（机械制造及其自动化专业论文）基于m模型的低密度物料旋风分离器分离性能研究.pdf

原创性声明 i i i iii i i ii i ii i ii l li il y 1915 7 8 5 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 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名： 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名靴旮日期：竺生年月4 日 摘要 摘要 旋风分离器作为一种重要的气固分离设备，因其具有结构简单、 维护方便、造价低、耐高温高压等优点，在石油、化工、冶金、环保 等许多领域有着广泛的应用。使得旋风分离器的研究越来越受到重 视。 本文的主要工作是利用m u s c h e l k n a u t z 模型( m 模型) ，计算用 于低密度物料生产的旋风分离器，得到该旋风分离器的结构尺寸、切 割粒径和总压降。同时利用流体力学软件f l u e n t 对所设计的分离设 备进行了数值模拟。研究了纯气相流场、气固两相流场两种情况f 的 速度变化和浓度变化对分离效率的影响。研究结果表明：旋风分离器 内的气相主流是双层旋流，外部足向下旋转的外旋流，中心足向上旋 转的内旋流，它们的旋转方向相同的；旋风分离器中旋涡具有不稳定 性，它会引起旋风尾部附着在旋风分离器f 部壁面并旋转摆动，使得 返混现象变严重，同时还会引起结垢现象；旋风分离器的静压力、各 方向速度和固体颗粒分离率部随处理气量的增大而增大，流体呈漩涡 状沿器壁旋转向下，外旋流的压强较高，内旋流的压强较低，分离器 中心处的静压最低，固体颗粒集中分布在中间段的器壁上；随着气体 中颗粒浓度的增大，分离总效率及分级效率部逐渐增大，当浓度达到 某一定值时，各种粒径颗粒的分离效率都会趋于稳定；m 模型预测 结果与数值模拟结果非常接近，说明采用m 模型对低密度物料旋风分 离器进行预测具有较好的准确性。 本文为m 模型在低密度物料旋风分离器中的应用研究提出了新思 路。同时，通过对旋风分离器的数值模拟，可以优化旋风分离器的结 构，大大缩短研发周期，具有重要的工程应用价值。 关键词旋风分离器，m 模型，低密度物料，数值模拟 中南大学硕t 学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t a si m p o r t a n tg a s s o l i ds e p a r a t i o ne q u i p m e n t ，d u et ot h ea d v a n t a g e s s u c ha ss i m p l es t r u c t u r e ，e a s ym a i n t e n a n c e ，l o wc o s t ，h i g ht e m p e r a t u r e r e s i s t a n ta n dh i g hp r e s s u r er e s i s t a n t ，c y c l o n es e p a r a t o ri sa p p l i e di nw i d e r a n g e a r e a so f p e t r o l e u m ，c h e m i c a l ， m e t a l l u r g i c a l ，e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o na n dm a n yo t h e rf i e l d s ，a n dt h er e s e a r c ho fw h i c hi sa t t r a c t i n g i n c r e a s i n ga t t e n t i o n t h em a i nw o r k sa r et h a tc y c l o n es e p a r a t o rf o rt h el o wd e n s i t yo f m a t e r i a lp r o d u c t i o ni sc a l c u l a t e dw i t hm u s c h e l k n a u t zm o d e l ( m m o d e l ) ， a n di t ss t r u c t u r es i z e ，c u ts i z ea n dt o t a lp r e s s u r ed r o pa r eo b t a i n e d a tt h e s a m et i m en u m e r i c a l l ys i m u l a t i o ni sc a r r i e do nf o r s