軸負(fù)方向。在XOY平面上還分別選取了4個(gè)截面，分別在旋風(fēng)分離器的0°、90°、180°和270°方向上。

1.2網(wǎng)格劃分

圖1　E型旋風(fēng)分離器截面示意圖

本研究利用Fluent前處理軟件Gambit 2.3.16做前處理，考慮到旋風(fēng)分離器計(jì)算區(qū)域的不規(guī)則，特將旋風(fēng)分離器分成4個(gè)子區(qū)域（進(jìn)口段、溢流管、圓柱端和圓錐段分離空間）進(jìn)行網(wǎng)格劃分，從而形成了非均勻的四面體網(wǎng)格。對(duì)于邊界條件來(lái)說(shuō)，利用邊界層網(wǎng)格控制橫截面上的面網(wǎng)格，使得網(wǎng)格分布與計(jì)算域的幾何形狀相一致。

1.3數(shù)值模型和邊界條件

采用RNG κ-ε模型模擬旋風(fēng)分離器內(nèi)的不可壓縮流體，其他采用QUICK差分格式和PRESTO的壓力插補(bǔ)格式，求解方程采用SIMPLEC算法。

所謂邊界條件，是指在求解域的邊界上所求解的變量或其一階導(dǎo)數(shù)隨時(shí)間和空間的變化規(guī)律。對(duì)于旋風(fēng)分離器內(nèi)的三維流動(dòng)，邊界條件如下：

（1）進(jìn)口條件。試驗(yàn)值給定入口速度為16.6 m/s。

（2）出口條件。設(shè)置出口邊界為outflow。因排塵口幾乎沒(méi)有氣流流出，所以排塵口的流量權(quán)重為0，排氣口的流量權(quán)重為1。

（3）固體邊壁條件。本文采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理邊界湍流，以給出正確的壁面切應(yīng)力。壁面為無(wú)滑移邊界條件。

2　數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1模擬結(jié)果與測(cè)試結(jié)果的比較

（1）切向速度比較

使用五孔探針對(duì)E型旋風(fēng)分離器內(nèi)部的流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)定，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

圖2為該旋風(fēng)分離器圓柱體空間和上部錐段的切向速度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果對(duì)比圖。從圖2可以看出，總體來(lái)講，分離器內(nèi)切向速度模擬值與實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)吻合較好。在錐段分離空間，隨著半徑的增大，切向速度也增大；到達(dá)最大切向速度點(diǎn)后，隨著半徑的增大，切向速度值變小。試驗(yàn)值比模擬值要大。試驗(yàn)值中，切向速度最大值為54 m/s，而同截面處的模擬最大值約為50.5 m/s，誤差為6.48%。但是模擬值過(guò)渡平穩(wěn)，因?yàn)椴捎昧撕侠淼臄?shù)學(xué)模型，較之試驗(yàn)值，流體微元之間的作用力變化不大。

圖2　切向速度試驗(yàn)值與模擬值的比較

對(duì)于常規(guī)的矩形進(jìn)口的切流式旋風(fēng)分離器，氣流旋轉(zhuǎn)中心偏離的距離為排氣管直徑的1/4。而E型旋風(fēng)分離器氣流旋轉(zhuǎn)中心偏離距離很小，切向速度最大值形成一個(gè)近似圓柱面，該圓柱面的中心與分離器中心基本重合。這樣，排灰口處的下旋流返回到中心區(qū)域時(shí)可以減少二次夾帶。

（2）二次渦流比較

影響旋風(fēng)分離器性能的次流也稱(chēng)為二次渦流。包括上渦流、縱向環(huán)流及底部夾帶。旋風(fēng)分離器頂板、排氣管外與筒體內(nèi)壁之間，由于徑向速度與軸向速度的存在，形成了局部環(huán)流，也叫上渦流。采用異形進(jìn)口的目的，是為了氣流在流速較高處有較大的流通面積，有效地消除上渦流的影響。

縱向環(huán)流是以旋風(fēng)分離器內(nèi)、外環(huán)流分界面為中心的器內(nèi)再循環(huán)而形成的縱向環(huán)流。由于排氣管內(nèi)的有效流通截面小于排氣管管端以下內(nèi)旋流的有效流通面積，因此在排氣管端處產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)，從而使排氣管管端附近的氣體徑向速度大大提高，致使氣體對(duì)大顆粒的曳力超過(guò)了顆粒所受的離心力，造成了短路，影響了分離性能。導(dǎo)流擋板不僅使微粒的徑向分離距離逐漸減小，而且由于與旋風(fēng)頂板保持一定的縫隙，使阻力顯著下降，而且分離效率又有一定的提高。

