（化工过程机械专业论文）直筒导叶直流式三相旋流器气相流场实验研究与数值模拟.pdf

中文摘要 为了对用于液固混合物与气相分离的直筒型导叶直流式三相旋流器进行结 构参数和操作参数的优化，使用五孔球探针对直筒型导叶直流式三相旋流器的气 相流场在两个流量下进行了实验测定。通过深入研究五孔球探针的使用方法和测 量机理，确认了五孔球探针对流场的测量精度满足工程要求。通过流场测量得到 了流场中各区域的速度场和压力场分布。 以实测值作为边界条件，使用f l u e n t 软件，选择了两种湍流模型对简化得 到的2 d 模型进行数值模拟。用实测流场分布验证模拟结果，发现使用r s m 模 型的模拟结果更精确的反映了实际流场分布。可以将数值模拟方法作为进一步研 究的基本手段。 关键词：三相旋流器五孔球探针流场测量模拟 a b s t r a c t f o rt h e o p t i m i z a t i o n o ft h es t r u c t u r e p a r a m e t e r sa n do p e r a t i o n o n e so ft h e c y l i n d r i c a lt h r e e p h a s ec y c l o n ew i t h av a n e di n l e ta n dad i r e c t c u r r e n to u t l e tw h i c hi s u s e df o rs e p a r a t i n gt h em i x t u r e so fs o l i da n d l i q u i dp a r t i c l e sf r o mg a sf l o w , g a sf l o w f i e l di n t h r e e p h a s ec y c l o n ew a sm e a s u r e db yf i v e h o l ep r e s s u r ep r o b eu n d e rt w o f l u x e s a f t e rp r o f o u n ds t u d yo nt h eu s i n gm e t h o da n dt h em e a s u r i n gm e c h a n i s m ，t h e c e r t a i m y o fm e a s u r e m e n to i lf l o wf i e l d b y f i v e h o l e p r e s s u r ep r o b ei s v a l i d a t e d t h e d i s t r i b u t i o no fv e l o c i t yf i e l da n dp r e s s u r ef i e l di sm e a s u r e do ht h r e es e c t i o n so ft h e f l o wf i e l d s i m p l i l y i n gt h ep r o b l e mt o 2 ds w i r l i n gf l o w , s i m u l a t ei tw i t ht h er n gk - e m o d e la n dt h er e y n o l d ss t r e s sm o d e l ( r s m ) i nf l u e n t ，a n dw i t he x p e r i m e n t a ld a t a a si n p u tb o u n d a r yc o n d i t i o n s i ti sf o u n dt h a tt 1 1 er e s u l to fr s mi sb e t c e ri nc o n s i s t e n t w i t he x p e r i m e n t a ld a t at h a nr n o 七- 占m o d e l ，a n di ti sa c c e p t a b l et os t u d yt h ef l o w f i e l dw i t ht h i sm e t h o d i nt h ef o l l o w i n gr e s e a r c h k e yw o r d s ：t h r e e - p h a s ec y c l o n e ，f i v e - h o l ep r e s s u r ep r o b e ，f l o wf i e l d ，m e a s u r e ， s i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫盗盘茔或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者昝名：声 