李 杰，馬 欣，王紅霞，鄭彥博

(1.黔南民族職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 都勻 55800，2.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500)

0 引言

旋風分離器是一種無運動部件、結(jié)構(gòu)簡單、分離性能較好的重要凈化設(shè)備。在水泥廠，石油天然氣、頁巖氣以及煤炭發(fā)電等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用[1]。分離器內(nèi)部流場極其復(fù)雜，已有很多的研究[11]。馬欣等[4]分析研究了排氣管外延長度對單級旋風分離器內(nèi)部的速度流場，總壓降值以及切割粒徑的影響規(guī)律。Li等[5]創(chuàng)新改進排氣管的結(jié)構(gòu)來優(yōu)化旋風分離器的分離性能，結(jié)果表明，通過在排氣管深入段開孔，其最后的分離性能得到了相應(yīng)的提高；李杰等[6]研究了排氣管內(nèi)置壁面厚度對旋風分離器性能的影響，得出結(jié)論，壁面厚度為0.1D時，分離性能較好；陳啟東等[7]研究了圓柱段高度對旋風分離器性能的影響，結(jié)果表明，增加圓柱段高度，壓降顯著降低，分離效率提高。李琦等[8]研究了錐度對天然氣凈化用旋風分離器流場的影響，結(jié)果表明，在該實驗組中錐度為172°時結(jié)構(gòu)最優(yōu)。并未研究錐角不變，延長錐體，對分離器性能的影響。本工作主要分析了錐角不變，筒體直徑不變，延長錐體長度對旋風分離器流場及性能的影響，對旋風分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計方面具有研究意義。

1 計算模型和數(shù)值計算

1.1 結(jié)構(gòu)尺寸及網(wǎng)格

旋風分離器幾何結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格示意圖如圖1所示， bz代表標準的標準stairmand型[1]，具體的結(jié)構(gòu)尺寸如表1：a組旋風分離器筒體直徑保持不變，a1的筒體高度為h/2=150 mm，a2的筒體高度為a=100 mm，a3沒有筒體高度，分離器全部用錐體；b組是保持錐體的錐度不變，b1的筒體高度為h/2=150 mm，b2的筒體高度為a=100 mm，b3沒有筒體高度，分離器全部用錐體。旋風分離器bz、a1、a2、a3、b1、b2、b3的網(wǎng)格數(shù)依次為339818、339818、339818、339818、353160、346084、335664，網(wǎng)格質(zhì)量均在0.6以上，能夠確保仿真的準確性和可靠性。3個截面S1、S2、S3，如圖1所示位置，分別為Z/D=2.25，2.75，3.75，其中，Z以旋風分離器的排塵口為起點。

圖1 旋風分離器幾何結(jié)構(gòu)圖及網(wǎng)格示意圖

表1 旋風分離器的幾何尺寸

1.2 計算模型

旋風分離器的氣體相流域采用N-S方程和應(yīng)力輸運方程采用雷諾應(yīng)力模型(RSM)求解，具體計算基本方程如下：

1)連續(xù)性方程：

(1)

2)動量方程：

(2)

3)雷諾應(yīng)力模型輸運方程

(3)

式中：擴散相，Di，j；應(yīng)力產(chǎn)生項，Pi，j；浮力產(chǎn)生項，Gi，j；應(yīng)力應(yīng)變再分配項，Φi，j；離散相，εi，j；旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生項，F(xiàn)i，j；r自定義源項，Suser；下標i，j，k為通用坐標方向[4]。

1.3 設(shè)置邊界條件和選擇數(shù)值解法

邊界條件的設(shè)置與文獻[9]的實驗相同，氣體相設(shè)置為常溫常壓空氣，其物理化學(xué)屬性保持默認。氣體相空氣和固體相顆粒的進口速度相同：V=15 m/s，固體相顆粒密度為ρ=2700 kg/m3，質(zhì)量流量設(shè)置為0.001 kg/m3；排氣管出口于氣體相設(shè)置為outflow，于顆粒相設(shè)置為escape，排氣口于顆粒相設(shè)置為trap，壁面邊界保持默認reflect[6]。湍流強度I設(shè)置為4.7%，水力直徑DH為57.2 mm。

對氣體相，本文湍流模型選用雷諾應(yīng)力模型(RSM)，壓力與速度耦合選用SIMPLEC，離散格式選用QUICK，壓力插補格式選用PRESTO；對顆粒相：采用DPM方法和隨機軌道模型來處理[6]。以單相耦合計算，先進行8000步穩(wěn)態(tài)求解，再進行步長為0.01，步數(shù)為400瞬態(tài)計算，得出收斂結(jié)果，進行分析。

2 數(shù)值模擬的可靠性驗證

把數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進行對比分析，即把數(shù)值模擬旋風分離器內(nèi)部流場的軸向速度和切向速度與實驗的進行對比驗證。Hoekstr等利用測速儀測量了旋風分離器內(nèi)部流場的速度；本文數(shù)值模擬采用與文獻[2]實驗建立相同條件(幾何尺寸，進口速度)，并與之進行對比。圖2為距離排塵口942.5 mm處截面的無量綱切向速度與軸向速度的數(shù)值模擬結(jié)果與LDA實驗測量值的對比。實驗值與數(shù)值模擬的軸向速度、切向速度值基本吻合，該湍流模型和數(shù)值計算方法用來模擬旋風分離器的流場，其誤差結(jié)果范圍可接受[12]。

