（机械设计及理论专业论文）扩散式旋风分离器分离性能研究.pdf

摘要 扩散式旋风分离器内部是极其复杂的气固两相强旋转流动，而目 前针对扩散式旋风分离器的研究较少；本论文采用数值模拟的方法结 合实验验证，对扩散式旋风分离器的分离性能进行研究。具体工作如 下： 通过延长扩散式旋风分离器排气管长度、假定进入分离器入口颗 粒量及速度恒定，建立了扩散式旋风分离器物理模型；在c f d 仿真 软件f l u e n t 中建立了扩散式旋风分离器内气粒二相流场的数学模型， 为扩散式旋风分离器内气粒二相流进行数值模拟提供了条件。 分离器的压力损失和分离效率是分离器性能的两个主要指标，在 所建立物理模型与数学模型的基础上，对分离器内部气相场的速度、 压力以及湍流结构进行数值模拟，得到了速度场、压力场以及湍流分 布结构，在微观领域内揭示了分离器内部各种流场的分布规律，分析 了流场和分离性能之间的关系。 采用d p m 模型，对不同结构参数下的分离器流场进行数值模拟， 考察结构参数对分离性能的影响，得到了分离器的反射屏尺寸、排气 管的直径和插入深度以及扩散段高度对压力损失和分离效率的影响 曲线。 另外，还对不同操作参数下的分离器流场进行数值模拟，得到了 分离器入口风速、入口处颗粒浓度对分离器分离效率和压力损失的影 响关系曲线，以及颗粒入口位置对分离性能的影响。 通过扩散式旋风分离器分离性能实验分析，验证不同入口风速和 不同颗粒浓度对分离器分离性能的影响，结果表明实验数据和数值模 拟结果的最大误差在1 0 以内。 本文的研究成果对扩散式旋风分离器的设计和改造有指导意义。 关键词：旋风分离器，两相流，数值模拟，压力损失，分离效率 a b s t r a c t i h ef l o wi nt h ed i f m s i b l ec y c l o n es e p a r a t o ri s e x t r e m e l yc o m p l e x g a s s o l i ds t r o n g l ys w i r l i n gf l o w ；a n dt h es t u d yo fd i f 如s i b l ec y c l o n ei s r e l a t i v e l y l e s sa t p r e s e n t t h ep a p e ru s e st h em e t h o dt h a tu n i t i n g n u m e r i c a ls i m u l a t i o nw i t he x p e r i m e n t a l v e r i f i c a t i o n ， t or e s e a r c ht h e s e p a r a t i o np e r f o r m a n c eo fd if 如s i b l ec y c l o n es e p a r a t o r t h es p e c i f i cw o r k a r ea sf o l l o w s ： t h ep h y s i c a lm o d e lo fd i 触s i b l e c y c l o n es 印a r a t o ri s b u i l tb y i n c r e a s i n gt h el e n g t h o fe x i to ft h es e p a r a t o r a n da s s u m i n gp a r t i c l e s a m o u n ta n ds p e e de n t e rt h es e p a r a t o rk e e pc o n s t a n t b a s i n go nt h ec f d s i m u l a t i o ns o 胁a r ef l u e n t ，t h eg a s p a r t i c l em a t h e m a t i cm o d e lo ft h e s e p a r a t o r i s g a i n e d ，w h i c hp r o v i d e st h ec o n d i t i o n sf o rt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o n 。 t h eh ep r e s s u r el o s sa n ds e p a r a t i o ne 币c i e n c ya r et h em o s td i r e c t e f f e c t st oe v a l u a t et h ep e r f o n n a n c eo fs e p a r a t o r b a s i n go nt h ep h y s i c a l m o d e la n dm a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h es p e e df i e l da n dp r e s s u r ef i e l da n d t u r b u l e n ts t m c t l l r ea r er e s e a r c h e dw