（动力工程及工程热物理专业论文）多管式旋风分离器气相流场的数值模拟.pdf

摘要 本文采用c f d 方法，应用f l u e n t 6 3 2 6 软件对多管式旋风分离器气相流场进行数值 模拟，研究多管式旋风分离器内部气相流场的特征，以及在不同结构参数和操作参数下， 多管式旋风分离器内部气相流场的变化。 结果表明：当分离器中各单管阻力特性一致时，各单管进气均匀，单管间窜流程度 很弱。进气室、集气室、灰斗三个腔室中灰斗内的速度值和压力波动最小，但对装置分 离效率的影响最大。多管式旋风分离器中，单管流场偏转严重。气流窜流的方向是从排 尘口高压到低压。排气管直径较小的单管，为捐赠管，排气管直径较大的单管，为接收 管；进气量大的单管，为捐赠管，进气量小的单管，为接收管。捐赠管分离空间下行流 量增大，切向速度增大，升气管内切向速度减小，接收管反之。单管的泄气率在多管式 旋风分离器总泄气率上下波动，总泄气率越大，波动越大。随着单管泄气率的增大，单 管的压降是降低的。泄气可以减少接收管的窜气量，但是对捐赠管的影响很小。 关键词：多管式旋风分离器、数值模拟、气相流场、窜流返混 a b s t r a c t c u iz h i n a ( m a c h i n e r yi nc h e m i c a le n g i n e e r i n gp r o c e s s ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rw a n g j i a n j u n t h i sp a p e rs e l e c t st h ec o m m e r c i a lc f ds o f t w a r eo ff l u e n t 6 3 2 6o nm u l t i - c y c l o n e s e p a r a t o rg a s f l o wf i e l dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt o a n a l y z em u l t i - c y c l o n e f l o wf i e l d c h a r a c t e r i s t i c s ，a sw e l la sm u l t i p l ec y c l o n eg a sf l o wf i e l dc h a n g e si nd i f f e r e n ts t r u c t u r a la n d r e s u l t s ：w h e nr e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec y c l o n et u b e sa r et h es a t n e ，c y c l o n et u b e s e n t r a n c ev o l u m ei ss i m i l a ra n d “c r o s st a l k ”p h e n o m e n o ni sv e r yw e a k d u r i n gi nt h ei n l e t c h a m b e r , ag a sc o l l e c t i n gc h a m b e r , t h ea s hh o p p e r , s p e e df l u c t u a t i o na n dp r e s s u r ef l u c t u a t i o n i nt h ea s hh o p p e ra lem i n i m a l ，b u tt h ei n f l u e n c eo fa i r f l o wi nt h ed u s th o p p e ro nt h e s e p a r a t i o ne f f i c i e n c yo ft h e d e v i c ei st h e l a r g e s t c y c l o n et u b e f l o wf i e l d d e f l e c t s s e r i o u s l y “c r o s s t a l k ”d i r e c t i o ni sf r o mt h ed u s t e x h a u s tp o r th i g hp r e s s u r et o l o w p r e s s u r e c y c l o n et u b et or e d u c et h ee x h a u s tp i p ed i a m e t e ri sd o n a t e dt u b e ，c y c l o n et u b et o r e d u c et h ee n t r a n c ev o l u m ei st h er e c e i v e rt u b e t h ed o w n s t r e a mf l o wa n dt a n g e n t i a lv e l o c i t y o fd o n a t i o nt u b es e p a r a t i o ns p a c ei n c r