e p a r a t o rt h r o u g h c o m p u t e r sf l u i ds o f t w a r ef l i 厄n t t h es i m u l a t i o nr e s e a r c hi sd e a lw i t h t h a ti n f l u e n c eo f c h a n g ei np r e s s u r e ，v e l o c i t ya n dd e n s i t yc h a n g ef o re d d y c u r r e n tc h a r a c t e r i s t i c sa n ds e p a r a t i o ne f f i c i e n c yb yp u r eg a sp h a s ef l o w f i e l da n dg a s - s o l i d t w o p h a s ef l o wf i e l d t h u si ti ss h o w nt h a tt h em o t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fg a sp h a s ef l o wf i e l do ft h ec y c l o n es e p a r a t o ri n n e ri s d o u b l eh y d r o c y c l o n em a i n l y , w h e r eo u t e rp a r tr o t a t ed o w n w a r d ，c e n t e r l a y e ru p w a r da n dr o t a t i o nd i r e c t i o ni ss a m e ；c y c l o n es e p a r a t o r ss w i r l w i t hi n s t a b i l i t yr e s u l ti nv o r t e xc o r et a i lo re n d sa t t a c h e da ts e p a r a t o r b o t t o mw a l la n ds w i n g s ，c a u s e sr e f l u xo f m i x i n gp h e n o m e n o n ，a n dc a u s e s s c a l e f o r m a t i o n ；c y c l o n es e p a r a t o r ss t a t i cp r e s s u r e ，s p e e do fe a c h d i r e c t i o na n ds e p a r a t i o n e f f i c i e n c y o fs o l i d p a r t i c l e i n c r e a s e sw i t h i n c r e a s eo fh a n d l e dg a s f l o ww i t hi ss w i r l i n ga l o n gt h ew a l ld o w n w a r d ， p r e s s u r eo ft h eo u t e rp a r ti sh i g h ，t h ep r e s s u r eo fc e n t e ri sl o w , t h es o l i d p a r t i c l e sa r ec o n c e n t r a t e dd i s t r i b u t i o ni nt h em i d d l ew a l ls e c t i o nm a i n l y ： w 胁i n c r e a s eo fp a r t i c l ec o n c e n t r a t i o ni n g a s ，s e p a r a t i n ge f f i c i e n c y i n c r e a s eg r a d u a l l y m i l et h ec o n d e n t r a t i o ni n c r e a s e st oac e r t a i na m o u n t t h a ti sat h r e s h o l d ，s e p a r a t i o ne f f i c i e n c yo fp a r t i c l ew o u l d n ti n c r e a s e a g a i n ，a n dc o m et os t a b i l i t y ；p r e d i c t e dr e s u l to fm m o d e li sa p p r o a c h i n g