摘 " " "要： 針對陶瓷墻地磚制粉對顆粒物性參數多樣性要求，造成陶瓷顆粒與氣體在旋風分離器分離過程中流場的復雜性明顯，而實驗法各種缺陷無法滿足測試需求等問題，基于CFD方法構建氣固兩相分離過程的數學模型，采用數值模擬方式對氣固兩相流流動特性及分離性能進行了研究，并通過雷諾應力模型（RSM）和隨機軌道模型（DPM）對旋風分離器內速度分布、壓力分布及陶瓷顆粒運動軌跡進行了重點分析。結果表明：該結構旋風分離器存在對分離性能有較大影響的“短路流”與二次渦流；當氣流速度為20 m·s-1、顆粒流量為0.01 kg·s-1、顆粒粒徑為0.001～0.8 mm時，該旋風分離器的分離效率為85.7%，分離效率偏低。

關 "鍵 "詞：關顆粒物性參數；旋風分離器；氣固兩相流；雷諾應力模型（RSM）；隨機軌道模型（DPM）

中圖分類號：TQ028.2+4 " " 文獻標識碼： A " " 文章編號： 1004-0935（2023）07-0974-05

干法制粉與噴霧干燥制粉作為一種高自動化、制粉性能良好的生產技術被廣泛應用于陶瓷墻地磚制粉生產中[1]。然而隨著環(huán)境問題的日益突出，霧霾天氣出現(xiàn)地域幅度正逐步上升，這給人們的生產生活造成了極大的困擾，其中工業(yè)生產過程中細小顆粒的排放無疑是環(huán)境惡化的重要導火索[2]。為確實貫徹好《國家環(huán)境保護標準“十三五”發(fā)展規(guī)劃》精神要求，嚴格按照工業(yè)廢氣及廢物排放標準生產，降低陶瓷顆粒制粉過程中細小粉塵的排放，減少大氣污染給人類健康帶來的危害，一種有效的氣固分離技術的研發(fā)迫在眉睫。

旋風分離器是一種借助氣流在高速旋轉下產生離心力使顆粒分離出來的裝置，具有結構簡單、安裝使用方便、無相對運動部件、成本低等特點。因此在化工、環(huán)保、能源、制藥等行業(yè)的使用非常普遍[3-8]。干法制粉與噴霧干燥制粉在干燥后期因有粉塵排放的問題，因此也均不可避免地需要采用該種凈化分離裝置，但由于陶瓷墻地磚制粉對粒徑范圍、濕含量、空心率及成分等物性參數具有多樣性需 "求[1]，且在分離過程中屬于典型的三維湍流強旋流場，具有明顯的各向異性等特點，使得分離過程中流動特性及分離性能的研究變得更加復雜。目前對此項技術的研究多局限于實驗法，然而這種方法通常需要昂貴的測試設備，特別是當旋風分離器尺寸變化以及初始參數不同時，其工藝操作參數相差較大，需要進行大量實驗來確定合理的操作參數，不僅費時費力，而且實驗成本高，嚴重制約了陶瓷工業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。

為克服實驗法周期長、成本高、工作量大、實驗數據單一且有限等缺點[9]，目前許多國內外學者已經嘗試通過CFD方法對顆粒分離過程做了大量的研究。ELSAYED和LACOR[10-12]等采用了數值模擬方法分析了不同幾何形狀對旋風分離器氣體流動行為的影響，結果表明旋風分離器直徑的減小會使最大切向速度和壓降增大，分離器錐體部分直徑對氣體流動影響不明顯。李杰[13]等針對灰斗處顆粒返混現(xiàn)象，采用了數值模擬方法分析了防返混圓臺位置及其底部面積對旋風分離器性能的影響。相國 "林[14]等采用了RSM和DPM模型對不同流量下方形旋風分離器中流場壓力和速度分布及顆粒入射位置對顆粒運動軌跡的影響進行了分析，研究表明方形結構與圓形結構分離器流場特征并無異樣，均存在對分離器性能有較大影響的二次流。周龍[15]等采用了數值模擬方法對不同進口高寬比條件下旋風分離器內流體流動行為進行了模擬，得出了旋風分離器內氣體流動、壓力分布及顆粒流動情況，分析和討論了入口流速和進口高寬比對旋風分離器內流動行為的影響。上述數值模擬研究均較好地得到了旋風分離器內氣固兩相流流動及分布等情況，分析了分離器結構對流場壓力、速度分布及顆粒流動特性的影響，為工業(yè)旋風分離器的優(yōu)化設計提供了理論參考。然而相對于其他工業(yè)物料，陶瓷墻地磚制粉對顆粒粒徑范圍、空心率、濕含量等物性參數具有嚴格要求，該要求進一步提升了分離過程的復雜性。

為此，基于CFD方法，構建符合實際分離過程的三維數學模型，采用RSM模型反映旋風分離器內氣相流場的各向異性，使用DPM模型描述陶瓷顆粒在旋風分離器中的運動軌跡，對旋風分離器內壓力分布、速度分布及陶瓷顆粒運動軌跡進行了數值模擬分析，從而為旋風分離器分離效率的優(yōu)化提高提供理論參考。