e a s e ，t h et a n g e n t i a lv e l o c i t yo fd o n a t i o nt u b ee x h a u s t p i p ed e c r e a s e s r e c e i v e rt u b ei s t h ec o n t r a r y t h el e a kr a t eo fc y c l o n et u b ef l u c t u a t e s a c c o r d i n gt ot h et o t a ll e a kr a t eo fm u l t i c y c l o n e t h eg r e a t e rt h et o t a ll e a kr a t e ，t h eg r e a t e rt h e f l u c t u a t i o n w i t ht h ei n c r e a s i n go fc y c l o n et u b el e a kr a t e ，c y c l o n et u b ep r e s s u r ed r o pi s d e c r e a s e d l e a k i n gc a l lr e d u c et h er e c e i v e rt u b ec h a n n e l i n gg a s ，b u tl e a k i n gh a sl i t t l ee f f e c to n t h ed o n a t i o nt u b e k e y w o r d s ：m u l t i c y c l o n e 、n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 、g a sf l o wf i e l d 、c r o s st a l k 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章前言 旋风分离器是一种利用气体、液体、固体受到的离心力不同来实现将它们分离，从 而达到净化气体的目的设备。其内部没有运动部件，为静设备。在天然气净化、炼油厂 催化裂化工艺、循环流化床煤炭燃烧等多个行业得到了广泛的应用【l 】。 目前在工业生产中，由于处理气量往往较大，采用的是多管式旋风分离器，国内有 立式多管旋风分离器和卧式多管旋风分离器。多管式旋风分离器由美国s h e l l 石油公司 于6 0 年代首创【2 】，其核心部件是旋风单管，由导叶、分离管、升气管等组成，旋风单管 的数目由进气量的多少来决定。 目前，旋风单管的类型主要有e p v c 型、v e r 型、p d c 型及最新研制的p s c 型。 就单管分离效率而言，已达到比较先进的水平，而从单管的抗返混能力和多管式三旋地 整体效率、使用寿命、对泄气量的适应性等实际使用情况看还是存在一定问题【3 】。在实 际的工业生产中，旋风单管结垢、磨损等很多问题会出现【4 1 。 在多管式旋风分离的运行过程中部分单管间窜流返混严重，使多管式旋风分离器的 效率下降。在单管排尘口，部分下行气流和一些未被分离的小颗粒被排出单管，由于单 管中心的内旋流场是负压中心，部分进入灰斗的气流会返回单管，必然会夹带一些细小 的颗粒，这就是返混现象。在多管式旋风分离器中，有气流会从某个单管流向其他的单 管，这就是窜流。由于单管间的相互影响，多管式旋风分离器中窜流返混的现象必然会 更加的严重【4 】。窜流返混，严重的影响了多管式旋风分离器设备的分离效率，然而目前 对产生机理和控制方法的研究还不是很多。 多管式旋风分离器气相流场是研究气固、气液、气液固多相相流场的基础，用来评 定分离器性能的设备的分离效率、压降等都与气相流场有着密切的联系。多管式旋风分 离器系统庞大，测量手段也受到较大的限制，因此研究人员和操作人员对于其内部流场 的特点和细节了解较少，很多只停留在经验观察的基础上。因此，采用数值模拟的方法， 全面系统的认识多管式旋风分离器内部的流场，对大流量条件下多相分离的旋风分离设 备的开发研制有着重要的意义。 第二章多管式旋风分离器的研究概述 第二章多管式旋风分离器的研究概述 工业生产中，多管式旋风分离器的应用是很广泛的。但通常情况下，多管式旋风分 离虽然处理气量大，但是其分离效率相对单管来说，却较低。对其分离效率的降低，产 生的原因和影响因素等还处在推理阶段。 目前国内外关于旋风单管的研究很多，但是关于组合式多管旋风分离器的研究还很 少。不论是从实验还是从模拟的角度来说，多管式旋风分离器系统太过庞大，是研究过 程中的一大难题。 2 1 多管式旋风分离器结构和气流流动概述 多管式旋风分离器包含进气室、单管、灰斗、集气室、进出口几部分，旋风单管被 固定安装在隔板上，如图2 1 所示。气流从中间的进气口通入，进气管穿过集气室，直 接连通进气室，气体从中间向四周扩散，到达单管的环形空间，环形空间布置有导向叶 片，通过导向叶片的作用，气流做旋转运动，进入分离空间。气流在分离空间经过离心 分离作用，被分离的颗粒进入灰斗，气体发生反转，从向上运动，经排气管进入集气室， 再由出口排出较纯净的气体。 气流从总进口进入，进气的方式一般包含中间进气和侧面进气两种，不同的进气方 式会对气流的扩散产生一定的影响，通常情况下认为越靠近进气口，单管的进气量会越 大。