劉云峰

(華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州 450046)

循環(huán)流化床旋風(fēng)分離器改造設(shè)計(jì)

劉云峰

(華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州 450046)

利用Gambit軟件建立了旋風(fēng)分離器的模型，對(duì)旋風(fēng)分離器模型進(jìn)行網(wǎng)格生成。運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)分別對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)部的氣相流場(chǎng)和氣固兩相流場(chǎng)進(jìn)行模擬，觀察數(shù)值模擬的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氣體進(jìn)入旋風(fēng)分離器后速度先增大后減小，之后圍繞旋風(fēng)分離器外部向下運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到旋風(fēng)分離器底部之后開(kāi)始沿著相同方向向上運(yùn)動(dòng)。此外，旋風(fēng)分離器內(nèi)小直徑顆粒比大直徑顆粒湍動(dòng)度更大，運(yùn)動(dòng)的混亂程度更大，同時(shí)分離的難度也在增加。

旋風(fēng)分離器；數(shù)值模擬；氣固兩相流；分離效率

1 研究背景及意義

旋風(fēng)分離器是利用離心力分離氣流中固體顆粒或液滴的機(jī)械設(shè)備，由于它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、制造安裝投資費(fèi)用少、耐高壓高溫、分離效率高等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到環(huán)保、石油、冶金、煤電等眾多領(lǐng)域[1]。

近年來(lái)，隨著技術(shù)的發(fā)展和人類社會(huì)的進(jìn)步，人們也越來(lái)越重視環(huán)境保護(hù)，旋風(fēng)分離器等除塵設(shè)備逐步發(fā)展，在消除大氣粉塵污染，保護(hù)人體健康和維護(hù)生態(tài)穩(wěn)定等方面發(fā)揮著極大的作用。

2 旋風(fēng)分離器基本結(jié)構(gòu)與工作原理

普通旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，一般都是由筒體、進(jìn)氣管、圓錐體、中心筒及排灰口組成。

圖1 旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)

含有粉塵顆粒的氣體從旋風(fēng)分離器進(jìn)口進(jìn)入旋風(fēng)分離器后，氣體會(huì)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的限制導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)軌跡改變。當(dāng)氣體進(jìn)入到旋風(fēng)分離器的圓柱段后，因?yàn)榫哂幸欢ǖ某跛俣?，并且圓柱段為圓形，氣體會(huì)由初速度和圓柱面的限制做圓周運(yùn)動(dòng)。氣體做貼壁旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣體中的粉塵顆粒受到離心力的作用運(yùn)動(dòng)到旋風(fēng)分離器器壁，從而失去之前運(yùn)動(dòng)時(shí)所擁有的能量，會(huì)因旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)被分離排出。當(dāng)向下運(yùn)動(dòng)的氣流運(yùn)動(dòng)到旋風(fēng)分離器的底部后，會(huì)因受力的原因向旋風(fēng)分離器中心靠攏，向旋風(fēng)分離器頂部運(yùn)動(dòng)。因?yàn)楣腆w顆粒和氣體為無(wú)滑移運(yùn)動(dòng)，所以部分顆粒也會(huì)伴隨著氣流向上運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致一部分顆粒從排氣管逃逸，使粉塵顆粒不能從旋風(fēng)分離器的排灰口被分離出來(lái)[2]。

3 旋風(fēng)分離器內(nèi)氣相流場(chǎng)的數(shù)值模擬

旋風(fēng)分離器內(nèi)部是復(fù)雜的氣固兩相流場(chǎng)，但是如果直接對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)部的固體顆粒進(jìn)行模擬會(huì)比較困難和抽象。所以先對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)部的氣相流場(chǎng)進(jìn)行模擬，理解旋風(fēng)分離器內(nèi)氣體的流動(dòng)狀態(tài)對(duì)理解旋風(fēng)分離器的工作過(guò)程以及內(nèi)部流場(chǎng)有很大的幫助。當(dāng)了解旋風(fēng)分離器內(nèi)氣體的流動(dòng)情況，也就可以知道旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)對(duì)氣體流動(dòng)的影響，從而通過(guò)一系列的分析探索，這樣就可以對(duì)旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)做相對(duì)應(yīng)的改善，通過(guò)提高氣相流場(chǎng)的一系列條件的穩(wěn)定性調(diào)高旋風(fēng)分離器的分離效率。

