袁惠新 ，凌繼萬 ，2，付雙成 ，2，周發(fā)戚 ，2

（1.常州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇常州 213016；2.江蘇省綠色過程裝備重點實驗室，江蘇常州 213164）

0 引言

顆粒分級作為目前粉體材料加工與應(yīng)用的基本技術(shù)之一，已被廣泛的應(yīng)用于礦物加工、冶金等方面［1］。旋風(fēng)分離器具有結(jié)構(gòu)簡單，制造和維護(hù)成本低，操作安全和能在高溫下分離的優(yōu)點［2-3］，已被眾多領(lǐng)域應(yīng)用。旋風(fēng)分離器不僅可以對顆粒進(jìn)行分離，還可以對顆粒進(jìn)行分級，如在采礦、陶瓷、水泥等行業(yè)，將形狀、密度、尺寸不同的顆粒產(chǎn)品進(jìn)行分級，使其適用于使用范圍［4］。

顆粒分級有許多的影響因素，如進(jìn)氣速度、結(jié)構(gòu)、尺寸等。孫占朋等［1，4］發(fā)現(xiàn)在進(jìn)氣速度為18m/s時，分級器分級精度達(dá)到最大值且在中心區(qū)域進(jìn)料的分級精度較高。Yoshida等［5-6］在排塵口底部增加尖錐，當(dāng)錐頂為圓形且角度為70°時分級粒徑最小。Yoshida等［7］還研究了二次流注入法對亞微米顆粒分離的影響。Yuki Wakizono等［8］發(fā)現(xiàn)在上板處使用自由空氣流入旋風(fēng)分離器可以減小其分級粒徑。Yuki Wakizono等［9］還發(fā)現(xiàn)在出口管上部添加錐形環(huán)可以提高顆粒收集效率。Huang等［10］在入口處添加了整流器，發(fā)現(xiàn)其稍微增加了壓降，并減小了其分級粒徑。隨后Huang等［11-12］發(fā)現(xiàn)狹縫錐的切口增加了氣體的徑向運動流動并改善夾套捕獲亞微米顆粒的能力。唐守強(qiáng)［13］發(fā)現(xiàn)隨著排氣管插入深度的增大，壓力降也隨之增大，但趨勢在逐漸平緩。谷瑞青［14］發(fā)現(xiàn)旋風(fēng)長度隨著排氣管插入深度的增大而減小。王樂勤等［15］研究筒體高度變化的旋風(fēng)分離器，發(fā)現(xiàn)壓力降隨著筒體高度的增大而減?。煌搀w高度在一定范圍內(nèi)，分離效率與壓力降都能保持在一個理想值。Brar等［16］發(fā)現(xiàn)增大椎體長度會導(dǎo)致湍流強(qiáng)度降低，增大顆粒的捕集效率。

旋風(fēng)分離器的分級性能不僅與入口形式、進(jìn)氣速度、進(jìn)氣方式、內(nèi)構(gòu)件等有關(guān)，還與旋風(fēng)分離器的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。筆者認(rèn)為，排氣管插入深度與錐角對分級的影響是不容忽視的，其根本影響的是自然旋風(fēng)長。自然旋風(fēng)長是在旋風(fēng)分離器設(shè)計過程中重要的參數(shù)之一，其被定義為內(nèi)部準(zhǔn)自由渦消失的位置到排氣管下底面的長度［17］，但目前尚無文獻(xiàn)研究自然旋風(fēng)長對分級性能的影響。本文將變化錐角與排氣管插入深度以改變自由旋風(fēng)長的大小，探索其對分級性能的影響規(guī)律，為旋風(fēng)分離器分級方面的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供一些思路。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 模型建立

基礎(chǔ)模型采用Stairmand標(biāo)準(zhǔn)型旋風(fēng)分離器，結(jié)構(gòu)如圖1所示，具體尺寸如表1所示。模型利用ProE建模，利用ICEM CFD進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

表1 旋風(fēng)分離器研究中的通用尺寸

圖1 旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)

1.2 湍流模型與邊界條件

數(shù)值模擬采用FLUENT軟件。模擬過程采用雷諾應(yīng)力模型（RSM），采用SIMPLEC算法，壓力插補格式采用PRESTO！格式，各對流項采用QUICK差分格式。

入口處邊界條件設(shè)置為速度入口，速度大小為15 m/s，湍流強(qiáng)度根據(jù)公式計算為4.4%，當(dāng)量直徑為28.57 mm。排氣口邊界條件設(shè)置為壓力出口，當(dāng)量直徑為45 mm。其余邊界條件均設(shè)置為壁面條件。