进气室的主要作用是提供气流扩散的空间，使气流截面的速度尽可能的均匀，进气 室有方形和圆形，通常圆形的要优于方形的【6 】。公共灰斗与单管的灰斗的最大的区别是， 它使各单管在底部是联通的，为单管间的气流交换提供了条件。当气流携带了颗粒以后， 就会严重的影响大分离效率。这也是多管式旋风分离器比旋风单管的分离效率低的主要 的原因。气流从升气管进入集气室时还有较强的旋流，但是处在分离的下游，并且都是 净化后的气体，一般不会像公共灰斗那样的影响分离效率。 2 2 多管式旋风分离器内单管的布置 旋风单管的布置是多管式旋风分离器设计、制造和安装的重要组成部分。不同的布 管方式，产生的压降损失是不同的，对进气量的分配也会产生不同的结果，从而影响进 气的均匀性。 中间进气式的分离器基本的布管的原则是：内圈的单管相对外圈要少，外圈的单管 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 要尽量的布置在内圈单管的间隙处。对于侧面进气，布管的方式常有顺排和叉排两种， 顺排是指周围的单管的轴心连线是相互垂直的，而叉排是指旋单管交错排列用，如图2 - 2 所示。 图2 1 多管式旋风分离器结构及内部气流流动示意图 f i g u r e2 1m u l t i t u b ec y c l o n es e p a r a t o rs t r u c t u r ea n d i n t e r n a lf l o wd i a g r a m ，一1 ， l b ) 】【搏 图2 - 2 多管式旋风分离器单管排列平面示意图 f i g u r e2 - 2m u l t i t u b ec y c l o n es e p a r a t o rs i n g l et u b ea r r a n g e m e n ts k e t c hm a p 2 3 立置和卧置多管式旋风分离器的对比 工业上应用的多管式旋风分离器主要有两类：立管式和卧管式。立管式多管式旋风 分离器应用的较多，但是随着重油催化裂化工艺的发展，卧管式也逐渐得到应用【8 】。两 种类型的多管式旋风分离器在结构、安全性、分离效率、经济性等方面存在较大的不同。 2 3 1 结构对比 3 4#拜行麟搿赣 砧数茸砧薯茸 第二章多管式旋风分离器的研究概述 立管式和卧管式两种类型的多管式旋风分离器都包含进气室、集气室、灰斗三大部 分，立管式由上、下拱形隔板分割而成【9 】，而卧管式是由两个不同直径但是同轴的中心 管和一个锥形的套筒将分离器内部分开。 2 3 2 操作性能对比 立管式的多管旋风分离器的板式结构受力不好，随着工业的发展，处理气量增加， 分离器直径不断增大，在高负荷高压的环境下，隔板受力情况恶化，高温使隔板强度降 低，隔板产生严重的变形，甚至拉裂排气管上的膨胀节，大大降低了装置的分离效率。 若再生器运转不正常有大量催化剂进入时，排出的气体中含有过多的颗粒，会严重的磨 损烟机【1 0 1 。 卧管式多管旋风分离器，在增大处理气量的时候，只需增加旋风单管的排数，即增 加多管式旋风分离器的高度就行。卧管式为受力均匀的回转壳体，不会有大的变形，甚 至拉断膨胀节。在再生器运转不正常有大量催化剂进入时，卧管式分离器由惯性预分离 作用，对旋风单管的影响较小。 2 3 3 分离效率对比 卧管式多管旋风分离器单管排尘口排出的气体，强旋流强度迅速降低，碰向灰斗壁 面，形成紊乱的内部涡流，造成严重的单管间窜流返混的现象。与立管式相比，分离效 率受到很大影响。为了弥补这一缺陷，在旋风单管的排尘口增加了返混锥，且使旋风单 管按向下倾斜1 0 。 2 0 。布置，错开上、下两排单管的排尘口、排气口，减弱单管间的 相互影响。 2 3 4 经济性对比 立管式旋风分离器处理器量大时，上下隔板直径大而厚，制造费用较高，卧管式尺 寸小，加工工艺要求低，且寿命一般大于7 年，而立管式的多位3 年左右。但是卧管式 的安装比较复杂，由于尺寸小，施工的空间也较小，检修、维护比较困难。 2 4 影响多管式旋风分离器分离效率的的几个主要因素 2 4 1 进气室进气不均 在实际的工业应用中，由于处理量大，多将小直径的单管并联组成多管式旋风分离 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 器使用。多管式旋风分离器往往有几百根单管并联组成，分成3 4 圈排布。 气流从总的进气口通入，经进气室的扩散分布，到达各单管。由于单管多圈分布， 气流在到达单管时，所经过的路径是不同的，从而沿程阻力也不同，气流的速度会随着 沿程阻力的增大而减小，所以当单管的阻力特性一样时，单管的入口速度会不同，单管 的进气量就会不同【l l 】。一般情况下，越靠近进气口，沿程阻力越小，单管的入口气速越 大，单管的进气量越大。当单管的阻力特性不一致时，即使沿程阻力是一样的，单管的 进气量也会不同。 一旦进气不均匀产生，单管若进气量大，则磨损严重，而进气量小的单管磨损小， 单管间就会越来越不同，使进气不均匀现象加剧【1 2 1 。 进气量不同，单管的压降则不同，排尘口的压力也会不同，压差造成了气体的流动， 单管间会发生交叉窜气，气流携带颗粒重新进入内旋流，降低了旋风分离器的分离效率。 