從圖3可以看出，試驗(yàn)值和模擬值得出的渦流區(qū)是一致的，兩者形成的渦流區(qū)域范圍都很小。因此E型旋風(fēng)分離器提高了分離效率，尤其是對(duì)細(xì)顆粒的捕集。

圖3　等流函數(shù)曲線(xiàn)試驗(yàn)值和模擬值對(duì)比

2.2不同進(jìn)口氣速對(duì)流場(chǎng)分布的影響

（1）不同進(jìn)口氣速對(duì)切向速度分布的影響

在該旋風(fēng)分離器Z軸方向選取三個(gè)截面，分別是Z-A截面500 mm處，Z-B截面1000 mm處，Z-C截面1500 mm處。圖4為不同入口氣速下旋風(fēng)分離器內(nèi)四個(gè)截面處切向速度分布。

由圖4可以看出，隨著進(jìn)口速度的增大，切向速度增大。在整個(gè)分離空間，顆粒受到離心力的作用將會(huì)向壁面移動(dòng)，而外旋流區(qū)較高的切向速度將有助于顆粒向壁面運(yùn)動(dòng)而得到分離。18 m/s時(shí)旋風(fēng)分離器切向速度最高，故其分離效率最高。

（2）不同進(jìn)口氣速對(duì)軸向速度分布的影響

圖5為不同進(jìn)口氣速條件下軸向速度分布。氣速的變化改變了軸向速度的大小，但不改變速度的分布規(guī)律。隨著速度的增加，上行流速度逐漸增加，說(shuō)明旋風(fēng)進(jìn)口氣速所具有的動(dòng)能更多地轉(zhuǎn)化成了流體所具有的軸向速度，但上下行流分界點(diǎn)徑向位置不變。

3　入口粉塵濃度和排氣管直徑對(duì)分離性能的影響

對(duì)于E型旋風(fēng)分離器的分離性能，本研究考察了不同入口濃度和不同排氣管直徑兩種因素。采用離散相模型（DPM）在拉格朗日坐標(biāo)下對(duì)分離效率進(jìn)行數(shù)值模擬，并通過(guò)對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)檢驗(yàn)數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖4　不同進(jìn)口氣速下切向速度分布

圖5　不同進(jìn)口氣速下軸向速度分布

使用DPM模型時(shí)，旋風(fēng)分離器進(jìn)口截面為顆粒的入射面。根據(jù)計(jì)算得到顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡，采用軟件自動(dòng)統(tǒng)計(jì)出顆粒的捕集數(shù)和逃逸數(shù)，經(jīng)計(jì)算即可得到顆粒的分離效率。若顆粒全部逃逸，則顆粒的分離效率為0；若顆粒全部被捕集，則顆粒的分離效率為100%。本文跟蹤了802個(gè)粒徑服從Rossin-Rammler分布的顆粒。

3.1入口粉塵濃度對(duì)旋風(fēng)分離器性能的影響

為了研究入口粉塵濃度對(duì)旋風(fēng)分離器性能的影響，利用數(shù)值模擬的方法分別計(jì)算進(jìn)口速度為18 m/s時(shí)，入口濃度C=4 g/m3、10 g/m3、31 g/m3情況下不同粒徑粉塵的分級(jí)效率。

表2和圖6為不同入口粉塵濃度時(shí)旋風(fēng)分離器總效率與分級(jí)效率的比較。隨著入口粉塵濃度的增加，旋風(fēng)分離器分離效率相應(yīng)提高。在不同的入口粉塵濃度和粒徑范圍內(nèi)，分離效率提高的幅度不一樣。即在4～10 g/m3范圍內(nèi)，分離效率增加較大，小粒徑粉塵分離效率增加明顯。表2中的總效率比較還表明，隨著入口粉塵濃度的增加，開(kāi)始時(shí)分離效率增加明顯，增加到一定程度后，增加程度減小。因此，入口粉塵濃度增大后，旋風(fēng)分離器對(duì)整個(gè)粉塵群的捕集能力提高了，但幅度會(huì)因所處濃度范圍以及粒徑不同會(huì)有所差異。

表2　不同入口粉塵濃度時(shí)旋風(fēng)分離器的總效率

圖6　不同入口粉塵濃度時(shí)旋風(fēng)分離器的分級(jí)效率

3.2排氣管直徑的變化對(duì)旋風(fēng)分離器性能的影響

本文中設(shè)定進(jìn)口粉塵濃度為31 g/m3，在此條件下得到不同排氣管直徑下的分離效率。排氣管直徑確定為de/D=0.443和0.343。

從表3和圖7可以看出，隨著排氣管直徑的減小，旋風(fēng)分離器中固體粉塵的分級(jí)效率會(huì)隨之提高。這主要是因?yàn)楫?dāng)排氣管直徑減小時(shí)，原本一部分從入口直接進(jìn)入升氣管流出的含塵流體也會(huì)隨著理想情況下的路線(xiàn)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，也就是說(shuō)，較細(xì)的排氣管抑制了管壁附近的短路流，使得旋風(fēng)分離器的分離性能得到改善。

