黨敏輝，鄭化安，張生軍，樊英杰，李學(xué)強(qiáng)，劉今乾，張 喻

(1.國(guó)家煤業(yè)化工集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065；2.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065；3.國(guó)家能源煤炭分質(zhì)清潔轉(zhuǎn)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

FLUENT在旋風(fēng)分離器氣固分離中的應(yīng)用進(jìn)展

黨敏輝1，2，3，鄭化安1，2，3，張生軍1，2，3，樊英杰1，2，3，李學(xué)強(qiáng)1，2，3，劉今乾1，2，3，張 喻1，2，3

(1.國(guó)家煤業(yè)化工集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065；2.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065；3.國(guó)家能源煤炭分質(zhì)清潔轉(zhuǎn)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

旋風(fēng)分離器作為一種具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無運(yùn)動(dòng)部件、維修方便、分離效率高等優(yōu)點(diǎn)的氣固分離設(shè)備，近年來在理論研究及工程應(yīng)用等方面受到了研究者的廣泛關(guān)注。FLUENT具有強(qiáng)大的網(wǎng)格支持能力、豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值算法及強(qiáng)大的前后處理能力，廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、材料、冶金、環(huán)保等領(lǐng)域的模擬優(yōu)化。本文就近年來FLUENT軟件在旋風(fēng)分離器氣固分離中的應(yīng)用成果和發(fā)展情況進(jìn)行了總結(jié)和評(píng)述，并進(jìn)行了展望。

旋風(fēng)分離器；FLUENT；模擬；氣固分離

旋風(fēng)分離器是一種常見的氣固分離設(shè)備，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無運(yùn)動(dòng)部件、維修方便、分離效率高、適用于高壓、高溫、含塵濃度高的工況等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于化工、冶金、發(fā)電、環(huán)保等領(lǐng)域[1]。

由于實(shí)驗(yàn)條件的限制以及計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體力學(xué)的快速發(fā)展，數(shù)值模擬在旋風(fēng)分離器氣固分離研究中受到廣泛關(guān)注和應(yīng)用。數(shù)值模擬方法具有一系列優(yōu)點(diǎn)，首先它能夠根據(jù)需要任意調(diào)整各相關(guān)參數(shù)，不受材料、物性等客觀因素的限制。其次，數(shù)值模擬還能夠得出通過實(shí)驗(yàn)方法很難觀察到的流動(dòng)內(nèi)部細(xì)節(jié)，比如可以計(jì)算出兩相流中的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)及壓力場(chǎng)等。

FLUENT作為現(xiàn)階段應(yīng)用最為廣泛的計(jì)算流體力學(xué)商業(yè)軟件，具有強(qiáng)大的網(wǎng)格支持能力、豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值算法及強(qiáng)大的前后處理能力。很多研究者都用FLUENT軟件對(duì)旋風(fēng)分離器進(jìn)行了數(shù)值模擬研究[2-4]。

1 FLUENT簡(jiǎn)介

FLUENT是目前最為流行的商用軟件之一，在美國(guó)的市場(chǎng)占有率為60%，凡是與流體、熱傳遞及化學(xué)反應(yīng)等有關(guān)的領(lǐng)域均可使用。它具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法及強(qiáng)大的前后處理功能，在航空航天、石油化工、材料、冶金、核能、環(huán)保等很多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用[5]。

FLUENT能穩(wěn)健高效地求解不同的物理模型和流動(dòng)類型，比如穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)、不可壓縮或可壓縮流動(dòng)、層流或湍流、牛頓流或非牛頓流等。FLUENT提供了豐富的湍流模型，比如Spalart-Allmaras模型、k-ε模型、k-ω模型、雷諾應(yīng)力模型(RSM)、大渦模擬模型(LES)等；也提供了多種多相流模型，比如VOF模型、Mixture模型、Eulerian模型、拉格朗日模型等。

2 FLUENT在旋風(fēng)分離器氣固分離中的研究進(jìn)展

黃興華等[2]用RNG k-X模型模擬氣相紊流特性，用FLUENT軟件對(duì)切向進(jìn)口旋風(fēng)分離器內(nèi)的氣相流場(chǎng)和顆粒分離效率進(jìn)行了三維數(shù)值研究。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)RNG k-X模型能較好地模擬分離器內(nèi)的強(qiáng)旋流場(chǎng)。采用拉格朗日模型對(duì)固相顆粒的軌跡進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)顆粒進(jìn)口位置及進(jìn)口速度對(duì)分離效率都有較大影響；排氣管直徑越小，分離效率越大，但當(dāng)排氣管直徑減小到一定值時(shí)，效率提高的幅度減小。