另外，一定的流量范围内，分离效率是随着流量的增加而增加的，当流量达到一定 的值以后，流量增加，分离效率反而下降。所以流量的均匀分配对保证一定的分离效率 是至关重要的。 2 4 2 灰斗的窜流返混 窜流返混，是指单管底部被分离的颗颗粒经气流携带进入其他单管的内旋流，如图 2 3 所示。主要是因为底部公共灰斗压力分布不均，存在压力梯度造成的【1 3 】。单管进气 不均匀和公用灰斗，为窜流返混提供了条件。 灰斗内的气体流动应格外注意，因为灰斗内的阻力很小，所以即使单管排尘口间的 压差很小，也会导致比较大的气流波动。如果将各单管不再使用公用的灰斗，而使用独 立的灰斗，可避免窜流返混现象 14 1 。 繁 絮 t 曩f l r 囊q 2 二_ 图2 3 灰斗内的窜流返混 f i g u r e2 - 3a s hb u c k e tc r o s st a l l d n g 5 第二章多管式旋风分离器的研究概述 2 4 3 单管的阻力特性不同产生的原因 单管的在制造、安装中不可避免的会存在一定的误差，一般情况下，其对进气分配 的影响较小。生产运行中，对于催化裂化和天然气净化来说，操作条件一般是高温高压， 这样很容易造成各部分的变形。并且对于旋风单管来说，在运行过程中存在排尘不畅的 问题，加之内部的强旋流运动，会对旋风管壁造成磨蚀，如图2 4 所示，这些都会导致 单管间的不同，使单管的阻力特性不同，从而影响进气，使进气不均匀。 图2 - 4 气流对旋风单管的磨蚀 f i g u r e2 - 4a i ra b r a s i o no fc y c l o n et u b e 2 5 多管式旋风分离器内的摆尾现象 摆尾现象产生不是因为内部的旋转运动的结束，而是因为涡核偏向了壁面，并且绕 着壁面旋转，最终涡核碰到壁面，图2 5 用水流演示了涡核的偏向现象【1 5 】。 气流的含尘量增大，摆尾在底部结束的位置就越高；气流的流量越大，摆尾在底部 结束的位置就越低。涡核碰到壁面的地方，壁压会突然的减小。 不论是在旋风单管还是组合式多管旋风分离器中都存在摆尾现象，它会降低分离效 率，造成堵塞，并且会磨蚀旋风管。在多管式旋风分离器中，它导致单管排尘口处的流 场极不对称，加之上下行流在此相互的影响，湍动能很大，容易形成涡流，使已经被分 离的颗粒，重新被夹带进入内旋流，也有一部分随着窜流的气体进入其他的单管。流场 的极不对称，使压力的分布更加的不均匀，加剧了单管间的窜流返混。 在大部分的工业生产中，旋风分离器都是在高流量，大雷诺数条件下工作，会产生 譬 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 较长的漩涡。但是控制涡核的尾部，仍然是很重要的。 w a k , rn 秆h j 卜c 脚叼t _ f n 【目n ”w r 图2 - 5 涡核偏向壁面 f i g u r e2 - 5v o r t e xc o l et ow a i l 2 6 多管式旋风分离器底部泄气对分离性能的影响 多管式旋风分离器内部的流场非常的复杂，气流夹带颗粒从进口进入进气室，然后 扩散到各旋风单管入口，经导叶造旋后，旋转向下运动，形成外旋流，在旋风单管的底 部气流反转，旋转向上运动，形成内旋流，经排气管进入集气室，从出口排出。颗粒由 于离心力作用被甩向边壁，又由气流携带向下运动，从排尘口进入灰斗。 这是其内部的主要流动，除此之外还存在很多次要流动，比如在灰斗上部的涡流， 将粉尘带回旋流；颗粒经壁面反弹重新进入涡流；各单管排尘口附近的窜流携带颗粒返 混等1 6 1 。这些严重影响了多管式旋风分离器的效率。 在对旋风单管分离性能的研究中，认为在排尘口底部抽取一定量的气体可提高分离 效率。1 9 5 1 年s t a i r m a n dc j 【l7 】提出通过灰斗泄气可以提高旋风分离器的效率，在当时没 有收到重视。后来p w s a g e & m a w r i 班【1 8 】进行了实验，证实了灰斗泄气对旋风分离 器效率的提高是有利的，优于排气管泄气。 而对于多管式旋风分离器泄气后，内部的流场如何变化，以及是否会提高分离效率， 目前还没有研究。 根据浙江大学潘维、东南大学李敏，中国石油大学张建等人对旋风单管进行泄气的 研究，认为泄气对旋风单管的三维速度、压力、分离效率等都有很大的影响，其规律总 结如下： 2 6 1 底部泄气对轴向速度的影响 7 第二章多管式旋风分离器的研究概述 不论是否泄气，外旋流，气流旋转向下，轴向速度逐渐减小；内旋流，气流反转， 能力越强，越有利于提高分离效率。泄气率增大，下行流量是增大的有利于分离。 增大，有利于分离效率的提高【1 9 1 。 在排尘口，由于气流反转，很容易夹带颗粒返混。所以反转时向上的轴向速度越大， 也越容易夹带颗粒，致使分离效率下降。泄气率增大，排尘口处向上的轴向速度减小， 不利于分离 2 0 】。 由于旋风分离器的凹壁结构及其内部不稳定的强旋流运动，产生了很大的压力梯 灰斗内的轴向速度也增大了，有利于分离。内旋流向上的轴向速度减小，削弱了对颗粒 的夹带，提高了分离器的分离效率。但是排尘口处的返混现象是否能够改善，却是不确 事 ；| | j 囊| |卜 | i ” - 3l ， 毫薹 “ ! 。 ； i “ 要 ? 孽 “| 一一 “ ；u 。 ：* 蕊“? 