朱德志,韓東,紀(jì)妍妍,何緯峰,彭濤

(南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院,江蘇 南京 210016)

0 引言

旋風(fēng)分離器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、維護(hù)方便、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于能源、化工等工業(yè)領(lǐng)域,用于分離氣流中的顆粒或液滴。旋風(fēng)分離器根據(jù)進(jìn)口方式可分為切向流型和軸向流型。軸流式分離器因壓降小、安裝方便,被廣泛應(yīng)用于燃機(jī)過(guò)濾及除塵等行業(yè)[1-2]。

分離效率和壓降一直是評(píng)價(jià)分離器性能的重要指標(biāo)。許多學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算流體力學(xué)(CFD)做了大量研究,發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與分離器性能息息相關(guān)。分離效率受導(dǎo)葉[3]、管道[4-5]和入口速度[5]等結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響,其中導(dǎo)葉是關(guān)鍵因素[6]。導(dǎo)葉的旋轉(zhuǎn)角度對(duì)阻力的影響不大[7],但是較大的角度會(huì)提高分離效率[8],而過(guò)大的旋轉(zhuǎn)角度會(huì)加劇二次夾帶現(xiàn)象,即粒子與壁面碰撞混入中心流場(chǎng),致使粒子難以分離[9]。同時(shí),葉片內(nèi)角對(duì)分離效率的影響比外角的影響大,而增加導(dǎo)流葉片的數(shù)量會(huì)增大壓降[10]。此外,分離器筒體越長(zhǎng),分離效率越高。

湍流也在分離器中具有重要作用,分離器中的氣固耦合力遠(yuǎn)大于粒子的重力,使顆粒極易發(fā)生二次破碎[11]。MAO等[7]通過(guò)正交試驗(yàn)揭示了內(nèi)部流場(chǎng)的流動(dòng)規(guī)律,認(rèn)為壓力梯度力、薩夫曼升力和馬格努斯力的改變對(duì)分離效率的影響并不明顯。CHEN等[12]發(fā)現(xiàn)隨著入口速度的增加,不同粒徑蠟滴的分離效率逐漸提高。在流場(chǎng)中,靜壓沿中心線對(duì)稱,徑向壓力分布呈V型,從中間向兩側(cè)逐漸增大。此外,壓降會(huì)隨著速度的增加而增加,排氣流量會(huì)隨排氣出口負(fù)壓的增加而增加[13]。

在軸流式分離器內(nèi),空氣流中粒子產(chǎn)生的二次夾帶現(xiàn)象導(dǎo)致分離效率過(guò)低,一直是亟需解決的難題。但是,現(xiàn)有設(shè)計(jì)中少有分離裝置能夠解決此問(wèn)題。因此,本文設(shè)計(jì)一種帶有漸擴(kuò)式內(nèi)通道的新型分離器,將發(fā)生二次夾帶的粒子阻隔至分離器近壁面,借此來(lái)提高分離效率。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和CFD對(duì)比,研究有、無(wú)內(nèi)通道對(duì)分離效率的影響,同時(shí)分析內(nèi)通道的引入引起的軸流式分離器的流場(chǎng)變化。

1 實(shí)驗(yàn)及數(shù)值方法

1.1 幾何模型

物理模型如圖1所示,具體尺寸如表1所示。圖1中新型軸流分離器A是在常規(guī)軸流分離器B的基礎(chǔ)上加入漸擴(kuò)式內(nèi)通道,且內(nèi)通道的厚度可忽略不計(jì)。

表1 物理參數(shù)

圖1 不同軸流式分離器示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

如圖2所示,分離效率和壓降通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得。實(shí)驗(yàn)在常溫常壓下進(jìn)行,采用石英作為實(shí)驗(yàn)固體顆粒,體積分?jǐn)?shù)為0.01%,密度為2 650 kg/m3。使用粒子輸送機(jī)將粒子送入至進(jìn)料口。分離器前的管道應(yīng)預(yù)留一段長(zhǎng)度以便空氣與顆粒更好地混合。進(jìn)口速度由風(fēng)機(jī)-1和風(fēng)機(jī)-2產(chǎn)生,最大體積流量分別為36.62 m3/h和54.94 m3/h。分離器流量范圍為9.16～23.82 m3/h。同時(shí),進(jìn)入排氣管和除塵箱的流量通過(guò)容積流量計(jì)測(cè)量并由閥門(mén)控制。此外,通過(guò)皮托管風(fēng)速儀測(cè)量分離器的壓降。過(guò)濾棉可以把5μm以上的微粒從空氣中分離出來(lái),因此安裝過(guò)濾棉避免顆粒進(jìn)入風(fēng)機(jī),通過(guò)稱質(zhì)量測(cè)量分離效率。

圖2 軸流式旋風(fēng)除塵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

顆粒的體積分?jǐn)?shù)由下式確定:

(1)