1.3 離散項非穩(wěn)態(tài)模擬

模擬采用非穩(wěn)態(tài)模擬，在流場穩(wěn)定后加入離散項模型（DPM）模擬顆粒在流場中的運動情況。顆粒以面射源的形式噴射，采用Rosin-Rammler分布，采用密度為4 950 kg/m3的顆粒，顆粒分布為0.5～4.1 μm，中位粒徑為2.24 μm，經(jīng)過計算得到分布指數(shù)為1.625。入口與排氣口離散項設(shè)置為逃逸（escape），其余壁面均設(shè)置為反彈（reflect），壁面反彈系數(shù)采用分段設(shè)置。

1.4 模擬可靠性驗證

圖2，3分別示出試驗［10］與模擬對比結(jié)果，在不同的進(jìn)氣量下，試驗與模擬的壓力降與分割粒徑最大誤差均在20%以下，與文獻(xiàn)［10］的結(jié)果大致相同，在一定程度上說明了模擬方法的可靠性。

圖2 在不同進(jìn)氣量下的壓力降

圖3 在不同進(jìn)氣量下的分割粒徑

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 排氣管插入深度

排氣管插入深度可以直接影響旋風(fēng)分離器內(nèi)部的流場，并對短路流現(xiàn)象產(chǎn)生影響，是旋風(fēng)分離器的重要參數(shù)之一。

2.1.1 排氣管插入深度對湍流強(qiáng)度的影響

為研究排氣管插入深度L0對旋風(fēng)分離器分級性能的影響，本文建立了L0/D從0到2.0的一系列旋風(fēng)分離器模型，即L0從0 mm變化到200 mm。

從圖4中可以看出，隨著L0/D增大，即自然旋風(fēng)長減小，旋風(fēng)分離器內(nèi)湍流強(qiáng)度逐漸變大，且隨著排氣管插入深度的增大，排氣管底部內(nèi)邊壁區(qū)域湍流強(qiáng)度逐漸增大，排塵口附近區(qū)域湍流強(qiáng)度先減小后增大。內(nèi)腔湍流強(qiáng)度越大，顆粒的分散性就越好，越有利于顆粒的分級；排塵口附近區(qū)域湍流強(qiáng)度越大，沉降到壁面的粗顆粒進(jìn)入上升氣流的可能性就越大，顆粒返混越多，越不利于分級的進(jìn)行。

2.1.2 排氣管插入深度對分級性能的影響

圖5示出不同L0/D時的粒級效率曲線，通過對其進(jìn)行分析，得出如圖6示出的分級粒徑曲線以及如圖7所示的分級精度曲線。分級精度用分級銳度［18］（粒級效率為25%的粒徑與粒級效率為75%的粒徑的比值x25/ x75）來表征，分級精度越接近100%代表分級效率越高，分級效果越好。

圖4 在其他結(jié)構(gòu)尺寸一定時不同L0 /D的湍流強(qiáng)度云圖

圖5 不同L0 /D下的粒級效率

圖6 不同L0 /D下的分級粒徑

圖7 不同L0 /D下的分級精度

從圖6中可以看出，粒級效率大體上呈現(xiàn)“S”型。在L0/D=0（即排氣管無插入筒體段）時，其分級粒徑較L0/D=0.5時大，可能的原因是排氣管沒有插入筒體段，在這種情況下幾乎沒有“頂灰環(huán)”的存在，顆粒還未進(jìn)行分級時直接通過短路流進(jìn)入排氣管排出旋風(fēng)分離器，使得分級粒徑增大，分級精度降低。在L0/D=0.5以上，隨著L0/D增大，分級粒徑逐漸增大；分級精度先逐步增大，在L0/D=0.9～1.5時基本保持不變，在L0/D＞1.5后有所降低。圖8示出L0/D不同時的壓力降曲線。如圖所示，在L0/D≥0.5后，壓力降的最大波動不超過2%，由此可見排氣管插入深度在L0/D=0.5之后對壓力降的影響很小。

圖8 不同L0 /D下的壓力降

2.2 錐角

錐角是旋風(fēng)分離器重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)之一。在L1/D與Du/D一定的情況下，錐角越大，錐段高度越小，旋風(fēng)器總體高度L就越小。

2.2.1 錐角對旋風(fēng)分離器內(nèi)流場湍流強(qiáng)度的影響

為研究錐角對分級性能的影響，本文建立了一系列的旋風(fēng)分離器模型，其錐角 θ 分別為10°，13.75°，16°，17°，19°，20°，22°，26°。圖9示出柱段長度與排塵口直徑一定時不同錐角的湍流強(qiáng)度云圖。湍流強(qiáng)度基本沿軸線方向?qū)ΨQ分布。錐角從10°增加到26°時，旋風(fēng)分離器內(nèi)部區(qū)域湍流強(qiáng)度也在隨之增大，顆粒分散性越來越好；但從錐角為19°開始繼續(xù)增大錐角，排塵口區(qū)域湍流強(qiáng)度較大，易導(dǎo)致顆粒返混，反而不利于分級的進(jìn)行。