一掣6 f i 。? r ，i ，誉| _ i l | ? l 蓬，。- 。 蒸? 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 不论是否泄气，在同一个截面上，切向速度分布呈双涡结构，外旋涡速度梯度大， 内旋涡速度梯度小。内外旋涡交界面，在0 7 倍升气管直径处，切向速度最大。 旋风分离器主要是依靠离心力来使颗粒分离，所以一般情况下，切向速度越大，分 离效率越高。进行泄气，切向速度增大，且越来越不对称，排尘口处最为显著。在一定 范围内泄气，切向速度增长幅度较大；超出范围，切向速度的增大幅度减小。 2 6 3 底部泄气对压力的影响 不论是否泄气，压力从壁面到中心逐渐降低。泄气可是负压区中心上移，减弱了对 颗粒的二次卷扬携带，有利于分离。底部泄气，增大了外旋流的轴向速度，旋转长度增 大。 2 7 单管结构的优化与改进 2 7 1 排尘结构的优化 单管的是通过排尘口将分离颗粒排入灰斗后排出，由于单管本身的返混和单管间的 窜流返混，排尘结构的设计非常重要。 常见的排尘结构主要有中孔型、平板型和无底板型【2 1 】，但是它们都存在一定的缺陷， 现在工业上大范围使用的p s c 型旋风管在排尘锥上加了开缝，克服了其他结构排尘不畅 的问题，由于开缝改变了单管内部的流场，单管的抗返混能力增强 2 2 1 。排尘锥开缝的上 部切向速度较大，驼峰形分布，开缝的下部切向速度严重衰减。沿排尘锥壁向下，上行 流区域增大，下行流区域减小，容易造成返混现象。排尘锥上开缝使一部分气流经开缝 排走，经排尘口底部进入灰斗的气量减小，就减弱了底部的返混现象【2 3 。 在旋风分离器内存在的摆尾现象容易使颗粒被卷进内旋流，h o f f m a n n 在锥体下部增 加了一段直管，发现尾涡移动到了直管末端，这样使有效分离的空间增大，有利于消除 尾涡对颗粒分离的影响【2 4 1 。f u p i n gq i a n 研究了加不同长度的直管段以后的流场，发现直 管虽然对增加分离空间，降低进入灰斗内气流的旋流强度有利，但是直管的长度存在一 个最优值，不是越长越好【2 5 】。 2 7 2 排气结构的优化 旋风单管内的流场十分复杂，在分离空间内不但有主导分离的主旋流，在其底部， 排气管附近还有二次流和短路流。金有海、毛羽等在排气管底部加开缝的锥体，即导流 o 第二章多管式旋风分离器的研究概述 锥，由于导流锥上的开缝和气流的旋向是一致的，气流的切向与开缝存在一定的角度， 当气流由外部进入内部，需要进行转角，瞬间的速度值不变，半径很小，受到的离心力 就极大，颗粒在进入排气管内被惯性分离了。大量的气流经导流锥进入升气管，分离空 间的气量就大量减小了，切向速度减小，上行轴向速度减小，下行的轴向速度几乎不变 t 2 6 0 2 8 综述 多管式旋风分离器，由多根单管组成，处理气量大，在工业上的到了广泛的应用， 在声场中存在的问题主要有单管间进气不均匀和单管间的窜流返混，严重的降低了单管 的分离效率。对单管装置进行抽气以及改变单管的排气结构、排尘机构等措施都可以提 高单管的分离效率，但是对多管式旋风分离器装置进行操作参数和结构参数上的改变的 研究还很少。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第三章多管式旋风分离器气相流场数值模拟基本设置 3 1 基本几何结构的创建 以单管并联组合而成的多管式旋风分离器为研究对象，按照图3 1 所示的结构尺寸 进行建模。模型简体内径为6 0 0 m m ，有5 根单管并联组合而成，分别为1 撑、2 撑、3 撑、 错、5 撑，圆形均匀分布，公用进气室、灰斗和集气室。采用侧面进气的方式，进气口设 在进气室的一侧，出气口在集气室正中，进、出口内径均为1 5 6 m m ，进口长度设为 2 5 0 r a m ，为了保证出口气流流动的充分发展条件的成立，将出口的长度设为5 0 0 m m 。 上、下封头都选用标准椭圆形封头，封头的公称直径d n 为6 0 0 m m ，封头的曲面高 度取d n 得四分之一，为1 5 0 m m ，当d n 小于2 0 0 0 m m 时，直边高度取2 5 i i 吼【2 7 】。 所选的单管为美国壳牌新型单管，这种单管结构简单，加工制作容易，价格便宜， 易保证气量的均匀分配，但是分离效果较差【2 羽，所以在处理颗粒含量较低的大流量气流 时还是得到了广泛的应用。 运用g a m b i t 进行建模，选用直角坐标系，以上封头和简体连接面的中心点为坐标 原点，沿排气管向上的方向为z 轴正方向，内部元件的壁厚均按5 m m 考虑。模型的建 立主要分以下几步： 第一步：通过v o l u m e 中各个生成体的命令构造模型的基本结构，主要用到的有 生成圆柱体命令；然后通过移动命令，将各个体移动到它们所在的坐标位置。 对于封头和导叶，在g a m b i t 中，没有直接生成的命令，需要通过构造点、线、 面，最后通过用面围成体的命令来生成体。 对于封头，主要的边是四分之一椭圆形弧边，通过生成线的命令，给出椭圆形的中 心点、短边长度、长边长度就可以得到椭圆形弧边，连接各点，构成各条边，再构成四 分之一椭圆面，然后通过旋转面生成体的命令将其旋转3 6 0 。即可得到椭圆形封头体。 对于导叶的画法，和封头的画法相比，相似但是略有不同。