签字目期：劢p 午年z 月谬目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鲞盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构遴交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者妣岁泽 签字日期：叩d 4 年z 月 占日 导师签名 翕魄 签字日期吆：刃驴年钞月莎日 隰吁 h u吾 刖磊 近年来随着环境污染状况的加剧，大气污染物的治理已经逐渐受到各方面的 重视。工业燃煤锅炉排放的粉尘及有害气体的脱除是研究的新热点。治理工业锅 炉所产生的烟气中排放出的粉尘和s 0 2 需要大量的资金投入，在近几年的实践中 廉价脱硫技术的开发应用得到了迅速发展。单纯的干法除尘已不能满足要求，湿 法的除尘脱硫一体化的技术愈来愈受到关注。 天津大学针对国家环境傈护标准锅炉大气污染物排放标准 ( g b l 3 2 7 1 1 9 9 9 ) ，承担了天津市科委科技攻关课题，在多年研究的基础上，自 主丌发了w x 4 u 型撬块式除尘脱硫双功能装置，具有高脱硫效率、高除尘效率、 运行成本低、适应性广等特点。 直筒型导叶直流式三相旋流器是w x 4 u 型除尘脱硫装置的一个关键部件， 主要功能是对由文丘里洗涤器排出的经过预分离的气体中的残余尘粒和液滴进 行有效的分离，具有分离效率高、处理气量大、能耗低的优点。为了优化结构参 数和操作条件，有必要对三相旋流器的内部流场进行研究。 在工程应用研究中，对流场的研究一般是将实验研究和数值模拟有机结合， 通过准确的实验给模拟提供更多的条件并验证模拟的有效性，再通过数值模拟得 到更丰富的流场信息并进一步指导实验的进行，优化实验方案。 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 研究背景 随着现代工业的迅速发展，环境污染状况日益严重。工业燃煤锅炉排放的粉 尘及有害气体的脱除是研究的新热点 1 - 2 1 0x 业锅炉，包括着1 4 m w1 5 4 m w ( 2 t h 2 2 0 t h ) 的蒸汽、热水及热电联产站5 万k w 以下机组所用动力锅炉。所 产生的烟气中排放出的粉尘和s 0 2 是当前环境大气治理的一个重要方面。治理需 大量资金的投入，在开发应用廉价脱硫技术的前提下，我国在近几年的实践中从 新技术开发、优化工程设计、安全运行、科学管理及用户的服务中得到了迅速发 展。单纯的干法除尘已不能满足要求，湿法的除尘脱硫一体化的技术愈来愈受到 关注。 天津大学针对国家环境保护标准一锅炉大气污染物排放标准 ( g b l 3 2 7 卜1 9 9 9 ) ，承担天津市科委科技攻关课题，在多年研究的基础上，开发 了w x 型撬块式除尘脱硫双功能装置，以其独特的工艺、高脱硫效率、高除尘 效率、经济的运行成本、废渣的无二次污染，脱硫吸收液循环使用新技术以及用 于往复炉排炉、链条炉、循环流化床炉、煤粉炉的广泛适应性等特点进入脱硫市 场并得到认同。其基本流程见图1 1 。 圉1 1 除尘脱硫装置流程图 f i g 1 - 1 f l o wd i a g r a m o f f a c i l i t yf o rd u s tr e m o v a la n dd e s u l p b u r i z a t i o n w x 型撬块式脱硫除尘双功能装置，是由喷淋器、分气装置、高效文丘里洗 第一章文献综述 涤器、气液旋流分离器，灰水自循环处理装置组成的。由锅炉排出的含有粉尘和 s o z 的烟气，在锅炉引风机的作用下，通过除尘脱硫装置上部的分气箱，均匀分 配至各文丘里吸收反应器的入口收缩段，同时吸收剂悬浮液由泵送至喷淋雾化器 雾化成小于1 0 0um 的雾滴伞幕，烟气穿过伞幕，顺流至喉口，在高速烟气流动 下气液进行充分混合、碰撞、拦截、润湿及化学反应吸收过程实现了除尘脱硫双 功能过程。混合物经过预分离及三相旋流器充分分离后，净化烟气经风机进入烟 囱，灰水经过滤分离或经沉淀池沉淀除渣后循环使用。 对净化烟气中残留雾滴的捕获，国外技术是用高效捕集器来完成，这种分离 装置需要连续不断的进行内清洗，并需要良好的清洗水质。国内有些双功能脱硫 装置由于对分离装置选择不当或结垢堵塞，造成阻力大或引风机带水带灰，造成 失败的已不鲜见。本装置采用新型直筒式旋流器来实现净化烟气与雾滴的分离， 分离效率高，阻力较低，减少了能耗，并提高了安全运行程度。 三相旋流器的分离机理和旋风分离器、水力旋流器样，都是利用离心力场 完成分离任务的，在具体的几何结构、流场结构、能耗及分离性能等方面的研究 方法也有相通之处，可以互相借鉴。