高助威， 王 娟， 王江云， 毛 羽， 李 軍， 魏耀東

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(北京) 重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 102249； 2. 過程流體過濾與分離技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 102249)

旋風(fēng)分離器是利用離心力作用進(jìn)行氣-固分離的設(shè)備。其內(nèi)部為強(qiáng)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生渦。渦在流體運(yùn)動(dòng)過程中有重要影響，渦的形成、發(fā)展、運(yùn)動(dòng)會(huì)造成流體能量的損失，使運(yùn)動(dòng)流體能量衰減[1-2]。由于氣流在排氣管內(nèi)處于劇烈的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致旋風(fēng)分離器內(nèi)仍存在一些局部的強(qiáng)湍流和不利于顆粒分離的渦，這些渦的存在對(duì)旋風(fēng)分離器的分離性能有很大影響。為此，學(xué)者們[3-8]對(duì)其進(jìn)行了研究和分析。Yazdabadi等[9]、Stefen等[10]分析表明，旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)空間存在旋渦脫落現(xiàn)象；Hoekstra等[11]、Derksen等[12]運(yùn)用激光多普勒測(cè)速儀(Laser dopplervelocimetry，LDV)測(cè)量了旋風(fēng)分離器流場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部存在旋進(jìn)渦核(Precession vortex core，PVC)現(xiàn)象；吳小林等[13]、嚴(yán)超宇等[14]運(yùn)用激光粒子成像(Particle image velocimetry，PIV)技術(shù)分析了旋風(fēng)分離器內(nèi)旋進(jìn)渦核現(xiàn)象，表明在排塵口附近渦的運(yùn)動(dòng)較為劇烈，擺動(dòng)較大；高助威等[15]、梁紹青等[16]將渦識(shí)別的方法運(yùn)用于旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬中，使渦的分布更具有直觀性；王江云等[17-20]、孟文等[21]分析了旋風(fēng)分離器的內(nèi)部流場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)排氣管直徑大小對(duì)內(nèi)部非軸對(duì)稱性有較大影響。雖然排氣管直徑對(duì)分離效率和壓降[22-24]影響較大，但是前人分析流場(chǎng)時(shí)大多利用切向速度和軸向速度來推測(cè)渦的結(jié)構(gòu)，針對(duì)分離器內(nèi)部流場(chǎng)空間中渦的運(yùn)動(dòng)形態(tài)及如何發(fā)展的描述并不明確。因此，筆者從渦分析的角度出發(fā)，通過對(duì)內(nèi)部氣相流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)4種不同排氣管直徑的旋風(fēng)分離器同時(shí)引入Q判據(jù)識(shí)別內(nèi)部流場(chǎng)空間渦的結(jié)構(gòu)，探究渦的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，來分析排氣管直徑大小對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)部空間渦的影響，以期為旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及性能改進(jìn)提供參考。

1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

圖1為單入口蝸殼式旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)示意圖。筒體直徑D為140 mm，入口截面系數(shù)KA為5.63。采用直角坐標(biāo)系，原點(diǎn)在排氣管入口截面的中心處，z軸坐標(biāo)沿筒體向上為正，x軸正方向平行于進(jìn)氣管并與入口氣流方向相反。

圖1 單入口蝸殼式旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure of the cyclone with single volute inlet

模擬計(jì)算時(shí)，選取4種不同的排氣管直徑尺寸進(jìn)行對(duì)比分析，物性參數(shù)及無(wú)量綱數(shù)據(jù)見表1。

表1 旋風(fēng)分離器不同排氣管直徑的尺寸

1)Dr=De/D

圖2為不同排氣管直徑旋風(fēng)分離器的計(jì)算網(wǎng)格示意圖。利用ANSYS ICEM軟件對(duì)旋風(fēng)分離器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，保證所有網(wǎng)格為六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，不存在較大的扭曲。此外，蝸殼式旋風(fēng)分離器存在切向入口，而切向入口存在進(jìn)口網(wǎng)格尖銳性的問題，所以需要對(duì)局部區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行特殊處理。

2 計(jì)算模型

2.1 湍流模型及控制方程組

圖2 不同排氣管直徑旋風(fēng)分離器的計(jì)算網(wǎng)格示意圖

旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)空間為十分復(fù)雜的三維強(qiáng)旋轉(zhuǎn)湍流流場(chǎng)，其內(nèi)部流體具有各向異性的性質(zhì)，故模擬計(jì)算時(shí)采用雷諾應(yīng)力(Reynolds stress model，RSM)湍流模型[25]?？刂品匠倘缦拢?/p>