t on u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t ，w h i c hd e m o n s t r a t e st h ef o r e c a s tf o rl o w d e n s i t yo fm a t e r i a lc y c l o n es e p a r a t o rw i t hm m o d e lh a sg o o da c c u r a c y t h i sa r t i c l ep r o v i d e sn e wi d e a sf o ra p p l i c a t i o na n dr e s e a r c ho fl o w d e n s i t y m a t e r i a lc y c l o n es e p a r a t o rw i t hm m o d e l a tt h e s a l t l et i m e i i 中南人学帧i 学位论文 a b s t r a c t n u m e r i c a ls i m u l a t i o n s t u d y i sc a r r i e do nf o rc y cl o n es e p a r a t o r , t h u s c h a r a c t e r i s t i co fs e p a r a t o ri n t e m a lf l o wf i e l di sk n o w n ，a n dt h e r ei s i m p o r t a n te n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nv a l u e f o rs t r u c t u r eo p t i m i z i n go ft h e s e p a r a t o r , s h o r t e nr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tc y c l e k e yw o r d s c y c l o n es e p a r a t o r , m - m o d e l ，l o wd e n s i t ym a t e r i a l s ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i i 日录 i i i 3 1 1 ：! 4 4 l - 4 2 旋风分离器分离理论的研究现状5 1 4 3 旋风分离器数值模拟的研究现状6 1 5 本文的研究目的和主要r ：作。8 1 5 1 研究目的8 1 5 2 主要l 作8 第二章m 模型对低密度物料分离器分离性能的预测9 2 1 引言9 2 2m 模型分离原理9 2 3m 模型对低密度物料分离器分离性能的预测9 2 3 1 切割粒径的计算1 0 2 3 2 压力损失的计算1 3 2 4 几何模型1 4 第二章旋风分离器流场数值模拟方法研究1 5 3 1 湍流理论15 3 2 纯气相流场数值模拟方法研究16 3 2 1 控制方程1 6 3 2 2 差分格式及算法1 9 3 3 颗粒相的数值模拟方法研究19 3 3 1 单颗粒轨道的运动方程1 9 3 3 2 颗粒的随机轨道模型2 0 3 4 网格划分2 1 3 5 边界条件21 3 6 本章小结2 2 第四章旋风分离器流场数值模拟2 4 4 1 纯气相流场的数值模拟2 4 中南犬学硕l ：学位论文 目录 4 1 1f l u e n t 求解步骤2 4 4 1 2 设置材料和边界条件2 5 4 i 3 纯气相流场的模拟结果及分析2 5 4 2 气【司两相流场的数值模拟2 9 4 2 1 颗粒相边界条件3 0 4 2 2 气同两相流场的模拟结果及分析3 0 4 3 本章小结4 0 第五章旋风分离器在聚碳酸酯生产中的应用研究4 l 5 1 引言4 1 5 2 聚碳酸酯生产过程中堵塞问题分析4 l 5 3 旋风分离器的结构设计及数值模拟结果4 2 5 3 1 旋风分离器的结构设计4 2 5 3 2 数值模拟结果4 2 5 4 试验测试4 4 5 4 1 试验目的及方案4 4 5 4 2 试验装置4 4 5 4 3 试验条件4 5 5 4 4 供风系统和风量测量4 5 5 4 5 总分离效率和压力损失的测定4 5 5 4 6 试验结果4 6 5 5 本章小结4 7 第六章结论与展望4 9 6 1 结论4 9 6 2 研究展望4 9 参考文献5 l 致谢5 5 攻读硕二l ：学位期间的研究成果5 6 v 中南尺学坝 学位论文 t 要符i l ，l 友 主要符号表 符号 名称单位 a旋风分离器入口高度 i t l l t l b旋风分离器入口宽度 r a i n c