但三相旋流器独特的直筒导叶式底出式结构 和使用方式，使得单纯依靠旋风分离器和水力旋流器的已有研究成果无法合理的 解释装置运行中出现的气液夹带、返混、效率下降等现象，从而影响了设备的优 化和改进。 三相旋流器的分离对象不是单纯的固体颗粒而是液滴和固体微粒的混合物， 在分离过程中存在着液滴的旋转、变形、打散以及粉尘与粉尘、粉尘与液滴间的 凝并等现象。在运行中，三相旋流器筒壁上会形成液体流动层，它与气体之间的 相互作用与旋风分离器中内壁面沉积的颗粒与气体的作用有很大的不同，必然会 导致流场结构的变化，并影响设备的操作性能。 研究资料表明，旋风分离器气固两相的流场与纯气相流场的结构大体相同， 只是某些数值稍有不同。因此可以通过对气相流场的研究结果( 速度场、压力场) 的修正间接得到气固两相的流场情况。对三相旋流器而言，由于液固两相含量较 小，通过研究气相流场分布的方法来研究实际流场分布是可行的。 李振方日1 以用于液固混合物与气相分离的直筒型导叶直流式三相旋流器为 对象，采用五孔球探针方法对其出口区域气态流场进行了初步测定。依据测量结 果，总结了入口气速等参数变化后对旋流器出口局部区域流场的影响规律：并运 用平均速度场模式及常涡动粘度假设简化了雷诺方程，改进了径向速度的假设， 从而得到了出口区域流场的无量纲形式的三向速度的近似解。 第一章文献综述 1 2 旋风分离器的研究现状 1 2 1 旋风分离器的种类4 1 旋风分离器种类繁多，近年来新的型式又出现不断出现。旋1 1 ) c l 分离器具体的 结构型式取决于含尘气体的入口型式和分离器内部流动状态。按照结构型式可分 为圆简体、长锥体、旁通式和扩散式等：按气体流动状况可分为切向返转式旋风 分离器和轴向式旋转分离器。 旋风分离器的入口型式一般分为切向进入和轴向进入两种。切向进入式其进 气方向大致与除尘器轴线垂直，与筒体表面相切进入。含尘气体进入后，在筒体 部分旋转向下，进入锥体到达锥体顶端前，返转向上，清洁气体经排气管引出。 这就是常见的切向返转式旋风分离器。进气方向与分离器轴线平行的，称之为轴 向式旋风分离器。这种分离器利用导流叶片使含尘气体在分离器内旋转。处理气 体量大，压力损失小。 切向返转式旋风分离器又分为直入式和蜗壳式。直入式入口管外壁与分离器 简体相切：而蜗壳式入口管与内壁分离器简体相切，入口管外壁采用渐开线形式， 渐开角为1 8 0 、2 7 0 及3 6 0 等。直入式进口设计与制造方便，性能稳定。蜗 壳式入口增大进1 2 1 面积容易，并因入口有一个环状空间，使入口含尘气流距简体 外壁更近，对提高分离效率有利，但分离器体积较大，没有直入式进口结构紧凑。 轴向式旋风分离器，根据含尘气体在分离器内流动方式可分为直流式、反转 式两类。轴向进入型式的分离器，气体旋转是利用导流叶片进行的，叶片形状有 各种形式。与切向进入型相比，压力损失更小，且气流分配均匀。 近年来，也有切向进1 5 和直出式排气结合起来的旋风分离器”1 ，取消了内旋 流，因而减小了压力损失。 1 2 2 国内外对旋风分离器流场的研究现状 白2 0 世纪8 0 年代至今，石油大学的姬忠礼、时铭显等人在旋风分离器的流 场测试、结构优化、数值模拟、性能预测等方面做了大量的工作1 6 - 1 4 1 , 在实验研究方面，姬忠礼、时铭显采用五孔球探针和热线风速仪测定旋风分 离器的内流场两，并对其测量精度做了比较。研究表明，用五孔球探针可以测定 旋风分离器的切向和轴向平均速度，但径向平均速度的测量精度不高。用单斜丝 探针旋转法可以精确测定旋风分离器内三维平均速度分布，而用普通平探针能够 准确的测定切向和轴向速度。 刘爱林、时铭显进行了直筒型导叶式旋风管流场的测定与分析。通过实验 第一章文献综述 阐明了直筒型导叶式旋风管( 结构简图见图i 2 ) 流场分布的特点，采用平均速 度场模式及常涡动粘度假设简化了雷诺方程，并改进径向速度的假设，配合一系 列由实验确定的常数与参数，得到了整个流场的无量纲形式的三相速度数值解。 图1 - 2 旋风管结构简圈 f i g 1 - 2c o n f i g u r a t i o no f t u b a le y e l o n e 文中将导叶式旋风管内流场概括为两个区域： ( 1 ) 环形空间：流场呈准二维旋流分布，即切向旋转和轴向向下流。两向 速度分量在入口气速v i 给定时，可由叶片参数近似确定。 ( 2 ) 分离空间：流场呈准三维旋流分布，径向速度v ，数量级很小，流场的 物理模型可以概括为内、外双旋流，外旋流为准自由涡，内旋流为准强制涡。 针对实验实测数据他们提出如下假设； 1 、流场分布是轴对称的； 2 、流体流动是定常不可压缩的，即气流密度为常量； 3 、切向速度及径向速度沿z 轴的变化与沿r 轴的变化相比可忽略不计； 4 、涡动粘度系数yt 为空间常标量。 