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

在RSM模型中，輸運(yùn)方程可以表示為：

Dij+Pij+Πij+εij+Sij

(3)

湍流擴(kuò)散項(xiàng)：

(4)

應(yīng)力產(chǎn)生項(xiàng)：

(5)

壓力應(yīng)變項(xiàng)：

(6)

耗散項(xiàng)：

(7)

2.2 差分格式及算法

模擬計(jì)算采用FLUENT商用軟件，壓力梯度項(xiàng)選擇PRESTO！(Pressure staggering option)插值格式。當(dāng)網(wǎng)格均為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格時(shí)，QUICK格式具有較高的精度，所以各方程對(duì)流項(xiàng)均采用QUICK差分格式。此外，算法采用SIMPLE算法，收斂較快。

2.3 介質(zhì)和邊界條件

介質(zhì)為常溫常壓的空氣，密度為1.225 kg/m3，黏度為1.789×10-4Pa·s。

(1)入口邊界條件

采用速度入口邊界條件，速度為15 m/s。入口處的湍流強(qiáng)度I及水力直徑DH分別為：

(8)

(9)

(2)出口邊界條件

采用壓力出口邊界條件，并假設(shè)為充分發(fā)展，壓力為101.325 kPa。在計(jì)算時(shí)將出口管路加長(zhǎng)，以保證充分發(fā)展的條件成立。

(3)壁面邊界條件

采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進(jìn)行處理，壁面設(shè)置無(wú)滑移邊界條件。因?qū)嶒?yàn)時(shí)旋風(fēng)分離器外壁為有機(jī)玻璃，設(shè)置壁面粗糙度系數(shù)(Roughness constant)為0.2，一般默認(rèn)為0.5。

3 模型的可靠性驗(yàn)證

模擬計(jì)算時(shí)，設(shè)置z為10 mm，-10 mm，-100 mm，-300 mm，-500 mm，-700 mm，-900 mm，-1100 mm，-1300 mm，-1500 mm，-1700 mm，-1900 mm共12個(gè)監(jiān)測(cè)面。將z=-300 mm截面計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[21]中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，說明建立的模型可以用于分析旋風(fēng)分離器的內(nèi)部流場(chǎng)。

圖3 旋風(fēng)分離器切向速度測(cè)量值與模擬值對(duì)比Fig.3 Comparison of tangential velocity distribution of simulation results and experimental dataz=-300 mmDr: (a) 0.21; (b) 0.36; (c) 0.46; (d) 0.57

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 渦結(jié)構(gòu)的識(shí)別及Q判據(jù)

(10)

圖4為Q=20000 s-2和Q=60000 s-2時(shí)旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)空間的三維渦等值面。根據(jù)三維渦等值面的云圖，能夠較為直觀地看出旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)渦的變化趨勢(shì)。從排氣管下端到5D范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)于旋風(fēng)分離器的分離空間，渦等值面呈螺旋面分布，呈現(xiàn)一定扭曲；隨著渦的旋進(jìn)，渦攜帶的能量逐漸耗散，渦等值面等效直徑逐漸變??；在5D之后，渦等值面扭曲度變小，等效直徑變化較??；但在筒體尾端區(qū)域，因靠近排塵口，渦等值面有少許擺動(dòng)。這些表明渦的結(jié)構(gòu)在分離空間呈螺旋狀向下發(fā)展，隨著渦向下旋進(jìn)，能量逐漸衰減；到一定程度時(shí)，渦結(jié)構(gòu)開始平穩(wěn)；但在筒體尾端，靠近排塵口處，由于氣流作用，渦的結(jié)構(gòu)有新的變化。

圖4 渦判據(jù)的渦等值面Fig.4 Iso-vortex surface of vortex identificationQ/s-2: (a) 20000; (b) 60000

當(dāng)Q=20000 s-2時(shí)，可以看出Dr=0.36筒體尾端渦等值面的扭曲度最??；Dr=0.57筒體尾端渦等值面的扭曲度最大，表明當(dāng)排氣管相對(duì)直徑較大時(shí)，分離器筒體尾端渦的分布較為不規(guī)則，渦核的旋進(jìn)速度較快；而Dr=0.21筒體尾端渦等值面扭曲度相對(duì)較小，但又高于Dr=0.36，說明當(dāng)排氣管相對(duì)直徑過小時(shí)，尾端渦的扭曲度變大，湍動(dòng)作用加劇，能量損失會(huì)有所提升。以上這些表明，在一定范圍內(nèi)，減小排氣管直徑，旋風(fēng)分離器尾端渦分布會(huì)較為規(guī)則，能量耗散較慢。