i旋风分离器入口浓度g m 3 c 仃临界入口浓度g m 3 d圆筒内径 f t l l n r圆筒半径 i i l i i l h旋风分离器总高m m h c锥体段高度 r a i n d d 排f 垒口直径 i d _ i n 凡排尘口半径toni d x排气口直径m m r x排气口半径 m m s排气管插入深度m m d p被捕集颗粒的粒径 m m d l o o临界粒径 m m d c切割粒径 m m d 5 0分离效率为5 0 的切割粒径 m m q 旋风分离器入口流量 m 3 s 旋风分离器壁面的切向速度 m s 入口气体速度 m s q 旋风分离器的入口收缩系数 圆柱面上的切向速度 m s 叱 升气管进口气体的表现轴向速度 m s p 旋风管进出口总压降 p a 必曲气固两相与器壁摩擦的压力损失 p a v i 中南人学硕卜学位论文 符号名称 k p p p p 旋风分离器的内部气流旋转时产t - ：的 量损失 重力加速度 阻力系数 总分离效率 由离心力作用引起的分离效率 旋风分离器内部总面积 希腊字母符号表 湍流脉动动能 流体动力粘度 空气密度 颗粒密度 下标 流体入口 法向 径向 切向 轴向 颗粒相 气相 上标 平均值 湍流脉动 无量纲值 m m a s 2 p a s k g m 3 k g m 3 v 1 1 只 r 肿 g f n m 觚 1 n r t z p g 中南大学硕i 学位论艾第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 旋风分离器是最重要的用于气固分离和气液分离的离心式气体净化设备。牛 顿力学、纳维斯托克斯方程很早就确定了旋风分离器的物理模型，为分析流体 运动中颗粒的运动提供了方法。 自从0 m o r s e 在1 8 8 6 年获得旋风分离器的第一个专利，并获得工业应用以 来，旋风分离器以其独特的特点获得了广泛的关注。大量的研究人员投入精力对 于旋风分离器进行研究，使人们对分离过程有了深刻的理解。但是，对于旋风分 离器的结构设计和应用开发大多采用类比方法根据现有结构进行仿制，分离性能 未必适合所分离物料的需要。建立合适的设计方法和设计程序对旋风分离器设计 人员来讲具有重要的意义。 现有的旋风分离器模型中，e d g a rm u s c h e l k n a u t z 所提出的m 模型对于旋风 分离器的设计和选型具有重要意义。但是尚未检索到m 模型应用于低密度物料 的情况，本文对m 模型在低密度物料分离性能方面进行研究。 1 2 课题研究的意义 目前，从各国专家学者对旋风分离器的研究中可以看出，如果颗粒的粒径比 较大且浓度较高，则旋风分离器的分离效果明显，如果颗粒的粒径比较小且浓度 较低，则旋风分离器的分离效果比较差。所以，对旋风分离器的内部流场进行深 入分析，摸清其分离机理，对于研究低密度物料旋风分离器的分离性能，优化其 结构有着非常重要的意义。 通过对旋风分离技术理论上的数值模拟的建模和计算，对各种边界条件的计 算，可以更形象的了解旋风分离器的工作原理，更具体地了解各个条件下旋风分 离器的工作状况。因为旋风分离器在各种工业行业中都有着广泛而鼋要的作用， 。所以研究这项技术也是国民经济发展的需要。在对旋风分离器的传统研究设计 中，主要采用两种方法：一是用实验来测定旋风分离器的内部流场，这种方法对 实验条件要求很高而且耗费大量的人力物力，研究结果也不具有通用性；另一种 方法就是进行类比设计或经验设计，这很难设计出满足各种生产要求的旋风分离 器。而计算机技术的进步为人们研究旋风分离器内部流场提供了有力的工具。通 过模拟仿真，可以在虚拟样机条件下比较清楚地显示出旋风分离器的内部流场分 布规律，对旋风分离器的结构设计具有直接的指导作用。 中南人学硕l 学位论史第一章绪论 1 3 旋风分离器的基本结构和工作原理 旋风分离器是一种町以洗涤固相颗粒、澄清液体、对液体除气与除砂、对固 相颗粒分级或将两种非瓦溶液体分离的分级设备。旋风分离器没有运动部件，不 需要维护。可把流速约为1 5 r r d s 的气体所含有的微米级颗粒分离出来，而且j = 式降 不高。它的性能特点是：流速越大( 达到某一数值前) ，效率越高；分离的粉尘 浓度越大，压降越小。而其他的工程设备则做不到这一点，因此，旋风分离器在 生产过程中的应用非常广泛。在催化裂化工艺过程中，正是旋风分离器使得催化 剂在运行过程中反复使用；在发电厂和无数加工制造厂里，它们位于环境保护的 前沿；同时他们也是火车、直升机涡轮进气口的关键部件；甚至在日常生活中， 因为有了它，使我们可以不必经常清洗真空吸尘器的布袋。 通用的旋风分离器一般由以下五部分组成：进气管、排气管、圆筒体、圆锥 体和排尘管。它们各部分的结构变化很多，便于组成各种各样类型的旋风分离器 来能满足各种不同的需要。