1 "物理模型

本文所研究的旋風分離器物理模型結構如 " 圖1（a）和圖1（b）所示，主要由進氣段、圓柱段、圓錐段、排氣管段及排塵口組成，圖1（c）為旋風分離器內流體區(qū)域網格劃分。為了準確反映旋風分離器內顆粒與氣體分離過程的流動特性，在構建旋風分離器幾何模型時未作任何簡化，保持其幾何尺寸與實驗結構尺寸完全一致。其工作原理為：當含有顆粒的氣流從進氣管段進入旋風分離器時，由于離心力的作用，顆粒開始從氣流中分離并向旋風分離器的壁面移動。在軸向速度的影響下，這些顆粒向下移動，最終通過排塵口收集到灰斗中，而分離后的氣流則向上旋轉并通過排氣管離開旋風分離器。旋風分離器物理模型幾何參數及數值模擬相關參數如表1所示。

2 "數學模型

為定量分析陶瓷顆粒與氣體在旋風分離器中的流動特性，必須建立有效描述分離過程的數學模型。但鑒于旋風分離器結構特點及操作條件，在建立模型時需做如下假設和簡化：模型以實際旋風分離器結構尺寸為準；顆粒與氣體從進氣管段均勻流入旋風分離器內；陶瓷顆粒濕含量保持一致且始終為球形狀態(tài)；忽略陶瓷顆粒在旋轉運動過程中的分裂與碰撞。

基于旋風分離器工作原理，運用CFD方法構建陶瓷顆粒在旋風分離器分離過程中的三維數學模型。其中具有各向異性漩渦流動的氣相使用雷諾應力模型（RSM）進行描述，而顆粒相采用隨機軌道模型（DPM）進行分離過程軌跡追蹤。求解過程中運用到的方程如下所示。

2.1 "基本控制方程

連續(xù)性方程：

（1）

式中：ui—流體速度，m·s-1；

ρ—流體密度，kg·m-3。

動量守恒方程（N-S方程）：

（2）

式中： —平均速度分量，m·s-1；

—空間位置，m；

—脈動速度分量， ，m·s-1；

—雷諾應力分量，m2·s-2，下標i、j為1、2、3；

—平均壓力，Pa；

u—流體動力黏度，Pa·s；

t—時間，s。

雷諾應力方程[15]：

（3）

式中：Cij—對流項；

DT，ij—分子量黏性擴散項；

DL，ij—湍流擴散項；

pij—雷諾應力產生項；

—壓力應變項；

—黏性擴散耗散項。

2.2 "顆粒運動方程

陶瓷顆粒運動過程采用牛頓第二定律進行 " 描述[16]。

。 " " "（4）

式中：mp—顆粒質量，kg；

vp—顆粒運動速度，m·s-1；

FD—曳力，N；

FM—質量力，N；

Fp—壓力梯度力，N；

FBA—Basset力，N；

FSA—Saffman力，N；

FMA—Magnus力，N；

FG—重力，N；

FC—顆粒相間相互作用和顆粒相與壁面相互作用所產生的碰撞

力或摩擦力，N。

3 "模型求解

采用CFD方法對旋風分離器內氣固兩相流進行模擬時，首先采用RSM模型對純氣相流進行穩(wěn)態(tài)模擬求解，待收斂后再使用DPM模型對陶瓷顆粒相進行瞬態(tài)數值模擬計算。其中進氣管邊界條件設置為速度入口，顆粒相與氣相入口速度相同；排氣管出口邊界設置為壓力出口，采用完全逃逸方式，排塵口邊界設置為壁面，采用捕捉即停止跟蹤方式，壁面設置為無滑移壁面。

4 "模擬結果與分析

4.1 "速度矢量分布

圖2（a）為旋風分離器軸向截面速度矢量分布圖，圖2（b）、圖2（c）、圖2（d）分別為軸向截面排氣管、圓柱段及圓錐段處速度矢量分布的局部放大圖；圖3（a）、圖3（b）、圖3（c）分別為旋風分離器進氣管部位、圓柱段及圓錐段處橫截面速度矢量分布圖。

從圖2和圖3中可以發(fā)現(xiàn)，氣固混流體在進入旋風分離器后便產生了較為強烈的順時針旋轉渦流運動，這一現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于流體的切向流入而形成的。由圖2（b）可以發(fā)現(xiàn)，在排氣管下部存在“短路流”問題，該現(xiàn)象的出現(xiàn)使得部分陶瓷顆粒直接被高壓氣流攜帶排出旋風分離器，降低了顆粒的分離效率。