i t han u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h eg a s p h a s ei n t h e c y c l o n e s t u d y i n gt h ed i s t r i b u t i o ni nm i c r of i e l da n d a n a l y z i n g t h e r e l a t i o n s h i p b e t 、e e nt h en o wf i e l da n d s e p a r a t i o n p e r f o m a n c e a d o p td p mm o d e l ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na r et a k e na b o u tm 旬o r s t n j c t l j r a lp a r 锄e t e r sw h i c ha a e c t 也e s e p 2 u r a t o r ss e p a r a t i o np r o p e r t i e s ， o b t a i n i n gt h e r e l a t i o nc u r v e sb e t w e e ns e p 2 l r a t o r s r e f l e c t i n g c o n e s s 仃u c t l j i e ，d i a m e t e ra n di n s e r td e p t ho fv e n t p i p ea n dh e i g h to fd i f m s i o n p a r ta n dp 1 e s s u r el o s sa n ds e p a r a t i o ne f f i c i e n c yc h a r a c t e r i s t i c s i na d d i t i o n ，t h em a i no p e r a t i o np a r a m e t e r sw h i c ha f f e c tt h e s e p a u r a t o r s e p a r a t i o np r o p e r t i e sa r ea l s os t u d i e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i n g ，o b t a i n i n g t h er e l a t i o nc u r v e sb e t w e e nt h e s e p 2 u r a t o ri n l e t ss p e e d ，t h ep a r t i c l e c o n c e n t r a t i o na te n t r a n c e ，a n di n f e c t i o no f p o s i t i o n so fp a n i c l e se n t e r i n g i nt ot h e p r e s s u r el o s sa n ds e p a r a t i o ne f j e i c i e n c yc h a r a c t e r i s t i c s t h r o u g he x p e r i m e n t sa b o u td i f m s i b l ec y c l o n es e p a r a t o r ss e p a r a t i o n p r o p e r t i e sa n da n a l y z i n gt h er e s u l t so fe x p e r i m e n t s ，d if 诧r e n ts p e e da n d p a r t i c l e c o n c e n t r a t i o na b o u tt h es e p a r a t o r s s e p a r a t i o np r o p e i r t i e s a r e p r o v e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h em a x i m u me 啪rb e t w e e nt h e e x p e r i m e n t sd a t aa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o na r el e s st h a nlo t h er e s e a r c hr e s u l t sw i n p r o v i d e sg u i d i n gs i g n if i c a n c e f o r t h e e n g i n e e 订n gd e s i g no ft h ed i 胁s i b l ec y c l o n es e p a l a t o r k e y w o r d s ：d i f m s i b l ec y c i o n es e p a r a t o r ，t w op h a s en o w ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，p r e s s u r el o s s ， s e p a r a t i o ne 筒c i e n c y m 中南人学硕十论文 第一章绪论 1 1 论文背景及研究意义 第一章绪论 悬浮在气体中的固体颗粒物质或液体液滴物质被称作气溶胶粒子【l 】，国内习 惯上统称为粉尘，而旋风分离器就是根据含有粉尘粒子的气体在分离器内部旋转 产生的离心力，以及气体和粒子本身的重力，把颗粒从气流中分离出去的气固分 离设备。