Gimbun, J等[3]借用FLUENT軟件，考察了溫度及入口速度對(duì)旋風(fēng)分離器壓降的影響。并與文獻(xiàn)中的四個(gè)預(yù)測(cè)旋風(fēng)分離器壓降的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬能很好地預(yù)測(cè)旋風(fēng)分離器的壓降，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的最大偏差僅為3%。

宋健斐等[6]用雷諾應(yīng)力模型對(duì)蝸殼式旋風(fēng)分離器內(nèi)氣相流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。發(fā)現(xiàn)旋風(fēng)分離器環(huán)形空間的流場(chǎng)呈現(xiàn)明顯的非軸對(duì)稱分布；筒體空間和錐體空間的流場(chǎng)也存在一定的非軸對(duì)稱性。入口結(jié)構(gòu)不對(duì)稱導(dǎo)致了流場(chǎng)的非軸對(duì)稱性。從而導(dǎo)致沿軸向氣流的旋轉(zhuǎn)中心與旋風(fēng)分離器的幾何中心不重合。

萬古軍等[7]通過FLUENT軟件，采用改進(jìn)的各向異性的RSM模型，考察了氣體溫度(293～1273 K)對(duì)蝸殼式旋風(fēng)分離器內(nèi)氣相流場(chǎng)的影響。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。結(jié)果表明，溫度對(duì)旋風(fēng)分離器的流場(chǎng)有較大影響，尤其對(duì)切向速度影響很大。切向速度隨溫度升高而降低，同時(shí)強(qiáng)制渦區(qū)擴(kuò)大，沿軸向的衰減增大。溫度變化是通過引起氣體粘度和切向速度的變化而影響旋風(fēng)分離器的分離性能。

萬古軍等[8]考察了壓力對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)顆粒濃度分布的影響。氣相采用修正的雷諾應(yīng)力模型，顆粒相運(yùn)動(dòng)采用顆粒隨機(jī)軌道模型，對(duì)0.1～6.5 MPa壓力下旋風(fēng)分離器內(nèi)氣固兩相流流場(chǎng)進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明，旋風(fēng)分離器粒級(jí)效率隨壓力的增加而增大，當(dāng)壓力超過3.0 MPa后，壓力對(duì)粒級(jí)效率影響不大。

姜小放等[9]采用RSM模型模擬氣相有旋流動(dòng)，利用DPM離散模型進(jìn)行顆粒相跟蹤，通過FLUENT軟件對(duì)引入二次流的旋風(fēng)分離器各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。發(fā)現(xiàn)二次流有助于提高旋風(fēng)分離器的分離效率及流場(chǎng)穩(wěn)定性，不同的進(jìn)風(fēng)角度和速度對(duì)分離效率都有影響，為旋風(fēng)分離器的開發(fā)提供了參考依據(jù)。

趙宏強(qiáng)等[10]利用大渦模擬，對(duì)切向入口的Stairmand旋風(fēng)分離器內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。研究發(fā)現(xiàn)，大渦模擬適合于三維強(qiáng)旋流的流場(chǎng)模擬，分離器內(nèi)部的內(nèi)、外兩個(gè)流動(dòng)區(qū)域中，氣體壓力、速度的分布有較大的差異，且壓力分布與速度分布不是絕對(duì)的軸對(duì)稱分布。

高翠芝等[4]通過數(shù)值模擬的方法考察了排氣管直徑及結(jié)構(gòu)對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)軸向速度分布形態(tài)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，隨著排氣管直徑增大，軸向速度徑向分布由倒V形轉(zhuǎn)變成M形，軸向速度滯流最先產(chǎn)生在排氣管內(nèi)并不斷向分離器下部擴(kuò)展，排氣管直徑增大到一定值，軸向速度滯流甚至擴(kuò)展至整個(gè)分離器空間。排氣管下端擴(kuò)口或縮口均影響軸向速度的分布形態(tài)。

趙新學(xué)等[11]用雷諾應(yīng)力模型和離散相模型，對(duì)旋風(fēng)分離器壁面磨損進(jìn)行了研究，并對(duì)磨損原因進(jìn)行了分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬能夠定性預(yù)測(cè)旋風(fēng)分離器壁面的磨損情況，發(fā)現(xiàn)壁面磨損的主要部位為入口區(qū)域、錐體下部、灰斗以及料腿的上部等，同時(shí)也得出了壁面磨損的分布云圖，這些為旋風(fēng)分離器的優(yōu)化設(shè)計(jì)、壁面磨損的分析及防磨措施的提出具有一定的參考價(jià)值。