通过将导叶上两条内缘 线和外缘线上点的坐标，输入t x t 文本文件里，文本文件的开头第一行要写上点的个数、 空格、生成边的条数，然后换行，每行输入每个点的x 、y 、z 坐标，如图3 2 所示。 然后将文本文档的扩展名t x t 改为d a t 。通过g a m b i t 中的f i l r l m p o 小1 c e mi n p u t 命 令，即可画出四条边缘线。然后按照生成封头的点、线、面的方式，即可得到导叶体。 第二步： 第三章多管式旋风分离器气相流场数值模拟基本设置 凡是没有一定的形状，容易流动的物质都被称为流体，比如空气、水、油等【2 9 】。在 g a m b i t 建模中，所建的体不是和实验、工业中对应的体一样，而是有流体流过的空间。 所以壁厚、导叶之类的实际的体要通过s u b t r a c t 命令去掉。 为了保证各个体之间的联通，需要通过u n i t e 命令将所有的体进行合并。流体从 进口到出口都存在，这样所有的体会合并为一个体。 为了在画网格的时候得到较高质量的网格，需要进行分区画法。所以通过s p l i t 命 令，将整体分成几个部分。s p l i t 命令通常用体或者面来进行分割。体之间的连接面可 以将两个合在一起的体分开，但是对于连接面比较复杂的，一般选择的是体分割法。体 分割法会产生多余的重合体，因此应该注意将其删掉。完成上边两步，基本几何结构也 就创建好了。 图3 1 多管式旋风分离器结构尺寸示意图 图3 - 2 生成导叶边缘线的文本文档的格式 f i g u r e3 - 2g u i d eb l a d ee d g el i n et e x td o c u m e n tf o r m a t 3 2 基本几何结构的网格化 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 很多工程问题，采用区域离散化的数值计算方法，通过计算机计算得到满足工程要 求的数值解。区域离散化是指把连续的空间用离散点来记录。离散的基础是网格，离散 化物理量的存储位置是网格节点【3 0 1 。因此网格质量的好坏和网格数量的多少，直接关系 到微分方程离散化的难易程度、计算机计算速度的快慢和存储量的大小，甚至会对计算 结果的精准程度产生影响，得到错误的结果。 在划分网格时，要注意一下几点： 1 负压强梯度会引起的节点脱离，层流壁面存在边界层，因此为达到一定的计算精 度，节点的密度很重要。通常情况下，任何流体通过的管道都要用大于5 个网格来进行 描述，网格的纵横比一般要小于5 ：1 。 2 相邻网格体积之间变化若过大，数值计算会引起较大的截断误差，从而结果导致 发散。 3 在流动的初始区域存在很倾斜的网格是可以的，但在压力、速度等梯度很大的 地方就不行。由于不能实现对存在区域的预测，因此应在整个区域尽力划分优良的网格， 网格的倾斜比不能过大，。 采用分区画法画网格，主要分旋风单管、进气室、灰斗、集气室、进、出口六个部 分。除了上封头、下封头、进气室中部由于形状原因是四面体非结构化网格，其他部分 全部为六面体网格结构化网格。整体的网格分布如图3 3 所示。 旋风单管是进行气固旋风分离的核心部件，对网格质量的要求最高，全部采用六面 体网格。由于不规则形状体导叶的存在，导致网格的划分比较困难。导叶处的径向网格 太多，则会使整体网格的大规模增加，若径向和轴向的网格太少，则不能保证数值计算 的准确全面性，不能较好的来反映流体的流动状态。采用从线到面、从面到体的顺序， 依次选用等分、m a p 、c o o p e r 命令来划分网格。由于导叶底面形状为不规则四面形，导 致网格质量较差，若采用c o o p e r 命令向下投影则导叶下的环形空间和圆柱体的网格质量 将会极差，严重影响整体的网格质量。因此如图3 _ 4 所示，在导叶下方截取一小段环形 柱体，环形柱体的上表面为导叶的下底面，网格已经确定，在圆柱体下表面均匀布置与 上表面相等数目的网格，这样虽然上、下表面的网格分布不一样，不能用c o o p e r 命令以 上、下表面作为源面来画网格，但是网格数目一致，可以以内、外圆柱柱面为源面来画 网格，这样就大大提高导叶下方的网格质量。 进气室、灰斗、集气室由于单管贯穿整个装置的原因，若采用c o o p e r 命令画网格时， 源面非规则面，若自动生成网格，则会导致源面网格质量较差，且数目过大，因此对源 1 3 第三章多管式旋风分离器气相流场数值模拟基本设置 面也采用了分区画法。将面a 、b 、c 均分成六个面，如图3 5 所示。进气室由于进气 管的存在，非圆柱面，因此将其分成上、中、下三部分。从下往上画网格，下部可采用 c o o p e r 命令，中部采用t 鲥命令，得到的是非结构化网格，上部继续采用c o o p e r 命令。 出 口 图3 3 多管式旋风分离器网格分布示意图 f i g u r e3 - 3m u l t i c y c l o n es e p a r a t o rg r i dd i s t r i b u t i o nd i a g r a m 几何结；陶网锋 h 熙 带 h f 、：、 弋遵 0 ) ， x 二 震 麟 毯鼎甏 隧叠雷 孓，一 b 孓：兰；： 酱 瓣 i j 1 l im y ii i t l | i f 。