3.1 幾何模型的建立與網(wǎng)格的劃分

利用Gambit軟件對(duì)旋風(fēng)分離器進(jìn)行建模，首先建立了旋風(fēng)分離器的下部錐體段，然后是旋風(fēng)分離器的上部筒體段，對(duì)兩者進(jìn)行合并，之后又建立中心筒筒體段，對(duì)兩者進(jìn)行處理組合，最后建立的是旋風(fēng)分離器的進(jìn)氣段，對(duì)進(jìn)氣段和已建立好的模型進(jìn)行處理合并，最后旋風(fēng)分離器的整個(gè)模型建立完成。此時(shí)，包含兩個(gè)體，一個(gè)是中心筒，另一個(gè)是包含進(jìn)氣管在內(nèi)的筒體灰斗組合體。

要使用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，必須對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。網(wǎng)格劃分的質(zhì)量直接影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和收斂性，如果網(wǎng)格過(guò)多會(huì)導(dǎo)致后期計(jì)算速度降低，計(jì)算時(shí)間增長(zhǎng)，同時(shí)占用的存儲(chǔ)空間也會(huì)較大。

為了提高計(jì)算精度，保證網(wǎng)格的質(zhì)量，對(duì)旋風(fēng)分離器采用了分區(qū)生成網(wǎng)格的方法，把整個(gè)旋風(fēng)分離器模型分成了4個(gè)部分：筒體的下半部分和灰斗、筒體的上半部分、進(jìn)氣管道、中心筒。旋風(fēng)分離器共劃分為88 958個(gè)網(wǎng)格，276 788個(gè)面，96 892個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3.2 計(jì)算模型的選擇及邊界條件的設(shè)定

FLUENT選擇三維單精度求解方式，氣體在旋風(fēng)分離器內(nèi)流動(dòng)為不可壓縮流動(dòng)，選擇壓力求解器，采用默認(rèn)的隱式定常流求解方式，并且設(shè)置為漩渦流為主。

僅對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)的氣體流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，探索未攜帶粉塵的氣體在旋風(fēng)分離器內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，所以旋風(fēng)分離器流場(chǎng)里面介質(zhì)只有空氣，同時(shí)也忽略溫度等效果的影響?？諝獾奈镄詤?shù)見(jiàn)表1。

表1 空氣物性參數(shù)表

由于只研究旋風(fēng)分離器內(nèi)氣相的流動(dòng)，關(guān)于邊界條件設(shè)置很方便。在劃分網(wǎng)格時(shí)已經(jīng)對(duì)旋風(fēng)分離器的各個(gè)邊界進(jìn)行了設(shè)置，這里只需要對(duì)各個(gè)邊界條件稍作改整:(1)進(jìn)氣管為速度進(jìn)口，設(shè)置進(jìn)口速度大小為30 m/s；(2)灰斗捕集口為自由出流，設(shè)置流量為0(這里設(shè)置為自由出流是為氣固兩相流模擬做鋪墊的，出口流量設(shè)置為0是相當(dāng)于壁面的)；(3)中心筒出口為自由出流設(shè)置流量為1；(4)使旋風(fēng)分離器筒體與出氣筒相連，形成了通流； (5)其余各面均設(shè)置為無(wú)滑移壁面。

因?yàn)樾L(fēng)分離器內(nèi)部氣體流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為湍流狀態(tài)，這就需要通過(guò)規(guī)定旋風(fēng)分離器進(jìn)口的條件來(lái)約束及確定湍流狀態(tài)。

3.3 設(shè)置求解控制參數(shù)

完成了旋風(fēng)分離器模型的建立、網(wǎng)格的生成、計(jì)算方法的選用以及各個(gè)進(jìn)出口邊界條件的約束等工作，之后需要選擇離散格式、設(shè)置欠松弛因子等條件，就可以使用FLUENT自帶的求解器對(duì)旋風(fēng)分離器模型進(jìn)行計(jì)算求解了。

我們對(duì)旋風(fēng)分離器劃分網(wǎng)格時(shí)采用的六面體網(wǎng)格，耦合方程和動(dòng)量方程之間速度壓力產(chǎn)值格式選擇速度壓力產(chǎn)值格式(PRESTO)格式。求解器中其他參數(shù)不做改變，保持默認(rèn)即可，設(shè)置迭代步數(shù)為3 000，開(kāi)始對(duì)旋風(fēng)分離器模型進(jìn)行計(jì)算。