姬忠礼、吴小林、时铭显依据热线风速仪对强旋转流场的测定结果，对直筒 型导叶式旋风管的流场进行了计算哺1 ，提出将各向同性的k - r 模型改为各向异性 的k - r 模型，利用逐次逼近法得到各向涡动粘度系数值。 吴小林、阳彦辉等人采用各向异性的k - s 模型，计算用于多管式旋风分离器 的p v 型旋风分离器的三维速度场t 9 1 。利用逐次逼近法得到了各向涡动粘度系数 值。计算表明，各向异性的k - s 模型计算导叶式旋风管内的强旋转流场，计算方 第一章文献练述 便，与实测结果吻合较好。 吴小林、时铭显根据五i l 探针及热线风速仪实测得到的气相流场数据，采用 单颗粒动力学模型计算了旋风分离器内颗粒的运动轨迹1 0 1 。计算结果表明，进 入旋风分离器的颗粒绝大部分在环形空间就被甩向壁面；从入口上部进入的部分 较小颗粒由于局部二次流作用而上升形成顶灰环，还有少量颗粒进入下部分离空 间。 国外对旋风分离器流场的研究目前多将实验研究与数值模拟相结合，研究颗 粒尺寸、密度、气体速度和湍动能等参数对分离性能的影响1 1 5 - 1 7 1 。从实验手段 上来看，多采用激光多普勒测速仪( l d v ) 进行气相速度场以及颗粒速度的测定， 具有快速准确的特点；压力场的测定一般还需要进行接触性的测量，但由于采用 的压力传感器进行数据采集，数据的精度和测量速度都较高。在数值模拟方面， 采用多种湍流模型方程进行数值模拟，经验证，雷诺应力模型比较适合这种强旋 流动。甜气固两相的流动，使用计算流体力学( c f d ) 进行数值模拟，可以较为 可靠用来预测旋风分离器的性能。 由于旋风分离器的流场分布及分离性能和操作性能都受到具体结构和尺寸 的制约，现有的研究结果还不足以提出一个普适的模型来描述流场分布，因此对 于新型结构的旋风分离器，有必要在借鉴现有成果基础上从实验和模拟两方面进 行研究。 1 2 3 五孔球探针用于旋转流场测量的研究现状 测量复杂的三维流场，相对于其它测量手段而言，五孔球探针操作简便，同 时可以测量速度场和压力场，因此在工程研究中仍被广泛采用。 但是，前人8 2 0 1 采用五孔球探针测量旋风分离器流场时，对径向速度分布 的对称性和径向速度的方向存在不一致的结果。 针对这一问题，沈恒根进行了对比实验研究1 2 1 1 。研究结果表明： 1 五孔探针测定旋风分离器流场结果出现径向速度轴不对称的外在原因是 测定方法采用了全程法( 探针垂直旋风分离器轴线探入器内，在整个直径范围内 进行测量) ，内在原因是径向静压梯度作用。五孔探针测定流场，宜采用前程法( 探 针垂直旋风分离器轴线探入器内，在不越过轴心的前半程的半径范围内进行测 量1 ； 2 径向静压梯度修正后测定结果及理论分析表明，旋风分离器内外涡气流 是汇流运动，而不是外涡汇流内涡源流。内涡呈源流运动的假象是径向静压梯度 影响五孔探针产生的测试误差。 3 五孔探针测定旋风分离器流场应该进行径向静压梯度修f ，否则用于测 6 第一章文献综述 定径向速度的误差较大。 五孔球探针测量三维流场时，每一个测点都需要手动转动探针，使感压孔正 对来流方向。用微压计读取很小的差压，测量过场耗时较长，效率很低。 金春强等研制了智能化万用压力及气体三维流场测量系统( 2 2 1 。五孔探针探 测的压力模拟信号送入压差传感器转变为直流电信号。经转换电路调整后，输入 积分型a d d a 接口进行模数转换，输出数字电信号传入p c 微机处理计算。使 用者可以在屏幕提示下进行操作，对测量结果可以随时进行计算、打印、绘图。 该系统的优点就是实现了压力的计算机采集，可以节省一部分测量时间。但 是，测量旋风分离器流场时，因流场复杂，且流速一般较低( 1 0 2 0 m s 左右) ， 测量的压差相当小( 数量级小到l 帕) ，再考虑信号转换传递时的误差，难以保 证压力测量的精度。 北京化工大学顾锦鸿、张志群等n 3 2 5 1 开发了一套用五孔探针测定三维全流 场分布的计算机数据采集与处理软、硬件系统，实验过程中所测数据均由计算机 自动采集、记录并储存处理。可以有效提高实验效率。 1 2 4 型式相近的旋风分离器的研究现状 丁华对切线进口式直流旋风分离器进行了流场测定t 2 6 1 他认为j ：切向速度 分布与切向翻转式旋风分离器相似，由核心部分的强制涡核及外部的准自由涡两 部分组成，轴向速度呈“马鞍型”分布，分为三层流动，中心和外壁向下流动， 中间夹着一层向上回流层，形成了内、外两个立面涡。 他还认为：强制涡核和出口管外的次级流是直流旋风分离器内气体流动状况 的两大问题。涡核的强制旋流，使直流旋风筒中心有一很强的负压区，造成压力 损失，且在径向产生很强的压力梯度，阻碍了颗粒的离心运动。出口管外壁的向 上回流是产生颗粒二次夹带的主要原因，是对分离效率影响最大的次级流。 对于丁华所指的立涡面的存在，其它文献并没有类似的观点。 