此外，當(dāng)Q=60000 s-2時(shí)，渦強(qiáng)度較大，渦等值面覆蓋范圍小于Q=20000 s-2時(shí)的范圍，而且渦等值面扭曲度更大，衰減更快。渦的等值面基本分布于中心軸線附近，并伴隨著對(duì)分離器幾何中心的一定的偏離，這反應(yīng)出分離器流場(chǎng)中心存在的旋進(jìn)渦核(Precession vortex core，PVC)現(xiàn)象。從Q=60000 s-2渦等值面還可以明顯看到，渦所具有的能量沿軸線向下逐步衰減，并且隨著排氣管直徑的增大，這種能量衰減的現(xiàn)象更為明顯，渦結(jié)構(gòu)分布的直徑和長(zhǎng)度減小，同時(shí)流動(dòng)更為不規(guī)則。

總的看來，旋風(fēng)分離器內(nèi)的流動(dòng)變化較為劇烈，渦強(qiáng)度變化較大，在流體旋進(jìn)的過程中渦攜帶的能量逐漸衰減；在一定范圍內(nèi)，減小排氣管的相對(duì)直徑可以使分離器尾端的渦分布更加規(guī)則，降低能量損失，而且會(huì)使旋風(fēng)分離器內(nèi)部流動(dòng)更加穩(wěn)定。但當(dāng)排氣管直徑過小時(shí)，內(nèi)部湍動(dòng)作用會(huì)加劇，渦等值面的扭曲度變大，增加能量損失。

4.2 排氣管直徑對(duì)環(huán)形空間渦結(jié)構(gòu)的影響

由圖4可知，在旋風(fēng)分離器內(nèi)部空間，渦的運(yùn)動(dòng)形式較為復(fù)雜，渦的結(jié)構(gòu)分布具有一定的規(guī)律性。渦的運(yùn)動(dòng)影響著分離器的內(nèi)部流場(chǎng)，對(duì)分離效率產(chǎn)生影響。對(duì)于流體的流動(dòng)來說，入口區(qū)域流動(dòng)為初始流動(dòng)，對(duì)旋風(fēng)分離器的整體流場(chǎng)有較大影響。而且，在環(huán)形空間存在氣流短路現(xiàn)象，會(huì)產(chǎn)生能量損失，影響旋風(fēng)分離器的分離效率。對(duì)此區(qū)域，運(yùn)用將渦量等值線映射到所截平面上形成渦線圖的方法進(jìn)行渦的分析和對(duì)比。

圖5為旋風(fēng)分離器內(nèi)部環(huán)形空間z=10 mm處的渦線圖。由圖5可知，氣流從入口段進(jìn)入旋風(fēng)分離器，渦線幾乎為直線，在經(jīng)過蝸殼分離段時(shí)渦線逐漸發(fā)生變化，說明渦開始發(fā)展。在排氣管管內(nèi)旋流區(qū)域渦線較密，而且能夠看出Dr=0.57排氣管管內(nèi)渦運(yùn)動(dòng)較為劇烈，渦線中心偏離幾何中心程度較為嚴(yán)重。在排氣管管外旋流區(qū)域均存在封閉的渦線，加劇了旋轉(zhuǎn)流體的能量損失。圖中標(biāo)紅部分為渦充分發(fā)展后形成的回流區(qū)，但出現(xiàn)位置不固定，Dr=0.21與Dr=0.36回流區(qū)出現(xiàn)在靠近筒體壁面處，Dr=0.57回流區(qū)出現(xiàn)在排氣管外壁面，Dr=0.46則出現(xiàn)在外旋流區(qū)。這說明隨著排氣管直徑的改變，內(nèi)部氣體流動(dòng)形式有所不同。