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過(guò)數(shù)值模擬可以觀察出旋風(fēng)分離器內(nèi)各個(gè)平面內(nèi)的流動(dòng)情況，如圖2所示。旋風(fēng)分離器在錐體段的速度分布云圖為一個(gè)個(gè)圓環(huán)，在同一個(gè)圓環(huán)上速度相等，圓環(huán)分布相間距離在外部距離大說(shuō)明速度梯度較小，在中間部分圓環(huán)之間距離小說(shuō)明在旋風(fēng)分離器中間部分速度梯度較大。通過(guò)看速度分布云圖和計(jì)算結(jié)果可以看出氣流在旋風(fēng)分離器后速度先增大，在中心筒附近達(dá)到最大。由圖2可看出在旋風(fēng)分離器下部中心軸線處速度較低，在中心軸線到旋風(fēng)分離器器壁之間速度逐漸增高。

圖2 不同高度截面上的速度等值線

圖3所示箭頭方向?yàn)闅怏w運(yùn)動(dòng)方向，當(dāng)氣體進(jìn)入旋風(fēng)分離器后因?yàn)槭艿叫L(fēng)分離器結(jié)構(gòu)的約束，箭頭方向偏向下，說(shuō)明氣體除了做圓周運(yùn)動(dòng)以外還有偏向下的分速度。另外通過(guò)速度矢量圖可以知道旋風(fēng)分離器中心處的提起箭頭方向與外部箭頭方向相同，說(shuō)明內(nèi)部氣流旋轉(zhuǎn)方向與外部氣流旋轉(zhuǎn)方向相同，只不過(guò)內(nèi)部氣流有豎直向上的分速度，與外部氣流相反，并且隨著截面高度的增加，向上運(yùn)動(dòng)的速度分量越大，其中中心筒進(jìn)口速度最大。

圖3 不同高度橫截面上的速度矢量

速度分布圖中有許多小圓圈的存在，如圖4所示。這是旋風(fēng)分離器內(nèi)部存在的二次渦，其中最主要的二次渦發(fā)生在旋風(fēng)分離器器壁附近，此渦會(huì)把部分附著在旋風(fēng)分離器器壁上的顆粒帶到旋風(fēng)分離器上部為使其無(wú)法分離，另外可以看到y(tǒng)=0截面圖中中間部分速度有“擺尾”現(xiàn)象。

圖4 y=0截面速度

4.1 軸向速度分布

如圖5所示，在0 m處左右兩側(cè)軸向速度相等。在0.4 m處軸向速度為零，并且軸向速度大部分為正值，而有一小部分為負(fù)值。其中在左右0.4 m兩側(cè)為下行流，而在左右0.4 m之間為上行流。從圖中可以直觀地看出上行流被左右兩側(cè)的下行流包圍，這也是旋風(fēng)分離器內(nèi)部存在二次流的原因。另外可以看出軸向速度在靠近旋風(fēng)分離器中心上部達(dá)到最大值。

圖5 Y=0軸向速度分布

4.2 徑向速度分布

如圖6所示，徑向速度以中心線為分界線，左側(cè)為正，右側(cè)為負(fù)。徑向速度的最大值出現(xiàn)在中心筒和剛進(jìn)入下部椎體的部位。當(dāng)徑向速度較大時(shí)，粉塵顆粒受到的干擾也會(huì)增大，可能會(huì)導(dǎo)致粉塵顆粒進(jìn)入內(nèi)旋流區(qū)域，降低旋風(fēng)分離器的分離效率。而且在圖中可以發(fā)現(xiàn)，徑向速度除了在中心軸線附近成對(duì)出現(xiàn)之外，在其他部位的徑向速度接近于零，這說(shuō)明處徑向速度在旋風(fēng)分離器的其他部位運(yùn)動(dòng)并不明顯。由于上文說(shuō)出有氣流短路現(xiàn)象，此現(xiàn)象是因?yàn)橹行耐驳南拗茖?dǎo)致徑向速度變化劇烈產(chǎn)生的。