林玮等瞳7 _ 3 0 1 研究了一种轴向进口的直流式旋风分离器，实验测得的轴向速 度分布如图1 3 。 如图所示，在排气管与外筒壁的环形段内，出口管外壁存在较大的轴向回流， 这与丁华的观察一致。受上行气流影响，轴向速度在有导流体环形段和简体段都 存在一中心的低谷，他认为这说明上游流场对下游流场有较大的影响。该轴向速 度低谷区的位置与丁华所谓的向上回流区大体相同，不同的是低谷区轴向速度虽 然比简体中心和边壁附近的低，但是这里轴向速度仍是向下的，并未反向。 第一章文献综述 m 血 爿爿爿 ? uk 多 孓 矗 棚喊咄 口 夕 、 | ) 铷j 遗班 1 i ! ? ： ：， 图1 3 轴向速度和切向速度在旋风分离器内的分布全貌 f i g 1 3 d i s t r i b u t i o no f a x i a l v e l o c i t ya n dr a d i a lv e l o e i t yi nc y c l o n e 洼：该旋风分离器气流方向和排气管形式与本文所研究的三相旋流_ ； | 类似，但气流的 旋转足由切向进口形成的而不是三相旋流器采用的导叶轮引导的方式；简体和排气管的结 构尺寸与三相旋流器也有不同。 在有导流体环形段，切向速度分布类似于准自由涡形态，有实验拟合得到的 指数项和常数项分别为0 4 5 和3 2 ，即瓦7 0 ”：3 2 。而在简体段，切向速度分布 确实典型的r a n k i n e 组合涡，切向速度的最大值与轴向位置无关t 3 1 1 。 - _ 一 图1 - 4 径向速度和静压在旋风分离器内的分布全貌 f i g 1 4 d i s t r i b u t i o no f t a n g e n t i a lv e l o c i t ya n ds t a t i o n a r yp r e s s u r ei nc y c l o n e 图1 4 为林玮测得的径向速度和全压在旋风分离器内的分布全貌。如图所示， 径向速度在分离段和排气管外侧较小，而在筒体段和接近轴线附近变得很大。随 着半径的减小静压是减小的，但静压梯度则是增大的。越靠近简体中心静压梯度 越大，中心区域尤为明显，这是涡核的强烈旋转造成的。 林玮根据实验数据计算得到，大约有2 5 的气体没有直接进入排气管，而沿 筒体外壁下行到达分离器底部后，再沿排气管上行进入排气管。他认为排气管长 度是影响下行气量的主要因素，对这一尺寸的优化也是继续研究的一个方向。 林玮对传统的切向反转式和直流式旋风分离器的三维两相流场都进行了数 值模拟，开始采用修正的k - s 湍流模型，控制方程在三维贴体坐标下用非交错的 s i m p l e 算法求解，计算分离器内的速度场和压力场；后来采用代数应力模型， 通过对雷诺应力输运方程的简化得到雷诺应力的代数表达式，控制方程采用有限 第一章文献综述 体积法离散，用非交错网咯下的s i m p l e 方法进行求解。 1 3 三相旋流器流场研究现状 禁文彬主要对直简型导叶直流式三相旋流器中液、固相与气相的分离过程中 的阻力损失进行了研究t 3 2 1 。设计了公称直径为1 8 0 r a m 的有机玻璃模型，分析各 参数因子及其它们的交互作用对阻力系数影响的显著性。得到以下结论： i 通过模型在无喷淋及有喷淋两种情况下阻力系数的实验研究，发现阻力 系数随喷淋量增大而增大。 2 通过对8 个实验模型的三因子两水平实验及统计分析，分别回归出无喷淋 及喷淋量为2 0 0l h 两种情况下，阻力系数作为几何尺寸比函数的关联式。 4 推导出临界粒径计算公式。 5 通过与花瓣型导叶反转式旋风分离器的比较可以看出，所研究的直筒型 导叶直流式三相旋流器的阻力系数平均可以降低5 2 ，5 ，从而大大降低能耗。 刘磊在对该旋流器的研究中，讨论了旋流器结构参数及操作参数与分离效率 的关系1 3 3 | 。在分离效率模型的基础上，对三相旋流器进行了优化设计，提出最 佳截面气速为4 5r n s 6 0r r d s ，并指出：随截面气速的增大，三相旋流器的分 离效率降低。 李振方h 1 在入口气速分别为5 5n d s 、6 0r i g s 的情况下，对旋流器出口环状 区域，径向上分三个截面进行了测定。 每个测孔从排气管夕 譬( r = 1 5 0 m m ) 到旋流器内壁( r = 3 0 0 r a m ) 共取了 6 个测点，根据原始实验数据，测得的流动角od 自内向外由接近9 0 。逐渐增大， 到最后r = 2 8 0 。2 9 0 n 吼时，超过1 8 0 。，但一般小于2 0 0 。从这一变化趋势揭 示出的信息是：在接近外壁面处，气体径向速度变小( od 接近1 8 0 0 ，g o s ao 是小 值) ，甚至向上( ao 超过j 8 矿，速度反肉) ：在接近内壁蕊处，气体几乎停此旋转 ( no 接近9 0 0 ) ，其最内层气体甚至有轻微的反向旋转( 。