圖9 L1/D與Du /D一定時不同錐角的湍流強(qiáng)度云圖

2.2.2 錐角對旋風(fēng)分離器流場的影響

速度場中對旋風(fēng)分離器起主要影響的是切向速度與軸向速度，徑向速度影響很小，故僅需要分析切向速度與軸向速度。通過對距離旋風(fēng)分離器柱段頂部100 mm處的截面進(jìn)行分析，研究錐角對流場的影響。圖10與11分別示出錐角對切向速度與軸向速度的影響曲線。切向速度在內(nèi)邊壁區(qū)域取得最小值，向中心方向先增大后減小，并在內(nèi)管壁附近取得最大值。錐角越大，切向速度越大。軸向速度由邊壁向中心整體呈現(xiàn)先增大再減小然后增大的趨勢，并在中心位置處取得最大值，顆粒在排氣口區(qū)域呈現(xiàn)向上運動的趨勢，有利于顆粒的分級。

圖10 錐角對軸向速度分布的影響

2.3 錐角與溢流管插入深度對旋風(fēng)分離器分級性能的影響

為研究錐角與溢流管插入深度對分級性能的交互影響，本文建立了L0/D=0.5，0.8，1.0時不同錐角的旋風(fēng)分離器，并對其進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

圖12～14分別示出L0/D=0.5，0.8，1.0時不同錐角下壓力降、分級粒徑與分級精度的曲線。以L0/D=0.5為例，分級粒徑隨著錐角的增大總體呈現(xiàn)遞增的趨勢，內(nèi)部湍流強(qiáng)度越大，顆粒分散性越好，其分級粒徑越大。分級精度隨著錐角的增大先增大后減小，且在錐角為19°時分級精度最高，隨后逐漸降低。在L1/D與Du/D一定的情況下，錐角越大，總體長度L就越小，顆粒在分離器內(nèi)的停留時間就越短，較大顆粒在進(jìn)入旋風(fēng)分離器后在離心力的作用下迅速被甩向壁面，較小的顆粒在未沉降到壁面時被內(nèi)旋氣流帶出排氣管，故適度增大錐角對旋風(fēng)分級的分級性能有所提高。

圖12 不同插入深度下錐角與壓力降關(guān)系曲線

圖13 不同插入深度下錐角對分級粒徑的影響曲線

圖14 不同插入深度下錐角對分級精度的影響曲線

在L0=50 mm變化到L0=100 mm時，壓力降也隨之增大，但其變化較小，變化范圍最大不超過5%，與前文中插入深度對旋風(fēng)分離器的壓力降影響不大的情況相應(yīng)。分級粒徑也隨著插入深度的增大而有所增大。分級精度隨著插入深度的增大，曲線的峰值明顯向左移動，由L0=50 mm時錐角為19°分級精度最高變化到L0=100 mm時錐角為13.75°，分級精度最高。隨著插入深度的變大，其自然旋風(fēng)長逐漸變小。錐角的變化同樣會引起自然旋風(fēng)長的變化。圖15示出不同插入深度下自然旋風(fēng)長l對分級粒徑的影響曲線。從圖中可以看出，自然旋風(fēng)長過大與過小都會影響分級精度，對于柱段長度與入口結(jié)構(gòu)不變的情況，自然旋風(fēng)長在3.2D～3.5D之間分級精度較高。

圖15 不同插入深度下自然旋風(fēng)長對分級精度的影響曲線

3 結(jié)論

（1）排氣管插入深度對分級粒徑和分級精度都有顯著的影響。當(dāng)L1/D=1.5時，L0/D=0.9～1.5都使分級精度處于高位，而分級粒徑基本保持不變。小的插入深度甚至沒有插入深度都對分級精度的提高不利，但大的插入深度會增大分級粒徑和壓力降。

（2）對于分級精度，錐角存在最佳值，但分級粒徑和壓力降都隨錐角的增大而增大。L0/D=0.5時錐角為19°分級精度最高；L0/D=0.8時錐角為17°分級精度最高；L0/D=1.0時錐角為13.75°分級精度最高。

（3）最佳錐角值與溢流管插入深度有關(guān)，其隨著溢流管插入深度的增大而減小。排氣管插入深度與錐角交互影響時，分級精度曲線峰值隨著排氣管插入深度增大而左移，插入深度越大，峰值處對應(yīng)的錐角越小。

（4）自然旋風(fēng)長在分級精度曲線峰值處保持在一個穩(wěn)定的范圍內(nèi)。對于柱段長度與入口結(jié)構(gòu)不變的情況，自然旋風(fēng)長在3.2D～3.5D之間分級精度較高。