劉成文等[12]利用FLUENT軟件考察了壁面粗糙度對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)流場(chǎng)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨壁面粗糙度的增大，切向速度明顯減小，軸向速度沒有明顯的變化規(guī)律，徑向速度在流場(chǎng)大部分區(qū)域減小，外旋流區(qū)的靜壓力明顯減小。

葛坡等[13]選用RSM模型，利用FLUENT軟件研究了對(duì)稱多入口型旋風(fēng)分離器內(nèi)部的流場(chǎng)。該對(duì)稱多入口型由周向布置的12個(gè)導(dǎo)流葉片組成。結(jié)果表明，對(duì)稱性的結(jié)構(gòu)有助于對(duì)稱流場(chǎng)的形成；切向速度分布有著明顯的駝峰特征，軸向速度分布分為上行流、下行流區(qū)域，壓力為順壓分布。

路偉等[14]借助FLUENT軟件，采用RSM模型，對(duì)螺旋式旋風(fēng)分離器內(nèi)的三維強(qiáng)旋流場(chǎng)進(jìn)行了模擬。該旋風(fēng)分離器內(nèi)流動(dòng)較為穩(wěn)定，但在螺旋通道的中心區(qū)域存在回流和二次流?；亓髟龃罅酥行膮^(qū)域的流動(dòng)阻力，能量損失主要發(fā)生在中心區(qū)域及壁面處。

梁紹青等[15]基于非穩(wěn)態(tài)RSM，采用FLUENT軟件對(duì)旋風(fēng)分離器流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，將Q判據(jù)應(yīng)用于旋風(fēng)分離器內(nèi)漩渦結(jié)構(gòu)的識(shí)別，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，非穩(wěn)態(tài)RSM模型對(duì)切向速度能很好的預(yù)測(cè)，幾乎與實(shí)驗(yàn)一致，軸向速度與實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)一致，能夠很好的預(yù)測(cè)軸向速度的"駝峰"結(jié)構(gòu)；利用Q判據(jù)能夠?qū)⑿L(fēng)分離器內(nèi)部的旋進(jìn)渦及環(huán)形空間二次渦進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別。

劉豐等[16]利用FLUENT軟件，對(duì)比模擬了單旋風(fēng)分離器和兩套完全軸對(duì)稱排布的并聯(lián)旋風(fēng)分離器的氣相流場(chǎng)。結(jié)果表明，兩臺(tái)和四臺(tái)并聯(lián)時(shí)各分離元件流量偏差分別不超過0.35%和0.28%，壓降最大偏差為0.79%和0.43%，流量分配均勻；對(duì)稱排列的分離元件在公共灰斗中會(huì)形成自穩(wěn)定性的對(duì)稱渦系，對(duì)分離元件內(nèi)旋進(jìn)渦核的擺動(dòng)有約束作用，旋流穩(wěn)定性增強(qiáng)。

陳建義等[17]研究了差異旋風(fēng)分離器并聯(lián)性能。作者按中心對(duì)稱方式建立了相同、旋向差異和芯管差異等三種分離器并聯(lián)方案。通過冷態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了單分離器及各并聯(lián)方案的性能，并利用FLUENT軟件模擬了各并聯(lián)分離器的流場(chǎng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，三種并聯(lián)分離器的分離效率均高于單分離器，且相同分離器并聯(lián)的分離效率最高。因此，工程應(yīng)用時(shí)，應(yīng)盡可能采用相同分離器對(duì)稱并聯(lián)的方式。

3 結(jié)論與展望

綜述所述，許多研究者利用FLUENT軟件考察了設(shè)備結(jié)構(gòu)、操作條件等對(duì)各種類型旋風(fēng)分離器的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)及壓力場(chǎng)等的影響?？梢钥闯觯現(xiàn)LUENT軟件在旋風(fēng)分離器氣固分離中具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，耗時(shí)更多、但更精確的雷諾應(yīng)力模型湍流模型逐漸被廣泛選用。可以預(yù)判更加耗時(shí)，但更加準(zhǔn)確的直接數(shù)值模擬模型必將會(huì)得到廣泛應(yīng)用，從而進(jìn)一步提高數(shù)值模擬預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，為旋風(fēng)分離器優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

[1] 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.

[2] 黃興華,王道連,王如竹,等. 旋風(fēng)分離器中氣相流動(dòng)特性及顆粒分離效率的數(shù)值研究[J]. 動(dòng)力工程,2004,24(3):436-441.

[3] Gimbun J, Chuah T G, Fakhru'l-Razi A, et al. The influence of temperature and inlet velocity on cyclone pressure drop: a CFD study[J]. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 2005,44(1):7-12.