由圖2（b）、圖2（c）、圖2（d）局部放大圖中還可以發(fā)現(xiàn)，在旋風分離器內存在較為明顯的雙層旋轉流動，其中靠近壁面的流體為外漩渦，具有順時針朝排塵口方向運動特征，陶瓷顆粒在的外旋渦作用下運動至分離器壁面接觸之后，失去慣性并朝著排塵口方向移動，實現(xiàn)氣固分離；分離器軸心附近的流體為二次內漩渦，具有與外旋渦運動方向相反，朝排氣管運動特征，該內漩渦氣流的形成是由于氣流運動到排塵口后無法排出而改變運行方向，轉而順時針旋轉向上運動，形成夾帶顆粒朝排氣管方向運動的二次渦流，進一步降低了顆粒的分離效率。

4.2 "壓力分布

圖4（a）所示為旋風分離器壓力分布三維云圖，圖4（b）為Z=0的軸向截面壓力分布云圖，圖4（c）為不同橫截面上壓力分布云圖。

（a）旋風分離器 （b）軸向截面 "（c）不同截面

圖4 "旋風分離器內各截面壓力分布云圖

從壓力分布云圖中可以看出在氣固的分離過程中存在以下幾種特征：壓力沿徑向位置呈近似軸對稱分布特性，隨徑向位置的變化由中心處向外逐漸增大，最大壓力出現(xiàn)在旋風分離器的壁面附近；隨高度的減小壓力變化較緩慢，由上到下逐漸減小，且在圓錐段出現(xiàn)了因二次渦流作用而產生的“擺尾”現(xiàn)象；在排氣管段的下半區(qū)域存在小范圍負壓，該負壓的出現(xiàn)是因為排氣管段直接與外界大氣相通，壓強存在較大幅度變化而形成的，而這種負壓的出現(xiàn)會使得“短路流”問題加??；進氣管段處壓力遠高于軸中心處壓力，且在排塵口處又存在因氣流無法排出而使壓力增大的問題，這使得氣流只能從軸心處向排氣管口運動，從而為二次渦流的形成創(chuàng)造了一定的條件。

4.3 "顆粒軌跡分布

旋風分離器內陶瓷顆粒運動軌跡分布如圖5所示。從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，大部分陶瓷顆粒在離心力的作用下被甩向分離器壁面并最終到達排塵口處，完成氣固分離，只有少部分陶瓷顆粒被氣流夾帶以螺旋運動方式從排氣管處排出，通過分析排塵口與進氣管口的顆粒量發(fā)現(xiàn)此旋風分離器的分離效率為85.7%，分離效率偏低，說明該旋風分離器還存在進一步優(yōu)化改進的空間。

5 "結 論

本文基于CFD方法構建了氣固兩相分離過程的三維數學模型，采用RSM和DPM模型對陶瓷顆粒旋風分離器內速度分布、壓力分布及顆粒運動軌跡進行了數值模擬分析，得到了以下結論：

1）排氣管下部存在對分離性能有較大影響的“短路流”問題，使得部分高壓氣流直接夾帶陶瓷顆粒從排氣管處排出，降低了顆粒的分離效率。

2）旋風分離器軸心附近處存在對分離性能有 較大影響的二次渦流，該種渦流會造成部分顆粒隨氣流一起從排氣管排出，降低了顆粒的分離效率。

3）旋風分離器內壓力沿徑向位置呈近似軸對 稱分布，隨徑向位置的變化由中心處向外逐漸增大，最大壓力出現(xiàn)在旋風分離器的壁面附近。

4）在排氣管段下半區(qū)域存在小范圍負壓，該負壓的出現(xiàn)促使“短路流”問題加劇，進一步降低了顆粒的分離效率。

5）當氣流速度為20 m·s-1、顆粒流量為 " " 0.01 kg·s-1、顆粒粒徑為0.001～0.8 mm時，通過分析排塵口與進氣管口的顆粒量，發(fā)現(xiàn)此旋風分離器的分離效率為85.7%，分離效率偏低。

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Numerical Simulation of Separation Performance of Ceramic

Particles and Gases in the Cyclone Separator Based on CFD

LE Jian-bo， PAN Yu-an， GAO Wen-jie， KUANG Xiao-chun， JIANG Zhu-ting

（School of Mechanical and Electronic Engineering， Jingdezhen Ceramic University， Jingdezhen Jiangxi 333403， China）

Abstract： "In view of the problem that the experimental method with various defects cannot meet the test requirements due to the diversity requirements of particle parameters in ceramic wall and floor tile milling， the obvious complexity of flow field between ceramic particles and gas in cyclone separator， a mathematical model of the gas-solid two-phase separation process was constructed based on the CFD method， and its flow characteristics and separation performance were studied by numerical simulation. The velocity distribution， pressure distribution and particle trajectory in the cyclone separator were analyzed intensively by using Reynolds stress model （RSM） and random orbit model （DPM）. The results showed that there were \"short-circuit flow\" and secondary eddy current which have great influence on the separation performance in the cyclone separator; The separation efficiency of the cyclone separator was 85.7%， which was low， when the airflow velocity was 20 m·s-1， the particle flow rate was 0.01 kg·s-1， and the particle size was 0.001～0.8 mm.

Key words： Sphysical parameters of particles; Cyclone separator; Gas-solid two-phase flow; Reynolds stress model （RSM）; Random orbit model （DPM）