o 略小于9 0 0 ) ；在环形区 域中间部分，气体流动仍为正向旋转并向下运动。 上述分析指出：环形区域主体为下行气流，仅仅靠近摊气管外壁的区域才存 在上行气流( ob 小于9 0 0 ) ；靠近筒体内壁处切向运动为主体运动，轴向速度变 小甚至反向( 该处可能存在与主体区域类似的立涡面“”) ， 现有的有关阻力损失和分离效率的研究是在模型实验的基础上进行研究的。 阻力损失决定了装置的能耗，分离效率代表了装置的操作性能。在大多数情况下， 提高分离效率就必须增加能耗，而在保证分离效率的前提下，如何减小阻力损失 9 第一章文献综述 降低能耗就是需要研究的重点内容。 根据现有研究，影响分离效率和阻力损失的主要结构参数包括导流体长度 l 、排气管长度h 、导叶轮叶片出口角b ；平均截面气速v ，和喷淋的液气比等操 作参数也是影响能耗和分离效率的重要指标。 为了达到实现对直筒型导叶直流式三相旋流器的结构参数和操作参数的优 化，通过实验测量的方法确定旋流器流场中各部分的具体流动型式是十分必要 的。在可靠的实验测量结果基础上，可以从流体流动机理的层次深入分析结构参 数和操作参数对流场的影响，为进一步的结构优化提供指导。 在实验研究的基础上，使用成熟的流体力学商业软件f l u e n t ，通过对流场建 立模型进行数值计算，采用“计算试验”的方法，为结构参数和操作参数的优化 提供了强有力的工具。 第二章旋流器流场研究方法的讨论 第二章旋流器流场研究方法的讨论 2 1 流场研究的基本方法 流体流动问题( 包括流体速度分布及其相关传递过程) 的研究有三种基本的 方法1 3 4 1 ：理论解析、实验测试和数值模拟。 ( 1 ) 理论解析法 理论解析法是以具备流动过程模型方程为前提的。所谓模型方程在这里指的 是描述流体流动及其相关传递现象的微分方程，如流体流动连续性方程、运动方 程烈s 方程) 、以及传热微分方程和传质微分方程等。该方法解决某一具体流动 问题的基本过程包括：对通用模型方程进行合理简化或依据基本原理新建立具体 模型方程，提出初始条件或和边界条件，然后用已有数学工具求得模型方程的 精确的或近似的解析解，然而，实际流动过程的模型方程多为复杂的非线性微分 方程，除了极少部分问题外，多数问题是得不到理论解析结果的，这使得理论解 析法的工程应用受到局限。但不能因此而忽视理论解析的作用。事实上，数值模 拟中一些新方法的发展及评价都要用到简单情况下的理论解析结果。 ( 2 ) 实验测试 实验测试无疑是研究流体流动的最基本方法。尤其是对于目前仍未找到合适 的数学模型描述的过程，实验测试是唯一的研究手段。对于理论解析和数值模拟 都必须直接或间接地由实验观察或测试结果来确证其可靠性。但是，真实条件下 进行全比例实验费用昂贵，而小模型实验结果又存在放大问题。实验测试还存在 种种问题。对于接触式测量而言，首先测试探头不能全部测量期望的所有测点， 二是得到分析流场所需的测点数工作量巨大且难以保证稳定的实验条件，此外还 有探头本身对流场的扰动等问题。而非接触测量也存在系统复杂价格昂贵的缺点 制约着它的使用。因此，实验研究的成本与所得结果的相对价值是必须考虑的问 题。 ( 3 ) 数值模拟 流体流动的数值模拟就是通过数值计算方法求解流动微分方程获得流场内 有限点上流体速度及相关参数。数值模拟已成为研究流体流动的主要方法之一， 而且还不乏由数值模拟发现新的物理现象履再由实验验证的实例。数值模拟方法 有以下特点：成本低；速度快，只要准备工作完毕，数值模拟能在短时间内 第二章旋流器流场研究方法的讨论 进行多个工况的模拟计算并通过比较进行优化；资料完备，通过数值模拟可以 得到全流场的信息，因此，即使是实验研究，也应尽量由模拟工作来补充资料； 具有模拟真实条件能力，数值模拟可以实现实验很难达到的工况；模拟理想 条件的能力，模拟计算可准确实现实验只能近似的达到的各种理想的条件，例如 二维，常密度，绝热壁面等。但是，数值模拟的前提是模型方程，其实用价值受 到模型方程的制约。因为很多实际问题尚未找到合适的数学模型来描述，而要建 立这些模型，实验探索是必须的；其次，由于计算方法和计算手段的限制，对于 已有数学模型描述的问题，也并非都能获得成功的数值模拟；此外，目前数值模 拟结果的可靠性还必须通过实验观察或测定来验证。 综合所述，理论解析、实验测试和数值模拟三种方法各有适宜的应用范围。 在工程应用研究中，应该将实验研究和数值模拟有机结合，通过准确的实验给模 拟提供更多的条件并验证模拟的有效性，通过数值模拟得到更丰富的流场信息并 迸一步指导实验的进行，优化实验方案。 2 2 流场的实验研究方法 2 2 1流动相似原理玎4 1 流动相似概念实际和相似概念的推广。在两个几何相似的空间中的流动系统 中，若对应点的同名物理量之间有一定的物理关系，则这两个流动系统是相似的。 