t - 目 一一_ i ，一 孑= = 5 一孓之 1 f 川川| 、= = 二：_ = 二= 二二7 1 i i l l l 川i j j j | 8 i 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 3 3 网格质量检查 图3 - 5 网格分区画法示意图 f i g u r e3 - 5g r i dp a r t i t i o no fp a i n t i n gd i a g r a m 采用表格式输出命令c h e e kv o l u m em e s h e s 进行网格质量检查，它包含了当前默认 质量评价算法所能应用网格元素类型的所有网格。本文采用e q u i a n g l es k e w 作为当前 默认质量评价算法，表格式输出的数据将包含所有的六面体、四面体、棱柱和楔形元素。 等角倾斜度定义是： 瓯= 叫赫- e , j 降 ) 式中，一最大内角；一最小内角； 见一内角和除以内角个数。 当网格正交时，网格质量是最好的，等角倾斜度为0 ；当网格被严重挤压时，网格 质量会是最差的，等角倾斜度为1 ；在0 到o 4 之间为高质量的网格，因此最好把网格 质量控制在这个范围之内；0 7 5 到0 9 时，网格品质较差，当e q u i s i z es k e w 大于0 9 时， 计算精度很难保证，计算开始前先对网格进行检验。从下表的等角倾斜度的分布可以看 出，在0 到0 4 之间，占了8 7 4 l ；o 7 5 到0 9 之间，约占了3 3 6 ；没有大于0 9 的。 这组体的网格等角倾斜度的最小值为4 0 6 2 5 2 e - 0 0 6 ，最大值为0 8 9 6 3 6 6 。 在指定的7 7 个体中，没有网格检查失败的体且没有e q u i s i z es k e w 大于0 9 7 的。 第三章多管式旋风分离器气相流场数值模拟基本设置 e q u i s i z es k e w 是指通过单元大小计算的歪斜度，在o 到1 之间，0 为质量最好，1 为质 量最差。要求e q u i s i z es k e w 不能大于o 9 7 。 经检测网格质量达到要求，然后设定边界条件，保存d b s 文件，导出m e s h 文件。 最大内角 最小内角 图3 - 6 等角斜度示意图 f i g u r e3 - 6e q u i s i z es k e wd i a g r a m r r 以w j u ot o 咖c 姐啦i nr 姐驴to ft o 乞吐c 呲( 坫e 4 5 e g ) 7 惦5 0 3 4 4s 2 巧3 6 皓1 6 0 0 1 9 6 6 8 41 24 l 2 2 9 4 5 0 1 44 8 0 9 3 9 055 4 5 6 m t 43s 9 4 2 5 3 526 8 1 0 2 p l 06 s 1 8 700 1 000 0 0 1 1 5 8 4 5 8 91 0 00 0 如a s u z e di u d 恤，t h 塘：40 6 2 s 2 e 0 0 6 m e a s u r e d _ j o 口_ 峨v e l l 3 1 8 0 8 9 6 3 6 6 0o u to f7 u s h e d o h n w sf a i l e d 。hc h e c cf o rm dn _ n 协俚叽r i s i 征s 聊0 9 7 ) 0 啊i to f7 1n u h e d _ o h of 吐l d - e hc h c kf o ri 聃r t e de h 目临 图3 7 网格等角斜度分布图 f i g u r e3 - 7t h ee q u i s i z es k e wo fg r i dd i s t r i b u t i o nm a p 3 4f l u e t 软件求解设定 1 检查网格。读入g a m b i t 中保存的m e s h 文件，通过c h e c k 命令进行网格检查，要 求没有负体积网格的出现，若出现负体积网格，说明存在连接不正确的地方。 2 修改单位。f l u e n t 软件中默认的单位是米，通过s c a l e 命令将单位改为毫米。 3 操作条件设定。将入口中心点定义为标准大气压。 4 湍流模型的选择。 王海刚等对旋风分离器的三维流场进行数值模拟发现标准的k - e 模型预报的轴向速 度和切向速度与实验数据相差很大，不宜用于计算旋风分离器的强旋流流场；r n g k e 模型的基础仍然是涡粘性假设，结果的准确性虽有提高但仍不准确；雷诺应力模型对雷 诺应力微分输运方程进行完全求解，同时考虑了壁面的影响效果，模拟结果较为准确【3 l 】。 从b o y s a n 3 2 1 开始对旋风分离器的研究采用数值模拟的方法以来，人们选用了很多 】6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 湍流模型来进行分析，如k 一占模型、雷诺应力模型( r s m ) 、大涡模拟( l e s ) 模型等， 大量结果证明雷诺应力模型( r s m ) 与实验结果是最接近的，误差最小。 本文选取的计算方法是：先用r n g k 一占模型进行定常计算，收敛后改用稳态r s m 模型进行定常计算，由于流体本身的不稳定性，收敛后，改为非定常r s m 进行计算。 