表3　不同排氣管直徑時(shí)旋風(fēng)分離器的總效率

圖7　不同排氣管直徑時(shí)旋風(fēng)分離器的分級(jí)效率

4　結(jié)論

本文運(yùn)用CFD對(duì)E型旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬分析，得到如下結(jié)論：

（1）E型旋風(fēng)分離器內(nèi)部的切向速度分布為沿徑向呈“駝峰”形分布，有一個(gè)最大切向速度值將旋風(fēng)分離器內(nèi)流場(chǎng)分為外旋流的準(zhǔn)自由渦和內(nèi)旋流的準(zhǔn)強(qiáng)制渦。隨著進(jìn)口速度的增大，切向速度提高。E型旋風(fēng)分離器氣流旋轉(zhuǎn)中心偏離距離很小，切向速度最大值形成一個(gè)近似圓柱面，該圓柱面的中心與分離器中心基本重合。這樣在排灰口處的下旋流返回到中心區(qū)域時(shí)，可以減少二次夾帶。

（2）影響旋風(fēng)分離器性能的次流也稱(chēng)為二次渦流，包括上渦流、縱向環(huán)流及底部夾帶。E型旋風(fēng)分離器的數(shù)值模擬也描述了二次流的存在。采用異形進(jìn)口，使得氣流在流速較高處有較大流通面積，有效地消除了上渦流的影響。從流場(chǎng)分析E型旋風(fēng)分離器只是在頂壁處出現(xiàn)較小的渦流，同時(shí)下旋氣流的分界面接近于出口管插入深度的四分之一。該區(qū)的軸向速度較小，所以對(duì)上渦流有較大的抑制作用，提高了分離效率［8］。

（3）E型旋風(fēng)分離器內(nèi)部的軸向速度也基本呈軸對(duì)稱(chēng)分布。在靠近外壁的區(qū)域，氣體向下運(yùn)動(dòng)，形成下行氣流；而在靠近軸心部分，氣體則轉(zhuǎn)為向上運(yùn)動(dòng)，形成上行氣流。隨著速度的增加，上行流速度逐漸增加，上下行流分界點(diǎn)徑向位置不變。

（4）旋風(fēng)分離器氣固分離模擬使用DPM模型，試驗(yàn)值與模擬值的誤差不大，但模擬值比試驗(yàn)值要偏小。因?yàn)閿?shù)值模擬采用了理想化的模型，對(duì)于小顆粒的分離效率偏低。而在實(shí)際旋流過(guò)程中，旋風(fēng)分離器的分離過(guò)程還包括顆粒的凝聚、夾帶、靜電等因素。因此有一部分小顆粒隨之被從含塵氣體中分離出來(lái)，從而提高了粉塵總體捕集效率。

［1］金國(guó)淼.化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書(shū)——除塵設(shè)備［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

［2］霍夫曼A C，斯坦因L E.旋風(fēng)分離器原理設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用［M］.彭維明，姬忠禮譯.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［3］張殿印，王純.除塵工程設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［4］王瑞金，張凱，王剛.Fluent技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

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［6］Hideto Yoshida，Yuta Inada，Kunihiro Fukui，et al. Improvement of gas-cyclone performance by use of local fluid flow control method［J］.Powder Technology，2009，193：6-14.

［7］李丹，馬貴陽(yáng)，杜明俊，等.基于DPM的旋風(fēng)分離器內(nèi)顆粒軌跡數(shù)值模擬［J］.遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31（2）：36-38.

［8］夏興祥，等.潔凈煤技術(shù)國(guó)際研討會(huì)論文集［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，1997.

Numerical Simulation and Separation Performance Research on Flow Field of E-Cyclone Separator

Han JieHan KunLiu DeliXia Xingxiang

The characteristics of the secondary flow around the upper top plate in the cyclone separator are analyzed through the numerical simulation method and the simulation results coincides with the experimental results. Then the tangential and axial velocities with different inlet gas velocities are simulated to describe the flow field structural characteristics in the E-cyclone separator.Meanwhile，the DPM method is applied to analyze the effects of the inlet gas velocity，dust concentration and diameter air-vent on the efficiency of the cyclone separator.Similary，the simulation results are consistent with the experimental results.

Cyclone separator；Numerical simulation；Flow field；Flow velocity；Separation performance；Computational fluid dynamics

TQ 051.8+4

2015-08-13）

*韓婕，女，1984年生，碩士，工程師。上海市，200062。