[4] 高翠芝,孫國(guó)剛,董瑞倩. 排氣管對(duì)旋風(fēng)分離器軸向速度分布形態(tài)影響的數(shù)值模擬[J].化工學(xué)報(bào),2010,61(9):2409-2416.

[5] 屈一新. 化工過程數(shù)值模擬及軟件[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2006.

[6] 宋健斐,魏耀東,時(shí)銘顯. 蝸殼式旋風(fēng)分離器氣相流場(chǎng)的非軸對(duì)稱特性的模擬[J].化工學(xué)報(bào),2005,56(8):1397-1402.

[7] 萬古軍,魏耀東,時(shí)銘顯. 高溫條件下旋風(fēng)分離器內(nèi)氣相流場(chǎng)的數(shù)值模擬[J]. 過程工程學(xué)報(bào),2007,7(5):871-876.

[8] 萬古軍,孫國(guó)剛,魏耀東,等. 壓力對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)顆粒濃度分布影響的模擬[J]. 石油學(xué)報(bào)(石油加工),2008,24(6):689-696.

[9] 姜小放,曹西京. 二次流旋風(fēng)分離器的數(shù)值模擬與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 輕工機(jī)械,2009,27(6):34-37.

[10] 趙宏強(qiáng),蔣海華,謝武裝. 基于大渦模擬的旋風(fēng)分離器內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬研究[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào),2009,3(4):759-763.

[11] 趙新學(xué),金有海,孟玉青,等. 旋風(fēng)分離器壁面磨損的數(shù)值分析[J]. 流體機(jī)械,2010,38(4):18-22.

[12] 劉成文,李兆敏,李希成. 壁面粗糙度對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)流場(chǎng)影響的數(shù)值模擬[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào),2011,5(10):2331-2336.

[13] 葛 坡,袁惠新,付雙成. 對(duì)稱多入口型旋風(fēng)分離器的數(shù)值模擬[J]. 化工進(jìn)展,2012,31(2):296-299.

[14] 路偉,胡少波,方 敏. 基于CFD的螺旋式旋風(fēng)分離器數(shù)值模擬[J]. 湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2012,27(4):37-40.

[15] 梁紹青,王鋮健. 旋風(fēng)分離器流場(chǎng)數(shù)值模擬及其渦結(jié)構(gòu)識(shí)別[J]. 煤炭學(xué)報(bào),2014,39(S1):262-266.

[16] 劉 豐,陳建義,張愛琴,等. 并聯(lián)旋風(fēng)分離器的旋流穩(wěn)定性分析[J]. 過程工程學(xué)報(bào),2015,15(6):923-928.

[17] 陳建義,高 銳,劉秀林,等. 差異旋風(fēng)分離器并聯(lián)性能測(cè)量及流場(chǎng)分析[J]. 化工學(xué)報(bào),2016,67(8):3287-3296.

(本文文獻(xiàn)格式：黨敏輝，鄭化安，張生軍，等.FLUENT在旋風(fēng)分離器氣固分離中的應(yīng)用進(jìn)展 [J].山東化工，2017，46(12)：82-83，85.)

The Application of FLUENT in Gas-Solid Cyclone Separator

DangMinhui1，2，3,ZhengHuaan1，2，3,ZhangShengjun1，2，3,FanYingjie1，2，3,LiXueqiang1，2，3,LiuJinqian,ZhangYu1，2，3

(1.Shaanxi Coal and Chemical Industry Co.,Ltd.,Xi'an 710065, China;2.Shaanxi Coal and Chemical Technology InstituteCo., Ltd.,Xi'an 710065, China;3.State Energy Key Laboratory of Clear Coal Grading Conversion, Xi'an 710065, China)

As a gas-solid separation device with simple structure, no moving parts, easy maintenance and high separation efficiency, cyclone separator has attracted much attention in recent years in theoretical research and engineering application. FLUENT has a strong grid support capability, rich physical model, advanced numerical algorithms and powerful pre-processing and post-processing capabilities, and it is widely used in the simulation and optimization of aerospace, petrochemical, materials, metallurgy, environmental protection. In this paper, the application and development of FLUENT software in gas-solid cyclone separators are summarized and reviewed, and the prospect is also discussed.

cyclone separator; FLUENT; simulation; gas-solid separation

2017-04-14

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“煤熱解共性關(guān)鍵技術(shù)研究及碎煤熱解工程化應(yīng)用”(2016YFB0600403)

黨敏輝(1984—)，河南漯河人，博士，工程師，主要從事煤熱解技術(shù)的研究。

TQ028.2; TQ015.9

A

1008-021X(2017)12-0082-02