用q u i c k 差分格式和s i m p l e c 算法求解，压力插补格式选择p r e s t o 格式。 计算是否达到收敛通常用以下三个方法综合进行判定：监测残差值达到收敛标准， 计算结果不随着迭代的继续发生变化，物质和能量达到守恒。 5 边界条件设定。 认为来流流体的湍流已经充分发展，故入口设定为速度入口，直接给出入口截面法 向的时均速度值，根据迸气量为q = 1 0 0 0 m 3 h ，入口直径为d = 1 5 6 m m ，经计算得到入 口的平均速度为v = 1 4 5 m s ；水力直径为四倍的湿横截面面积与湿圆周长度之比，故水 力直径为巩- - 1 5 6 m m ；入口气流认为是常温下的空气，所以密度为p 2 1 2 2 5 k g m 3 ，黏 度为21 7 8 9 4 x1 0 - 5k 聊s ，入口湍流强度，= 3 6 ，下边是计算公式 一! i = 0 1 6 ( r o o h ) 8 ，足。b = p v d h ( 3 2 ) 出口设定为o u t f l o w ，认为出口处的流动已经充分发展，所有变量在出口截面法向 上梯度为零，不需要任何设定。 6 时间步长的选取。 时间步长不易取得过大，一般是取的越小计算结果越准确。用最小的网格的最小边 的尺寸除以最大的速度( 一般选取入口速度) ，得到的是在所建立的模型中有可能发生 的时间步长最大的情况，所以只要设定的时间步长小于或者等于这个值就能满足计算的 要求了。 a x a t u ( 3 3 ) 式中：血为最小的网格的最小边长， u 为最大的速度。 3 5 数值模拟的准确性验证 在旋风分离器中，切向速度通常数值最大，分布类似于兰金涡，内部是准强制涡， 1 7 第三章多管式旋风分离器气相流场数值模拟基本设置 使颗粒被甩向外部，外部是准自由涡，使颗粒在壁面附近被捕集吲；气流分内旋流和外 旋流，在器壁附近为外旋流，轴向速度向下，将颗粒向排尘口传送，中心为内旋流，轴 向速度向上，将干净的气流从排气管排出。气体、固体的分离主要是因为所受的离心力 不同而实现，排出主要是靠向下的轴向速度，因此，轴向速度和切向速度是影响旋风分 离器分离效率的主要因素。径向速度相对轴向速度和切向速度要小的很多，通过实验也 很难测量，因此，只对轴向速度和切向速度进行准确性验证。 由于实验和数值模拟所选用的旋风单管在结构尺寸虽然一样，但是操作气量存在一 些差别，因此要对数据先进行无量纲化处理后再对比。以旋风分离器的表观截面气速u 为特征值，对轴向速度和切向速度进行无量纲转换： u = 2 4 d 3 6 0 0 加2 如，：丛 式中：“，为切向速度，m s ；u ：为轴向速度，m s ； ( 3 4 ) ( 3 - 5 ) 取排气管下8 m m ( z - - - 1 1 2 1 m m ) 和1 2 2 m m ( z ；1 2 3 5 m m ) 两处进行对比，如图3 8 、 3 - 9 所示，可以看出实验数据和数值模拟的数据吻合的较好，说明数值模拟的结果满足 准确性的要求，可以用这种算法进行多管式旋风分离器的流场预测。 多、咖 1 1 0 2 0 聆3 。峙5 + 实验y 一数值模拟、 01 02 0 3 0 4 0 5 0 图3 8 排气管下8 m m 处轴向速度和切向速度分布图 1 8 4 3 2 o 1 屯q 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 f i g u r e3 - 88 m mu n d e re x h a u s tp i p ea x i a lv e l o c i t ya n dt a n g e n t i a lv e l o c i t yd i s t r i b u t i o nd i a g r a m 3 2 5 2 1 5 1 o 5 0 0 5 一l 一1 5 己 1 1 0 2 弋5 01 02 03 04 05 0 图3 - 9 排气管下1 2 2 r a m 处轴向速度和切向速度分布图 f i g u r e3 - 91 2 2 m m u n d e re x h a u s t p i p ea x i a lv e l o c i t ya n dt a n g e n t i a lv e l o c i t yd i s t r i b u t i o nd i a g r a m 第四章多管式旋风分离器内气相流场的基本特征 第四章多管式旋风分离器内气相流场的基本特征 关于旋风单管内流场的分布的研究已经很多，但是对多管式旋风分离器装置整体的 流场分布的研究还很少，本章通过数值模拟的方法，对多管式旋风分离器进气室、集气 室、公共灰斗内的气相流场分布进行了分析。 4 1 进气室流场分析 多管式旋风分离器的分离效率与旋风单管的分离效率相比，通常要低，造成这种现 象的最主要的原因就是旋风单管进气量分布不均匀，导致单管间窜流返混。进气室的主 要作用就是实现气流的分布，从而达到旋风单管均匀进气的目的。 4 1 1 进气室内气流沿进气方向的流动分布 从图4 - 1 进气室t - o 截面压力云图可以看出，进气室y - - o 截面压力波动在2 5 0 p a 左右，最大值为1 2 7