结构如图1 1 所示1 1 i h 上魁 _ i s h c ) 卜扎 、l一矿 d ：分离器简体直径d x ：排气管直径珏分离器的总高度 h c 圆柱段筒体高度s - 排气管插入深度挑进气管横截面的高度 b ：迸气管横截面的宽度d c h 排尘管直径。 图1 1 通用旋风分离器结构图 2 中南大学硕卜学位论丈 第一章绪论 旋风分离器作为一种f 法气固分离设备，它是利用离心力将固体颗粒从含尘 气流中分离出来。具体地说，它是利用分离器内喷出的含有颗粒的止e 体经旋流体 后，气流沿筒壁旋转并旱螺旋形上升，颗粒则在离心力作用下发生趋壁运动。与 此同时，从分离器外沿切线方向引入一股称之为二次气的洁净气体，沿旋风分离 器壁高速向下回转。二次气与筒内气流旋转方向相同，前进方向相反，两股气流 在旋风分离器中部接触，高速【日j 转的二次气流强化了筒内气流的旋转速度。在这 样的旋转中，颗粒受离心力的作用而有力地摔向器壁，与器壁碰撞后能向下运动 而进入集料斗，净化后的气体便可由排气口排出1 2 j 。 典型的旋风分离器原理图如图1 2 所示。带有颗粒的气流经入口沿切向进 入分离器内部，并在分离器内旋转向下流动，由于离心力的作用，固体颗粒被甩 向圆筒壁，并沿圆锥部分向下进入到集料斗内，同时气流旋转向上，经过出口管 离开分离器p j 。 图l - 2 旋风分离器分离原理图 与其他的分离设备相比较，旋风分离器的优点【4 j 非常突出： ( 1 ) 结构简单。与一般的容器类似，是用管线连接再用阀门来控制，内部 不存在需要定期维护的运动件和易损件。 ( 2 ) 体积小，安装简便，运费低。与其他分离设备相比，旋风分离器的体 积大概只有其他设备的1 1 0 ，其质量也只不过其他设备的二十几分之一。这对于 设备安装受空间条件限制的场合则意义重大。僻如在海洋平台上或土地十分紧张 的地区这种优势则非常明显。同时，由于其轻便又不需要特殊的安装条件，只需 将它用简单的方式固定再用管线连接即可正常运行。另外，旋风分离器的运费也 是很低的，只占投资成本的百分之二左右，耗电量也比别的设备节省大概百分之 3 中南人学硕卜学位论文 第一嚣绪论 五。如果管路中的压力达n o 3 o 4m p a 以上，那么旋风分离器根本不就需要其 他的动力设备即可工作。 ( 3 ) 使用方便、灵活。可以单台使用，但大部分时候是多台使用。多台使 用时，通常采用并联或串联的方式，前者是为了加大处理量，后者是为了增加处 理的深度。还可以在结构上适当变化来达到不同的处理需求。此外，旋风分离器 与其他分离装置联合使用也是非常方便的，可以达到各种不同深度处理的要求。 ( 4 ) 操作工艺简单，管理方便。只需要将运行参数确定就可以长期稳定运 行，达到很好的社会效益和经济效益。油田中油和污水的处理就是利用旋风分离 器进行分离的，只需要进行合理的安排工艺，那么处理过的水就可以直接使用， 不必再集中处理，而且这一切都是在完全封闭的状态下完成的，净化后的水和被 分离的油都可通过管道回收利用，也不存在产生二次污染。 任何设备都有优、缺点，旋风分离器也不例外： ( 1 ) 该设备对于处理浓度低且直径小于分割粒径的颗粒，其分离效率不高； ( 2 ) 如果颗粒具有耐磨性或有黏性，很容易使器壁结垢或被磨损，故这种 颗粒不适合用旋风分离器分离； ( 3 ) 旋风分离器具有很高的压降损失： ( 4 ) 影响分离性能的因素很多，故设计和操作时都必须格外注意。 1 4 旋风分离器的研究现状 1 4 1 旋风分离器技术发展的研究现状 自从o m o r s e 在1 8 8 6 年获得旋风分离器的第一个专利，并获得工业应用以 来，旋风分离技术出现了飞速发展，并且在各个领域得到了广泛的应用【5 6 】。首 先于1 9 1 4 年在磷肥的工业生产中开始正式使用。接着于2 0 世纪3 0 年代后期， 应用于纸浆和水的分离，当时，旋风分离器是以商品的形式出现的。于2 0 世纪 4 0 年代前期，荷兰在大吨位的选煤和矿石处理等方面开始使用该设备。1 9 5 3 年， 旋风分离器被v a nr o s s u m 用在了油水分离中。自此，关于旋风分离器的文献开 始大量拥现，旋风分离器出现了广阔的市场空间。 从这以后，人们开始在实验设备上及其他的工业领域中广泛应用旋风分离 器。僻如：在矿冶行业中将颗粒进行分级，矿物质进行回收；在机械行业中将润 滑油回收利用、提取贵重金属；在化工行业中将液体和液体、固体和液体进行分 离、结晶；在生化行业中对酶、微生物回收利用以及石化行业中的将油和水进行 分离、油和泥进行分离等等。 8 0 年代后，在英国，b h r a 流体工程中心发起了一个关于研究旋风分离器 的国际学术研讨会【2 】，大大推进了对旋风分离器的发展技术的研究，致使大量的 4 中南人学帧i 学位论文第章绪论 科研工作者致力于高技术含量的旋风分离器的研究和推广应用。在我国，是从 2 0 世纪9 0 年代丌始，掀起了对旋风分离器，尤其是多相分离器的研究和开发热 潮【7 - l 引。 