只要找出这个比例关系，就可以通过了解一个系统的流场去认识另一个流动相似 系统的流场。流动相似包括几何、运动、动力相似三个方面。 几何相似指模型流动的边界形状与原型相似，即在流场中，模型与原型流动 边界的对应边要成一定比例。工程流动现象称为原型，为实验研究所设计的流动 系统称为模型。 运动相似是指几何相似的两个流动系统中的对应流线形状也相似，运动相似 即意味着几何相似。 动力相似是指两个几何相似、运动相似的流动系统中，对应点处作用的相同 性质的力方向相同，大小成一定比例，且比例常数对两个流场中任意对应点都不 变。 流动相似中，除了满足几何相似、运动相似和动力相似以外，还必须是两个 流动系统的边界条件和初始条件相似。 流动相似理论是工程模型研究和实验的基础。根据流动相似原理，在应用模 型实验研究流动问题时，首先要保证模型系统与原型系统的流动相似，即保证将 第二章旋流器流场研究方法的讨论 系统流动的同名准数都相等，然后通过实验测试和数据处理获得相似准数之间的 关系式或曲线，从而和模型研究的结果可应用与原型系统的放大设计。 当然，本实验装置采用的是1 ：1 的工业模型，这样，对模型的实验结果就可 以直接的使用，实验的可靠性更有保证。 2 2 2 流场测试方法3 4 1 流场测试包括测量欧拉场中的所有物理参数的分布状态，诸如速度场、压力 场、密度场、粘度场、气( 液) 固两相浓度场等等。旋流器流场测试一般只涉及 速度场和压力场。 测量气体点速度的装置或仪器有接触式和非接触式两大类，前者有皮托管、 三孔探针、五孔探针、热线风速仪和热膜风速仪，后者有激光测速仪、高速摄像 仪和激光粒子成像测速仪等。用于测量点速度的皮托管、三孔探针、五孔探针都 可以用来测量压力场。 2 3 五孔球探针使用方法与探讨 2 3 1 五孔球探针结构与使用简介 如图2 - 1 所示，五孔球探针由球形的探针头、探针杆、活动角标、固定表盘 和测压接头组成。球形探针头上有五个感受孔，各感受孔的分布位置如图2 - l ， 每个孔经过位于探针杆内的细管与探针尾部对应的测压接头相连。固定表盘是固 定在探针杆上的，随着探针一起转动。活动角标下部有一个水平泡，调节角标使 水平泡位于中间位置可以确定探针旋转的角度。 卜 祝圈b - b 视圈a 向 z 一 露，省虬斗 探针头乙探针秆，活塑角墁，备；壅垄； 图2 - 1 五孔球探针测定装置示意图 f i g 2 - 1d i a g r a m m a t i c s k e t c ho f f i v e h o l ep r o b e 第二章旋流器流场研究方法的讨论 五孔球探针在流场内的放置位置如图2 a 所示，a 点为探针球头的位置。在 图2 2 b 所示的坐标系内，定义了旋转流场中的三维分速度砭、k 、巧以及两个 流动方位角a 、。体现了径向速度与绝对速度之间的关系，称为径向流动角； a 体现了轴向速度与切向速度之间的关系，称为轴向流动角。 ( = ：# 十球 、 一7 a ” i 、，k ， 。、，个、。 t ( a ) 探针在流场内的位置( b ) 三维速度 图2 - 2 探针测量旋转流场的三维分速度的定义 f i g 2 - 2 d e f i n i t i o no f t h r e e d i m e n s i o n a lv e l o c i t i e si nt h e m e a s u r e m e n to f s w i r l i n gf l o wb yf i v e - h o l ep r o b e 探针使用前需要进行风洞标定。具体做法是，在标定气速下，令来流速度处 于由li l 、3 孔和2 孔确定的平面上，在不同的径向流动角p ( 4 0 0 范围内每 隔5 0 ) 下通过标定得出协( 测量位置上气体具有的动压头) 与h ，寸( 1 、3 孔压 差) 、h 2 4 ( 2 、4 孔压差) 、岛( 凰在2 孔的分压) 之间的函数关系，并用压力校 正系数k ，、k 卜，、恐卟配来表示。 实际测量时，探针垂直于简体中心，转动探针使2 孔正对来流方向，当探针 h 。一，= 0 时，记录由表盘读出的偏转角。口，并测量矗l 小h 2 - 4 、h 2 。将。o 换算为 图2 2 b 定义的轴向流动角d 。 角度校e 系数k ，= - 3 h 2 却根据标定数据插值得径向流动角口，再由 分别插值得校正系数局小恐卟局。 气体绝对速度v 、三维分速度以及静压h 孙全压 o 可用公式( 2 1 ) 一公式 ( 2 6 ) 分别计算。 v =上虹：j 土堕 1 凡k 1 - 31 p g k 2 4 一= y s i n ( p ) k = v c o s ( a ) c o s ( p ) k = v s i n ( a ) c o s ( ) ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 第二章旋流器流场研究方法的讨论 h s = h 2 一k 2 ( h 2 一。