圖2 旋風分離器數(shù)值模擬值與實驗值對比結(jié)果

3 結(jié)果與分析

3.1 對旋風分離器流場的影響

3.1.1 切向速度分布

由圖3旋風分離器的切向速度云圖可看出，當筒體直徑不變時，錐體段的長度逐漸減小，筒體段長度逐漸增大，最大切向速度先增大后減小，最大值為38 m/s；當錐體的角度不變化時，隨錐體段長度逐漸增大，其最大切向速度也是先增大后減小。a1和a2的切向速度分布與標準stairmand型(bz)的切向速度分布最為相似，其中a3和b3在錐體段的渦核擺動幅度大，接近于排塵口的切向速度較大，會加劇粉塵顆粒對錐體壁面的磨損；b1和b2在排氣管下口處的切向速度云圖呈現(xiàn)喉結(jié)狀。由圖4切向速度曲線可以看出，a組旋風分離器在S1、S2、S3截面的切向速度總體都呈現(xiàn)a2>a1>bz>a3；b組旋風分離器在S1、S2、S3截面的切向速度總體都呈現(xiàn)b2>b1>bz>b3。通過把a組和b組與標準的stairmand型(bz)進行比較發(fā)現(xiàn)，錐體段延伸到旋風分離器入口高度或者說延伸到排氣管內(nèi)部高度相同時，旋風分離器內(nèi)部流場的切向速度最大。從切向速度曲線看只有a3旋風分離器會出現(xiàn)中心切向速度為負，說明在中心位置存在二次渦流現(xiàn)象，且二次渦流對旋風分離器的分離效率會產(chǎn)生一定的負影響[4]。

3.1.2 軸向速度分布

由圖3軸向速度云圖可看出，幾個模型的最大軸向速度值都出現(xiàn)在排氣管內(nèi)；標準型(bz)與a組分離器軸向速度最大值的大小關(guān)系為a2>a1>bz>a3，標準型與b組分離器軸向速度最大值的大小關(guān)系為b3>b2>b1>bz。由曲線圖4的筒體截面S1可以看出，標準型與a組的筒體段軸向速度的大小關(guān)系為bz >a2>a1>a3，標準型與b組的筒體軸向速度的大小關(guān)系為bz >b2>b1>b3；從S2、S3截面曲線圖可以看出，a組旋風分離器與標準型的錐體段軸向速度的大小關(guān)系為a2>a1>bz>a3，同樣b組旋風分離器與標準型的錐體段軸向速度呈現(xiàn)b2>b1>bz>b3。呈現(xiàn)這種軸向速度關(guān)系的主要原因是由錐體段長度不同所導(dǎo)致的。

3.2 對旋風分離器壓降的影響

從圖5壓降曲線圖可看出，在a組和b組都是呈一個倒“V”形狀，隨錐體段的增長，筒體段的減短，其壓降先增加后減小。從表2可看出，旋風分離器的壓降最大值為a2和b2，以標準stairmand型為參考，壓降值的最大值增大了34.5%，壓降值的最小值降低了2.47%。產(chǎn)生a組和b組的壓降值變化趨勢的主要原因是由于錐體段的不斷增加，其旋流與錐體段壁面碰撞摩擦阻力增加所導(dǎo)致。

表2 bz、a組和b組旋風分離器的具體壓降

圖4 bz、a組和b組旋風分離器不同截面的切向速度和軸向速度圖

圖5 bz、a組和b組旋風分離器壓降曲線圖

3.3 對旋風分離器分離性能的影響

用切割粒徑來表征旋風分離器的分離效率，如圖6和表3所示。由圖6表3可看出，旋風分離器錐體的變化對其分離性效率有一定的影響，切割粒徑隨a組和b組的變化趨勢幾乎與壓降變化趨勢相反，呈“V”字形；隨錐體段長度逐漸增大，筒體段長度逐漸減小，切割粒徑先增大后減?。籥2和b2旋風分離器的切割粒徑在各組最小，對應(yīng)其分離效率最高。在錐體變化后對旋風分離器的切割粒徑除了b3外，其他模型的切割粒徑都小于標準型，即分離效率高于標準型，其主要原因是a組和b組的切線速度基本都大于標準型。a2和b2的切割粒徑為最小值，分別相對標準型分離器降低了5.97%、6.72%。綜上所述，通過流場、切割粒徑和壓降對旋風分離器的性能研究，得出結(jié)論，筒體段長度等于標準型進口高度時，旋風分離器a2和b2的分離效率最高。

圖6 bz、a組和b組的切割粒徑的曲線圖

表3 bz、a組和b組的具體切割粒徑

4 小結(jié)

為了優(yōu)化標準stairmand型的結(jié)構(gòu)，通過數(shù)值模擬分析，得出結(jié)論：

1)a2、b2分別在a、b組的切向速度最大，并大于標準型(bz)；a2、b2分別在a、b組的軸向速度最大，卻小于bz型。a2和b2型的切向速度比標準型(bz)型大，即離心力大；軸向速度比標準型(bz)型小，即分離時間長，都有助于分離效率提高。

2)隨錐體段長度增大，筒體段長度減小，a組和b組旋風分離器的切割粒徑先增大后減小，變化趨勢幾乎與壓降變化趨勢相反，呈“V”字形，a2和b2旋風分離器的切割粒徑在各組中最小，分離效率最高，分別相對標準型(bz)降低了5.97%、6.72%。即a2和b2型的分離效率高于標準型(bz)。

3)a組和b組旋風分離器隨錐體段長度增大，筒體段長度減小，壓降先增大后減小，變化趨勢呈倒“V”形狀。以標準型(bz)為參考，a2和b2旋風分離器的壓降值為最大，分別相對標準型(bz)增大了13.7%、34.5%。即a2和b2型的壓降高于標準型(bz)。工程上應(yīng)根據(jù)分離效率和壓降的綜合分析，進行設(shè)計或選型。