式中:Ms為粒子質(zhì)量,kg;t為分離時(shí)間,s;qin為進(jìn)入流體的風(fēng)量,kg/s。

1.3 數(shù)值方法

1)數(shù)學(xué)模型

軸流式分離器數(shù)值模擬的關(guān)鍵在于選擇一個(gè)合適的湍流模型來(lái)預(yù)測(cè)復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。雷諾應(yīng)力模型(RSM)在fluent中是最先進(jìn)的雷諾時(shí)均模型,它在應(yīng)力傳遞過(guò)程包含了旋流效應(yīng)的精確項(xiàng),能夠捕捉到所有應(yīng)力傳遞的信息,廣泛應(yīng)用于旋流的數(shù)值模擬中。不可壓縮流動(dòng)的Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS)方程為:

(2)

(3)

式中:μ為動(dòng)力黏度,Pa·s;v表示流體速度,m/s;ρ為空氣的密度,kg/m3。

采用離散相模型(DPM)的單項(xiàng)耦合來(lái)進(jìn)行模擬顆粒的運(yùn)動(dòng),顆粒在旋風(fēng)管內(nèi)受力較為復(fù)雜,受到曳力、壓力梯度力、質(zhì)量力、馬格努斯升力、薩夫曼升力等力的影響。在流場(chǎng)中,顆粒受曳力的影響較為明顯,其表達(dá)式為

(4)

式中:rp表示顆粒半徑,m;vp為顆粒的速度,m/s;CD為曳力系數(shù)。

因?yàn)榉蛛x器內(nèi)部壓力差明顯,因此必須考慮壓力梯度對(duì)顆粒的影響,壓力梯度力的表達(dá)式為

Fp=-VP(?p/?x)

(5)

式中VP為顆粒體積,m3。

分離器內(nèi)存在徑向的速度差會(huì)產(chǎn)生薩夫曼升力,其表達(dá)式為

(6)

式中dp為顆粒的直徑,m3。

粒子在流體中的行為可用斯特克斯數(shù)表征:

St,k=T×vp/dc

(7)

式中:T為弛豫時(shí)間;dc為粒子碰撞壁面的當(dāng)量直徑。

2)網(wǎng)格驗(yàn)證及求解方法

根據(jù)軸流式分離器的物理模型,采用四面體網(wǎng)格。圖3所示為3套網(wǎng)格驗(yàn)證網(wǎng)格數(shù)對(duì)分離效率的影響,網(wǎng)格總單元數(shù)分別為30萬(wàn)、80萬(wàn)和243萬(wàn)網(wǎng)格。其中,30萬(wàn)網(wǎng)格與80萬(wàn)網(wǎng)格的最大誤差可達(dá)14.29%,而80萬(wàn)網(wǎng)格與243萬(wàn)網(wǎng)格的吻合度較好。因此,為了節(jié)省計(jì)算量,采用80萬(wàn)網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

圖3 不同網(wǎng)格的徑向速度

邊界條件采用速度入口和壓力出口,空氣與顆粒的速度保持一致,DPM中將出口設(shè)置為trap邊界,壁面為reflect邊界。使用SIMPLEC算法進(jìn)行壓力-速度耦合,對(duì)于壓力項(xiàng),使用PRESTO!的插值方式,動(dòng)量項(xiàng)的離散格式為一階迎風(fēng),湍流耗散率使用QUICK求解。

2 結(jié)果與分析

2.1 分離效率與壓降對(duì)比

如圖4所示,通過(guò)實(shí)驗(yàn)和CFD,計(jì)算速度分別為1m/s、5m/s、10m/s時(shí)的壓降,仿真與實(shí)驗(yàn)的最大誤差為6.99%,表明RSM可以分析流場(chǎng)分布。隨著速度的增大,流體微團(tuán)橫向遷移現(xiàn)象加劇,因此壓降隨速度的增大而增大。因內(nèi)通道間截面的突然變化引起能量耗散,A與B相比具有更大的壓降。通過(guò)實(shí)驗(yàn),計(jì)算粒徑為30μm、50μm、120μm和150μm的粒子在v=5m/s時(shí)的分離效率。顯然,A的分離效率高于B。這是因?yàn)閮?nèi)通道阻擋了產(chǎn)生彈性碰撞的粒子進(jìn)入中心流場(chǎng)。

圖4 壓降與分離效率對(duì)比

表2為速度為5m/s時(shí)不同粒子分離效率的仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比。實(shí)驗(yàn)與仿真的最大實(shí)驗(yàn)誤差為7.22%,表明DPM可以用于粒子分離效率的計(jì)算。

表2 v=5m/s時(shí)不同粒子的分離效率

2.2 氣相流場(chǎng)