圖6 Y=0徑向速度分布

4.3 流場(chǎng)的湍流結(jié)構(gòu)

旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)是強(qiáng)旋轉(zhuǎn)湍流流場(chǎng)，湍流流體的流動(dòng)很不規(guī)律，雷諾數(shù)較大，湍動(dòng)度很大，這樣會(huì)使流體的能量損失增大。因?yàn)樾L(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)較混亂，會(huì)使流動(dòng)產(chǎn)生很多阻力，通過(guò)數(shù)值模擬可以觀察旋風(fēng)分離器各個(gè)部位所對(duì)應(yīng)的能量損失，會(huì)對(duì)旋風(fēng)分離器的改造提供一些信息。

4.3.1 湍動(dòng)能

湍動(dòng)能是指在湍流流動(dòng)中單位質(zhì)量流體由于湍流脈動(dòng)所獲得的能量,是通過(guò)雷諾應(yīng)力做功獲得能量的。

如圖7所示，在同一水平截面中從中心向外處湍動(dòng)能先增大再減小。在0.3 m處湍動(dòng)能變到最大，最大值為160 m2/s2。之后開(kāi)始減小，到器壁處減到最小值，不同截面的最小值不同。另外從圖中可以看出，在中心區(qū)域湍動(dòng)能變化較快，導(dǎo)致這個(gè)區(qū)域內(nèi)能量損失加大。可以看出在壁面處湍動(dòng)能變化幅度比較小，這個(gè)區(qū)域內(nèi)氣流損失的能量也就少。

圖7 湍動(dòng)能分布

4.3.2 湍動(dòng)能耗散率

湍動(dòng)能耗散率指脈動(dòng)黏性應(yīng)力與脈動(dòng)應(yīng)變率的乘積，湍動(dòng)能耗散率表示湍流動(dòng)能與分子動(dòng)能之間發(fā)生轉(zhuǎn)換，最終這些能量以熱量的形式消耗。

湍動(dòng)能耗散度的分布也是在旋風(fēng)分離器的圓柱段較大，在旋風(fēng)分離器下部較小，如圖8所示。這個(gè)特點(diǎn)和湍動(dòng)能分布一樣。說(shuō)明在圓柱段氣流湍動(dòng)最為強(qiáng)烈，運(yùn)動(dòng)規(guī)律性較低，損失的能量也越多，與湍動(dòng)能的結(jié)論一致。湍動(dòng)能耗散度的值在中心筒與旋風(fēng)分離器內(nèi)的地方值比較大。

圖8 湍動(dòng)能耗散率分布

流場(chǎng)的湍流結(jié)構(gòu)能將湍流能量的分布以及損失情況都反映出來(lái)，當(dāng)做一些適當(dāng)?shù)母脑炷軌驕p少湍動(dòng)能和湍動(dòng)能耗散度時(shí)，也就能相應(yīng)的提高旋風(fēng)分離器的分離效率，降低旋風(fēng)分離器的能耗。

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)氣體在分離器內(nèi)速度可以分解為3個(gè)，其中氣流的切向速度對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響最大。旋風(fēng)分離器內(nèi)靜壓和總壓的分布基本一樣，會(huì)在中心處的值比較小，在兩側(cè)的值比較大，并且在軸線兩邊左右分布一樣。

(2)從模擬處理后的結(jié)果可以看出，顆粒在旋風(fēng)分離器內(nèi)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)到達(dá)排灰口排出，10 μm的顆粒轉(zhuǎn)的圈數(shù)比3 μm顆粒的少，在其內(nèi)部停留的時(shí)間也短。另外可以看到有一部分顆粒直接從中心筒逃跑了，3 μm的顆粒比10 μm的顆粒更容易發(fā)生這種情況。

[1]魏新利,張海紅,王定標(biāo),等.旋風(fēng)分離器內(nèi)顆粒軌跡的數(shù)值模擬[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2004,25(3):14-17.

[2]Yang W Q，Liu S. Role of tomography in gas/solids flow measurement[J].Flow Measurement and Instrumentation，2000，11(3)：237-244.

(本文責(zé)編：齊琳)

劉云峰(1986—)，男，河南周口人，助理工程師，從事機(jī)電研究方面的工作(E-mail:412697294@qq.com)。

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1674-1951(2017)11-0022-04

2017-10-11；

2017-11-15