1 4 2 旋风分离器分离理论的研究现状 在旋风分离器内部流场中，颗粒受到的力主要有流体重力和曳力，当然也 受到了颗粒对器壁的碰撞、颗粒与颗粒之间碰撞的影响，这时的颗粒在运动过程 中具有很大随机性，运动轨迹变得非常复杂。迄今为止，还没有能准确可靠的反 映各种影响因素的分离理论，于是各国学者不得不做出各种简化假设，从而形成 各种不同的分离机理模型【5 _ 5 1 。其中较有影响的分离理论有：沉降分离理论、平 衡轨道理论以及边界层分离理论。 ( 1 ) 沉降分离理论；该理论是在重力沉降理论的基础上发展而来的。在分 离器中，存在着颗粒径向向外的径向离心沉降运动和切向随气流的旋转。从颗粒 进入分离器开始，如果某颗粒能在分离器的离心力场中停留足够时间，或者说某 颗粒能旋转足够的圈数，该颗粒就能在径向从分离器的内筒半径运动到外筒边壁 而被分离，这就是沉降分离理论的依据。 但是，沉降分离理论所做的一些假设过于粗糙，与实际情况往往有一定的差 异，主要表现在以下几个方面： 1 ) 、该理论对分离器内部流场的认识还不够全面，它忽略了向心流对于颗粒 的阻碍作用，而只考虑到离心力对颗粒的影响； 2 ) 、认为颗粒分离仅发生在圆柱段，事实上，在锥顶处，气体的旋转运动依 然存在，圆锥段的长度对颗粒的分离同样也很重要； 3 ) 、r o s i n 假设在半自由旋流区为等速流，但是事实上这是不可能的，何况 分离器内气体的转圈数难以测定。 ( 2 ) 平衡轨道模型：最早是由b a r t h t l 7 】在1 9 5 6 年提出的。他们假想升气管 向下延伸一直到旋风分离器的底部将形成一个圆柱面，所有的气体速度分量在该 圆柱面上都是常量，平衡轨道理论就是对处于圆柱面上的旋转颗粒建立力的平衡 得到的，即在此圆柱面上的旋转颗粒同时受到了向内流动的气流阻力和向外流动 的离心力的作用，这两种力在此处形成平衡。对于粒径较大的颗粒，因所受的离 心力大于气流阻力，故在离心力的作用下向器壁方向运动最终被捕集了下来；对 于粒径较小的颗粒，因所受的气流阻力大于离心力，则在气流阻力的作用下向中 心区域移动，通过升气管向外逃逸，分割粒径就是刚好使两种力相等的颗粒粒径。 m 模型【1 8 l 就是在此基础上建立的。 ( 3 ) 边界层分离理论：又叫横混假说。d l e i t h 与w l i c h t 于1 9 7 2 年用类比 5 中南入学坝卜学位论文 第一章绪论 静电除尘器的分离机理提出了边界层分离理论。它们是这样认为的：在分离器的 任意一处横断面七，只有在靠近壁面的边界层内，气流是层流流动的，颗粒如果 能在离心力的作用下进入该边界层内，就会被分离器捕集下来，这就是边界层分 离理论。 基于上述的分离理论，国内外众多的科研工作者提出了各自的分离效率模 型。僻如：在平衡分离理论的基础上，s t a i l i l 】m a n d 【1 1 和b m t h 1 7 1 推导了用于计算 旋风分离器临界颗粒直径的方程；m u s h c e l k n u a t z 和t e r f z t l 9 - 2 2 1 得出了常规锥型分 离器的分离效率模型，并将该模型应用在了入口颗粒浓度较高的场合。同时，还 提出了极限浓度的概念，是目前较为完善的一种分离模型；i o z i a 和l e i t h t 2 3 ，2 4 1 则通过大量的试验，对b a r t h 模型中的变量进行了修正；d i e t z 2 5 1 是在荷兰学者 t e rl i n d n e n 【2 6 l 的试验结果基础上，对分离器内的气固两相分离区域进行了划分， 并根据l e i t h 和l i c h t l 2 7 1 的边界层分离理论，推导了气固两相分离模型，并采用 煤灰作为固体颗粒，在简体直径为2 0 0 m m 的分离器上进行了分离试验，发现实 测结果与模型预测结果吻合较好。 在学者们研究的基础上，本文就是利用其中的m 模型对低密度物料进行了 预测，同时对不同运行条件下旋风分离器的内部流场进行了数值模拟， 1 4 3 旋风分离器数值模拟的研究现状 ( 1 ) 气相数值模拟研究现状： 对旋风分离器内部流场进行湍流模拟是纯气相数值模拟的一个最重要的方 面。因为旋风分离器内的流场既具有旋转运动，同时还伴随流线弯曲运动，在圆 柱段还有明显的局部回流现象，就是由于具有这种非均匀性和各向异性的特点， 使得其流动状态变得非常复杂，对这样的流场进行数值模拟很一件很困难的事。 同时，湍流模型的选择是否合适，在很大程度上决定了数值计算结果的好坏，因 此，湍流模型是气相流场研究的主要对象。 湍流的模拟方法很多，最初采用的模拟方法主要是直接模拟，就是直接在 湍流尺度的网格内通过求解三维n s 方程来得到，而没有采用湍流模型进行模 拟。这种简单方法在某些简单运动中也许还行，对于复杂的运动不合适，所以在 工程实际应用中，大多数研究者们还是倾向于采用各种湍流模型。 