k 2 4 ) = h ：一k z ( 矗一3 x l 一3 ) h o = h s + ( l 一3 k 】3 ) = h ，+ ( 2 4 足2 4 ) 式中，动压h 。= h 2 _ 4 k ：一。= h i _ 3 x 一，。 2 3 2 正确的轴向流动角的确定 ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) 探针使用中，调节平衡位置( m 。= 0 ) 容易出现多个零点。毫无疑问，只 有一个零点代表了真实的流动方向。在不了解实际流场分布的情况下，容易在错 误的位置上进行测量。为了确定正确的气流方向角，需要从气体绕流球体的原理 的角度上理解多个平衡点的出现原因。 2 3 2 1 气体绕流球体的原理口4 1 五孔球探针测量流场是基于气体绕流球体的原理。 由于粘性的作用，圆球表面附近的流动异常复杂，流场的速度分布与压力分 布都与雷诺数r 。= d u y 有关，至今尚不能用分析方法求解。但是其流型可以 根据雷诺数见进行判断。 当r 。 2 时，流动有对称性，属于斯托克斯( s t o k e s ) 流。在2 r 。 2 0 的 条件下，边界层处于层流状态，无分离现象，且随着雷诺数的增大，迎风面的边 界层与背流面出现不对称，当心= 1 0 时已很明显，这是球的阻力主要为摩擦阻 力。当r 。“2 0 时，背流面出现边界层分离，产生有旋涡的屋迹流。 当2 0 r 。 t 3 0 时，产生的尾迹流中旋涡较稳定，边界层仍保持层流状态。 这时球的阻力有摩擦阻力和压差阻力两部分组成，且大小相当。当1 3 0 尼 4 0 0 时，尾迹流的旋涡从球面脱落，尾迹流的流动呈稳定状态。总阻力以压差阻力为 主。 当4 0 0 5 d 口 尸口o ，这可以作为确定正确的测量位置的一个判据。 2 5 0 1 5 0 定 5 0 t 一5 0 龟 一15 0 2 5 0 ；厂一。 = 。n 图2 - 5 加一j 随探针旋转角度a 的变化 f i g 2 - 5c h a n g e s o f ，一j w i t ht h ep r o b er o t a t i o na n g l e 探针处于正确的平衡位置时，由气体绕流球体的原理，由于2 孔比4 孔更接 近气流滞止点，故必然存在h 2 - 4 0 。 五孔球探针对径向流动角的测量有一定的范围( 标定区间芦【一4 0 。，4 0 。 ) ， 对于超出测量范围的速度是无法准确测量的。径向流动角在测量范围之内时，角 度校正系数( k ，= 卜3 圯叫) 必然也会在标定范围之内，这可以作为判断探针 是否处于正确的测量位置以及径向流动角是否超出测量范围的一个必要条件。 综上，得出判断五孔球探针处于正确的测量位置的三个判据： j r i 、 ( 1 ) 璺! ! 型 0 5 m 渐氆p o ( 1 8 赫下，不同气速下数值应有所变化) ； ( 2 ) h 2 一 o ； ( 3 ) k f k 口，足p 一1 。 第二章旋流器流场研究方法的讨论 2 3 3 误差来源分析 2 3 3 1 压差的测量 使用五孔球探针进行流场的测量就是对压差的测量。需要测量的压差一般在 1 5 0 0 p a 以下，最小值甚至只有数帕，从量程和精度两方面考虑，本文采用补偿 式微压计进行压力测量。对于较大的压差值，配合使用u 型管压差计进行测量。 压力感受孔和探针于于内的连接管的直径都非常小，气体通过感受孔和连接管 的阻力很大，因此在较小的压差下气体通过的速率很小。测量时需要将压力测量 仪器与探针的测压接头用导压管相连。在每个压力通路中，导压管与压力测量仪 器中存在一个封闭的空间，该空间体积越大，压力平衡的时间就越长。为了更快 的达到压力平衡，可以使用直径较细的导压管，并使导压管的长度尽可能的短。 实验证明，相同长度下，使用内径2 r a m 的导压管比使用内径8 r a m 的导压管可以 节省平衡时间一半以上。 2 3 3 2 位置误差 操作不当容易引起探针位置不正，误差如图2 - 6 所示。旋转流场中径向速度 一般较小，因此探针沿水平方向和垂直方向的偏转对径向速度的影响很大，这是 使用五孔球探针对径向速度难以准确测量的主要原因。 2 3 3 3 速度梯度对铡量误差的影响 文献3 6 1 通过模拟实验研究，分析了速度梯度、近壁效应和匙数对用于叶轮 机流场测量的包括锥形五孑l 探针在内的几种压力探针的测量误差的影响。 将文献6 1 的结论推广到本测量中，可以认为：轴向的速度梯度能引起轴向 流动角测量误差，径向的速度梯度能引起径向流动角测量误差，速度梯度使气流 方向测量值向负梯度方向偏转；径向速度梯度对径向流动角测量值的影响尤其 大；速度梯度一般使静压测量值偏小，使总压测量值偏高。 速度梯度对轴向流动