圖5 旋風(fēng)分離器內(nèi)部環(huán)形空間的渦線圖

綜合來說，渦線在入口段幾乎為直線，渦在蝸殼分離段逐漸發(fā)展。排氣管管內(nèi)的流動(dòng)為強(qiáng)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，渦線較密，其切向速度高，旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度大。在排氣管管外旋流區(qū)域，邊壁處有滯流區(qū)和回流區(qū)，會(huì)造成渦攜帶的能量耗散，從而影響分離器的分離效率。此外，渦線圖也表明環(huán)形空間存在復(fù)雜的渦結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)雙層渦乃至復(fù)合渦趨勢(shì)，渦運(yùn)動(dòng)形式復(fù)雜。因此，如果能夠改善渦結(jié)構(gòu)的平衡則能減少渦的形成，降低能量損失。

4.3 排氣管直徑對(duì)分離空間渦結(jié)構(gòu)的影響

由上可知，在旋風(fēng)分離器環(huán)形空間，渦的運(yùn)動(dòng)形式十分復(fù)雜。為了更好的理解排氣管直徑對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)渦的影響，同時(shí)對(duì)分離空間進(jìn)行渦的分析和對(duì)比。

圖6為旋風(fēng)分離器內(nèi)部分離空間z=-100 mm處的渦線圖。由圖6可知，當(dāng)氣流進(jìn)入分離空間，流動(dòng)明顯較環(huán)形空間規(guī)則了很多。而且，分離空間內(nèi)流場(chǎng)分為中心向上的內(nèi)旋流和螺旋沿邊壁向下的外旋流，從圖中可以看出，內(nèi)旋流渦線較密，外旋流渦線稀疏。渦線在內(nèi)旋流分布較為均勻，但在筒體中心卻存在一定的偏心現(xiàn)象，會(huì)造成渦核擺動(dòng)等問題。在外旋流區(qū)，靠近壁面處，渦結(jié)構(gòu)迅速發(fā)展，并形成封閉的渦線(圖中標(biāo)紅部位)，造成能量損失，使旋風(fēng)分離器旋轉(zhuǎn)流體能量衰減。當(dāng)能量衰減到一定程度時(shí)，即會(huì)出現(xiàn)自然旋風(fēng)長(zhǎng)。與圖4結(jié)合分析，可以看出分離空間上部旋轉(zhuǎn)流攜帶的能量較大，渦的等值面覆蓋范圍較大，隨著向下發(fā)展，外旋流能量損失，渦的等值面覆蓋范圍逐漸縮小。此外，渦核中心處有局部渦線空心區(qū)。

綜合環(huán)形空間和分離空間的分析可知，旋風(fēng)分離器內(nèi)部空間渦的運(yùn)動(dòng)形式十分復(fù)雜。隨著流體向下旋進(jìn)，渦等值面等效直徑逐漸變小。此外，在壁面處有封閉的渦線，渦的能量損失加劇。因此，改善壁面處的渦平衡，能有效抑制封閉渦線的形成，從而減小能量損失達(dá)到提高分離效率的目的。

4.4 排氣管直徑對(duì)渦核中心的影響

從圖6可知，渦核中心會(huì)偏離幾何中心，形成旋進(jìn)渦核現(xiàn)象，從而對(duì)渦核中心進(jìn)行定量的分析。根據(jù)渦的性質(zhì)(渦中心處的壓力極小)可知，截面的靜壓最低點(diǎn)可以認(rèn)為是渦的中心。分析計(jì)算時(shí)，將監(jiān)測(cè)面的渦核中心點(diǎn)連接成線，即為渦核中心偏離幾何中心的偏離曲線，并對(duì)其無(wú)量綱化處理，如圖7所示。其中，Δr為渦核中心到幾何中心的距離。

圖7 不同排氣管直徑旋風(fēng)分離渦核中心偏離幾何中心的軸向分布Fig.7 Axial distribution of vortex center in four cyclone separators with different vortex finder diameters

圖7為不同排氣管直徑旋風(fēng)分離器渦核中心偏離幾何中心的軸線分布?？梢园l(fā)現(xiàn)，在|Z|/D=0與|Z|/D=4之間，渦開始發(fā)展，渦核中心偏離幾何中心程度逐漸增大。在|Z|/D=4與|Z|/D=9之間，渦持續(xù)擴(kuò)散，湍動(dòng)程度加劇，此時(shí)渦運(yùn)動(dòng)的規(guī)律性不強(qiáng)。在|Z|/D=9之后，渦核中心偏離幾何中心程度變小，渦運(yùn)動(dòng)逐漸穩(wěn)定。在|Z|/D=13.5處，即靠近排塵口壁面處，渦核中心偏離幾何中心有增大趨勢(shì)，說明此處渦結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，渦可能發(fā)生破碎，增加了湍動(dòng)作用?？傮w而言，渦核中心偏離幾何中心的變化，呈現(xiàn)出先增大后逐漸減小直至較為平穩(wěn)的趨勢(shì)。