直到本世纪7 0 年代，随着计算流体力学和数值传热学技术的发展及 b o y s a n 2 8 i 在1 9 8 2 年首次把c f d 技术应用于模拟旋风分离器的气相流场，旋风分离 器数值模拟研究进入了一个新的阶段。 ( 2 ) 气固两相数值模拟研究现状 研究旋风分离器内颗粒的运动状况，预测其分离性能，各国学者们纷纷采 用数值计算方法来模拟颗粒相、解决封闭问题，这就必然要用到多相流模型。他 6 中南大学硕 + 学位论文 第一搴绪论 们有的直接采用模拟近似的方法，有的对模型进行了各种简化，以致形成了多种 不同的颗粒相模型【2 9 。3 2 1 。随着数值模拟技术的发展，以下几个阶段为颗粒相模型 的发展历程： 1 ) 单颗粒动力学模型 该模型足最早期也是最简单的一种模型。它在对流体流动的研究中忽略了 颗粒的存在，只对己知流场中互不相关且无脉动的单颗粒运动进行考察。这对于 具有湍流特性的气固两相流动的研究来说，这种单颗粒动力学所得到的结果只能 作为实际气固两相流动研究的基础，在工程实际中应用有限。 2 ) 小滑移拟流体模型 小滑移模型是m a r b l e 和s l s o o 在1 9 5 0 至1 9 6 0 期间提出来的。作为相对较完 善的两相流模型的开端，在该模型中把流体与颗粒之间的滑移认为是颗粒湍流扩 散产生的。这其实是将多组分的单相流体用到了多相流体中。较于完整的多相流 体模型足不相同的。对于求解颗粒湍流模型封闭问题，该模型所作的假设只是一 种最简单的方法。 3 ) 单流体模型或无滑移模型 英国帝国理工学院的s p a l d i n g 教授在七十年代初提出了单流体模型( 无滑移 模型) 。它是另一种简化了的模型，该模型假定在整个空间内，颗粒和流体的速 度、温度都是相等的，颗粒与气体的扩散作用也是完全相同的，也就是说相与相 之间存在着各种平衡，即动量平衡、扩散平衡、能量平衡。并在此基础上获得了 时均气相与颗粒相的方程组。在两相流的预测中很方便地用到了单相流动的计算 程序，不过与实验结果进行对比，存在很大的误差，故在解决实际工程问题中很 少使用此模型。 4 ) 颗粒轨道模型 目前，在湍流气固两相流动模拟中，颗粒轨道模型的应用最广泛。它把颗 粒相看作是一种离散体系，在拉格朗日坐标系内对其进行处理，可见它考虑到了 气相与颗粒相之间存在着相互作用，相与相之间具有速度滑移和温度滑移，认为 这种滑移是变化的，且与颗粒间的扩散作用没有关系。该模型含随机轨道模型和 确定轨道模型两种。前者的优点是没有考虑颗粒相的数值扩散，对于有复杂变化 经历的颗粒相容易模拟，减少了计算机的存储量，节约了计算的时间。 5 ) 多流体模型 它是在欧拉世标系下研究颗粒的运动状况，把颗粒群看成拟流体或拟连续 介质。它考虑了相与相之间的大滑移，考虑了颗粒的扩散，也考虑了颗粒与气相 的相互作用、颗粒本身的湍流扩散以及颗粒碰撞的影响。不过，它虽然在研究颗 粒相的湍流输运现象方面考虑较全面，所获得的信息也较详细，但该模型能否广 7 中南人学硕卜学位论文第章绪论 泛应用于两相流模型还有待进一步研究，对于颗粒变化复杂时，该模型也还需要 进一步完善。 以上五种模型都是对真实过程进行近似模拟，只是考虑的角度不同而已。至 于采用哪种模型合适，则取决于很多的因素：如颗粒的体积分数、弛豫时间、流 动时间和颗粒与颗粒的碰撞时间。 1 5本文的研究目的和主要工作 1 5 1 研究目的 本文的研究目的是采用m u s c h e l k n a u t z 模型( m 模型) 计算聚碳酸酯在旋风 分离器中的分离行为，然后利用c f d 软件f l u e n t 对该旋风分离器进行数值模拟 验证，从而证明采用m 模型进行低密度物料旋风分离器的设计具有较好的准确 性为旋风分离器的优化设计提供重要的理论依据。 1 5 2 主要工作 研究的主要工作是利用m 模型，设计计算用于聚碳酸酯生产中的旋风分离 器，得到该旋风分离器的结构尺寸、分割粒径和总压降，然后采用流体力学计算 软件f l u e n t 对于该旋风分离器的内部流场进行了研究，包括不同进口速度及不同 颗粒浓度的旋风分离器的分离效率和能量损失，将m 模型计算结果与f l u e n t 计 算结果比较。 为此制定如下技术路线： ( 1 ) 利用m 模型，预测低密度物料旋风分离器的分割粒径和总压降等主 要特性参数。 ( 2 ) 通过对旋风分离器内流场进行数值模拟方法研究，找出最适合旋风分 离器的湍流模型和颗粒相模型、进行合理的网格划分、设定初始边界条件等。 ( 3 ) 利用流体力学计算软件f l u e n t 对所建立的模型进行模拟。研究流体 在多种情况下的静压力、切向速度、轴向速度、颗粒分离效率等性能参数，着重 研究不同的气流速度和不同含尘量对旋风分离器分离性能的影响 ( 4 ) 将m 模型计算结果与f l u e n t 模拟结果比较。 ( 5 ) 最终设计一套用于聚碳酸酯分离的旋风分离器，测试其分离效率。 