1)內(nèi)通道對(duì)壓力的影響

圖5為不同分離器結(jié)構(gòu)的壓力云圖。兩種結(jié)構(gòu)的壓力分布符合U型對(duì)稱性。而新型結(jié)構(gòu)在導(dǎo)葉后存在更小的徑向壓差,這將導(dǎo)致壓力梯度力的減少。流體流經(jīng)逐漸擴(kuò)張的內(nèi)通道后,壓力能下降嚴(yán)重。其原因是內(nèi)通道增加了沿程損失和局部損失[14]。分離器壁面與內(nèi)通道之間的流體截面收縮后突擴(kuò),造成較大壓損,使壓力降低。但內(nèi)通道能阻止朗肯渦中間準(zhǔn)壓縮渦的偏轉(zhuǎn),這種效應(yīng)可以防止靠近壁面的顆粒進(jìn)入中心流場(chǎng)。

圖5 v=10m/s不同分離器的壓力云圖

2)內(nèi)通道對(duì)切向速度的影響

切向速度是衡量分離器分離效果重要參數(shù)之一。圖6顯示了不同結(jié)構(gòu)的切向速度云圖。流體流過(guò)導(dǎo)葉后出現(xiàn)切向速度,在內(nèi)通道之前的結(jié)構(gòu)A與結(jié)構(gòu)B的切向速度差別不大,但是A中的切向速度更加均勻,這表明內(nèi)通道能夠防止外部自由渦向中間的準(zhǔn)壓迫渦偏斜,從而避免自由渦中裹挾的顆粒進(jìn)入到中部流場(chǎng)。A中流體在流過(guò)內(nèi)通道時(shí)產(chǎn)生黏性摩擦,同時(shí)在流過(guò)內(nèi)通道的局部區(qū)域時(shí),流體質(zhì)點(diǎn)間發(fā)生劇烈的摩擦和動(dòng)量交換,這會(huì)消耗流體的機(jī)械能,所以流過(guò)內(nèi)通道的切向速度較B衰減嚴(yán)重。

圖6 不同速度下的切向速度云圖

圖7為切向速度的徑向分布,切向速度分布符合旋流不對(duì)稱“雙峰”分布特征,但是A中近壁面的切向速度比B要略高,這更有利于粒子的分離。同時(shí),在內(nèi)通道的尾部,A的切向速度與B一致,這表明A的能量損耗更大。

圖7 v=10m/s下的切向速度徑向分布圖

2.3 固相流場(chǎng)

圖8為50μm、120μm、150μm的粒子在v=5m/s時(shí)的跡線。在B中,粒子粒徑越大,運(yùn)動(dòng)越劇烈,這是由于隨著粒子粒徑的增大,St,k數(shù)增大,粒子的慣性增大,因此對(duì)氣流的跟隨性變差。而加入內(nèi)通道后的A抑制了粒子的二次夾帶,分離效率明顯提高。但是,內(nèi)通道的引入會(huì)導(dǎo)致粒子運(yùn)動(dòng)更加混亂,這是因?yàn)榱Ｗ优鲎脖诿娴漠?dāng)量直徑減小,導(dǎo)致St,k數(shù)增大。

圖8 v=5m/s時(shí)不同粒徑的粒子運(yùn)動(dòng)跡線圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真對(duì)引入內(nèi)通道的新型分離器A進(jìn)行性能和流場(chǎng)分析,與未引入內(nèi)通道的常規(guī)分離器B進(jìn)行對(duì)比,具體結(jié)論如下。

1)通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真,計(jì)算不同結(jié)構(gòu)分離器的分離效率和壓降,實(shí)驗(yàn)與仿真的誤差最大為7.22%,表明實(shí)驗(yàn)與仿真具有良好的一致性。在兩種分離器中,壓降都會(huì)隨速度的增大而增加。A的最大分離效率為96.15%,最大壓降為1 765 Pa;B的最大分離效率為90.86%,最大壓降為1 468 Pa,表明內(nèi)通道可以提高分離效率,但是會(huì)增大壓降。這是因?yàn)閮?nèi)通道可以抑制粒子的二次夾帶,避免粒子從排氣管逃逸,同時(shí)也增大了流體的局部阻力和沿程阻力,致使壓降過(guò)大。

2)氣相流場(chǎng)中,結(jié)構(gòu)A與B的壓力分布都符合U型特征,切向速度分布符合雙峰特征。與B相比,A在內(nèi)通道之前的徑向壓差明顯降低,切向速度變化不大,但是切向速度的動(dòng)量更加貼近壁面。這是因?yàn)锳引入內(nèi)通道后,流體為克服局部阻力而消耗機(jī)械能,流體層與層之間的動(dòng)量向分離器的近壁面遷移。

3)隨著粒子粒徑的增大,B中粒子運(yùn)動(dòng)更加劇烈,粒子碰撞壁面后反彈到中心流場(chǎng),降低分離效率。而內(nèi)通道的引入可以避免粒子回彈到中心流場(chǎng),但會(huì)使粒子運(yùn)動(dòng)更加劇烈。這是因?yàn)锳中引入內(nèi)通道后會(huì)減小dc,增大了粒子的St,k數(shù),使粒子的慣性增大。

以上結(jié)論可以為提高分離器的分離效率提供指導(dǎo)。