此外，隨著排氣管直徑的增大，渦核中心偏離幾何中心的趨勢(shì)并無(wú)明顯相應(yīng)的規(guī)律性，但是可以發(fā)現(xiàn)，渦核擺動(dòng)并不是隨著排氣管相對(duì)直徑的增大就越強(qiáng)，而是存在一個(gè)極值，在極值處渦核擺動(dòng)最小。同時(shí)綜合圖4和圖7分析可知，渦核中心的偏移呈現(xiàn)先增大后逐漸減小直至較為平穩(wěn)的趨勢(shì)，在此過程中，渦持續(xù)發(fā)展，并伴隨著能量損失。因此，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整排氣管直徑有利于渦結(jié)構(gòu)的平衡，提高分離效率。

5 結(jié) 論

針對(duì)4種不同排氣管直徑的蝸殼式旋風(fēng)分離器，運(yùn)用數(shù)值模擬和Q判據(jù)的方法，分析了旋風(fēng)分離器內(nèi)部渦的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，主要結(jié)論如下：

(1)根據(jù)三維渦等值面能夠直觀地看出渦的運(yùn)動(dòng)形態(tài)。旋風(fēng)分離器內(nèi)的流動(dòng)變化較為劇烈，渦強(qiáng)度變化較大，在流體旋進(jìn)的過程中，渦攜帶的能量逐漸衰減；在一定范圍內(nèi)，減小排氣管的相對(duì)直徑，可以使分離器尾端渦分布更加規(guī)則，降低能量損失，而且會(huì)使旋風(fēng)分離器內(nèi)部流動(dòng)更加穩(wěn)定。但當(dāng)排氣管直徑過小時(shí)，內(nèi)部湍動(dòng)作用會(huì)加劇，渦等值面的扭曲度變大，增加能量損失。

(2)由渦等值面云圖和渦線結(jié)構(gòu)圖可知，旋風(fēng)分離器內(nèi)部空間渦的運(yùn)動(dòng)形式十分復(fù)雜。隨著流體向下旋進(jìn)，渦等值面等效直徑逐漸變小。此外，在壁面處有封閉的渦線形成，渦的能量損失加劇。因此，改善壁面處的渦平衡能有效抑制封閉渦線的形成，從而減小能量損失，達(dá)到提高分離效率的目的。

(3)渦核擺動(dòng)并不是隨著排氣管直徑的增大就越劇烈，而是存在一個(gè)極值，在極值處渦核擺動(dòng)綜合最小。渦核中心的偏移呈現(xiàn)先增大后逐漸減小直至較為平穩(wěn)的趨勢(shì)，在此過程中渦持續(xù)發(fā)展，并伴隨著能量損失。因此，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整排氣管直徑有利于渦結(jié)構(gòu)的平衡，增強(qiáng)旋流的穩(wěn)定性，提高分離效率。

符號(hào)說明：

a——入口截面高度，mm

b——入口截面寬度，mm

d——特征長(zhǎng)度，mm

D——旋風(fēng)分離器筒體直徑，mm

De——排氣管直徑，mm

Dr——無(wú)量綱排氣管直徑

DH——水力直徑，mm

Dij——湍流擴(kuò)散項(xiàng)

g——重力加速度，m/s2

I——湍流強(qiáng)度

KA——入口截面系數(shù)

p——壓力，Pa；

Pij——應(yīng)力產(chǎn)生項(xiàng)

Q——渦強(qiáng)度，s-2

R——蝸殼半徑，mm

Sij——對(duì)稱應(yīng)變率張量，s-1

t——時(shí)間，s

u——流體速度，m/s

vt——切向速度，m/s

x,y,z——三維坐標(biāo)，mm；

Z——軸向位置，mm

希臘字母：

δij——Kronecker符號(hào)

ρ——流體密度，kg/m

μ——?jiǎng)恿︷ざ?，Pa·s

μt——渦黏系數(shù)，kg/(m·s)

Ω——反對(duì)稱渦張量，s-1

Πij——壓力應(yīng)變項(xiàng)

k——湍動(dòng)能，m2·s2

ε——湍流耗散率，m2·s3

εij——耗散項(xiàng)

下角標(biāo)：

i,j,k——矢量方向