8 中南人学硕学位论文第一二学m 模型对低密度物料分离器分离件能的预测 第二章m 模型对低密度物料分离器分离性能的预测 2 1 引言 在过去的3 0 多年垦，斯图加特大学的e d g a rm u s c h e l k n a u t z 教授和他的同事 们一直致力于旋风分离器的分离机理模型的研究，提出了到现在为止最接近旋风 分离器实际情况的模型方法。 m u s c h e l k n a u t z 模型方法( m 模型) 是建立在k a r l s r u h e 大学w b a r t h 教授 ( 1 9 5 6 ) 早期的研究成果基础上。随着对旋风分离器内部基本现象认识的深入和 测试技术的发展，m u s c h e l k n a u t z 及其同事也一直在完善其模型。但该模型是在 固体密度较大的工况下提出的，他们认为在离心力状态下气流携带颗粒的能力存 在一个临界入口浓度c 。，当入口浓度超过临界浓度，超过部分产生沉降分离， 其余部分则进行离心分离，两者形成一个串联的分离过程。但其能否用于密度较 小的固体的分离预测的问题还存在争议。 为此，本文采用m 模型对低密度物料旋风分离器的一些主要特性参数进行 了预测，如旋转流的切向速度、颗粒切割粒径氏和总压降廿等，同时结合 数值模拟对比验证，以期得出m 模型在低密度物料旋风分离器的工程计算和设计 中同样适用。 2 2m 模型分离原理 e d g a rm u s c h e l k n a u t z 教授及其同事认为，升气管向下延伸到旋风分离器的 底部将形成一个假想的圆柱面c s 。如图2 1 所示。切割粒径d 5 0 位于此圆柱面上， 旋转颗粒在此圆柱面上同时受到向外的离心力和向内的气流阻力，且两力之间达 到平衡。也就是说，如果颗粒粒径大于切割粒径d 5 0 则颗粒所受的离心力大于 气流阻力，在离心力的作用下颗粒就会向旋风分离器器壁运动而被捕集下来；如 果颗粒粒径小于切割粒径d 5 0 ，则颗粒所受的离心力小于气流阻力，在气流阻力 的作用下颗粒就会向旋风分离器的中心运动，被带入升气管而逃逸。旋风分离器 的切割粒径t 3 3 1 就是处于平衡位置的颗粒粒径。 2 3m 模型对低密度物料分离器分离性能的预测 要采用m 模型预测，建立数学模型，则必须对旋风分离器内流体的流动作一 些适当的简化和假设： ( 1 ) 将颗粒看作为规则球体，密度恒定，在运动过程中不存在诸如破碎、变形 和聚集之类现象。 9 中南人学帧 ：学位论文第1 二章m 模型对低密度物料分离器分离件能的颅测 ( 2 ) 气体相与颗粒相之i 日j 不存在质量交换。 ( 3 ) 假设旋风分离器入u 流速均匀分布，颗粒进口速度与气体相的速度足相等 的。 ( 4 ) 在本文的研究中，旋风分离器内的颗粒相为稀相，可以忽略颗粒间的碰撞。 ( 5 ) 只考虑颗粒在流体中的曳力和重力作用。 ( 6 ) 假设温度恒定，能量传递町在此不考虑。 ( 7 ) 颗粒碰到分离器内壁即认为是被捕集，进入出气口即认为是逃逸。 图2 - 1m 模型原理图 图2 - 2 旋风分离器符号示意图 2 3 1 切割粒径的计算 对于任何低入口浓度条件下的旋风分离器，其分离性能的一个重要的指标 是切割粒径或者d 曲。它主要由旋风分离器内旋涡的旋转流动所决定。该颗粒粒 径的捕集概率是5 0 。这里以下的计算中提到的切割粒径，其实类似于一些普 通筛子的筛眼，只是它的分离精度不会像筛子那么规范。以下是由力的平衡方程 可以得到的切割粒径d 5 0 3 3 1 ： l o 磐 i ； 瓣 t l 謦 d 口 溯 中南人学硕 学位论文第章m 模型对低密度物料分离器分离件能的颅测 d 约= z m ( 2 1 ) 上式就是e d g a rm u s c h e l k n a u t z 教授关于旋风分离器切割粒径的著名表达式 的一个变形( 式中主要符号见图2 2 ) ，在这哩忽略顶部“短路流动”和气体密度( 相 对于颗粒密度) ，设x 胁项等于l ，x 胁是一项简单的修正系数，如果需要的话， 它可以用来修正计算切割粒径与实际测到的切割粒径之间的误差，x 触一般在 0 9 1 4 的范围内。 其中：c s 圆柱面上的切向速度。由下面的计算得到1 3 3 j ： 2 ( 2 2 ) 式甲： a r 为旋风分离器内部总面积： 4 = 钿+ 彳一+ + 4 = d n 枷( 日一剐+ ( r + 髟) 厨石可似，钼 l 2 - 3 ， v 易为旋风分离器壁面的切向速度： 铲訾 ( 2 - 4 ) 其中，= 虽，如小宝。 n 为旋风分离器的入口收缩系数： r 1 1 口2 歹1 1 一 l ( 2 5 ) 为了计算旋风分离器的一些重要特性参数，如旋风分离器的切向速度p 缸和 颗粒切割粒径以。，则必须分别计算气相和气固两相与器械的摩擦系数，一和，。 在旋风分离器圆柱段和圆锥段中，气相的壁面摩擦