旋风分离器出现的一个多世纪以来，已经广泛的应用在化工、机械、环 保、采矿、冶金及节能等各个行业【2 】。 论文源于长沙归一建材科技有限有限公司石膏粉干燥系统生产线，该生产线 将制作石膏板、石膏砖所用的含水率较高的石膏粉原料进行工业化干燥，系统主 要分为四部分，热风炉1 将空气加热至一定温度，由引风机连通加料口进入的原 料经过干燥脉冲管2c i j 蒸干燥后通过一级旋风组合3 和布袋式脉冲除尘后实现气 固分离，为下一步生产工艺提供原料。本文的研究对象为一级旋风组合3 中的扩 散式旋风分离器，旨在进一步改善干燥系统性能，提高生产效率，改善生产效益， 进一步改良生产线的工程应用。对石膏墙板干燥的相关介绍可以参考高旭光【3 l 、 韩玮1 4 l 等相关论文，本文主要针对石膏粉在干燥后实现气固分离的这一工艺环 节。 图卜1 石膏粉干燥试验系统生产线示意图 普通型式的分离器，如图1 2 ( a ) 所示，对颗粒直径在l o um 以上时有较高 中南人学硕士论文 第一章绪论 的分离效率，而对粒径在1 0um 以下的颗粒，特别是在5um 以下的颗粒，捕集效 率很低，从而使普通型式的分离器应用范围受到很大限制1 5 j 。随着我国工业的高 速发展及以及对操作条件的要求更为严格，对旋风分离器性能的要求也随之提 高。一方面要求旋风分离器具有更强的捕获微细粉尘的能力，另一方面又要求旋 风分离器压力损失进一步减小，以降低能耗。 扩散式旋风分离器，如图1 2 ( b ) 所示，相比普通型式的分离器，增加了反 射屏和扩散段，使分离器的分离能力有所提高，并且粒径在5um 一1 0um 的颗 粒有较为良好的捕获能力，但在提高分离器分离效率的同时，也增加了分离器的 压力损失，因此，如何才能实现分离器的高效低阻也就成了研究扩散式旋风分离 器需要解决的首要问题。本文正是基于最大限度解决这对矛盾而提出的。 图卜2 ( a ) 普通型旋风分离器卜2 ( b ) 扩散式旋风分离器 截止到目前，扩散式旋风分离器仍有一些主要缺点还未得到令人满意地解 决，其捕集微细粉尘( 颗粒直径d 5um ) 的效率依然不高。而有些微细粉尘，如粒 径大约为o 3 | lm 加8um 的粉尘颗粒会沉积于人体呼吸系统如肺部、支气管中， 致使人体产生病变【6 1 。在工业领域会产生一些微细颗粒，如高压流态化中煤燃烧 时产生的飞灰，炼油厂催化烟气，旋涡流化床废气、建筑水泥生产等，严重危害 了人们的身体健康。目前广泛应用的各种形式的旋风分离器还难于收集这种超细 颗粒，而且日益严重的环境污染和资源浪费又迫使旋风分离器向高效方向发展。 扩散式旋风分离器的分离过程是一种极其复杂的三维高速旋转的气固湍流 运动，至今仍无法全面掌握旋风分离器内部流场的分布规律【7 】，进而不能从理论 上建立一套完整的数学模型来指导旋风分离器的设计工作，从而使得旋风分离器 在分离过程中因结构设计不当、尺寸匹配不够合理、压力损失大造成分离效率地 下、能耗较高等问题，影响旋风分离器的分离性能。基于此，针对在旋风分离器 2 中南人学硕十论文第一章绪论 系列中的具有更好的分离性能的扩散式旋风分离器做进一步研究，分析扩散式旋 风分离器内部的流场分命和流场中粉尘颗粒的运动，探索抑制流体湍动、减少或 避免二次扬尘、提高微细颗粒粉尘分离能力的方法，并丌发出高效低阻的旋风分 离器是十分有必要的。 本文选定扩散式旋风分离器作为研究对象，并针对当前扩散式旋风分离器设 计方法中存在通用性差以及对扩散式旋风分离器内部三维流场和分离机理认识 不深入等问题，从旋j x l 除尘器的内部流场数值模拟入手，主要针对影响分离器的 分离性能的因素进行深入的研究与探讨。希望本文的研究能为今后的扩散式旋风 除尘器的结构优化及分离特性研究等方面，提供一些有意义的参考。 1 2 国内外两相流模拟进展 本文研究的对象是扩散式分离器内部的气固两相流动，而两相流动属于两相 流的范畴，在过去的五十多年里，科学家提出了多种模型及方法来解决实际的两 相流问题。根据各方法所依据的数学原理和物理原理不同，两相流的数值模拟可 归纳为三大类【3 3 】。第一类是经典的连续介质力学法；第二类是基于统计分子动力 学的分子动力学模拟方法：第三类为介观层次上的模拟方法。而第一种方法是在 宏观层次上研究两相流的迁移规律，两相流动由n a v i e 卜s t o k e s 方程组控制，而 该方程组是建立在连续介质假定基础上的，目前在实际中应用最为广泛，因此本 文予以着重介绍。 连续介质力学模型包括欧拉一欧拉法( e u l e r i 锄e u l e r i 锄) 和欧拉一拉格朗日 ( e u l e r i 锄l a g 瑚g i 锄) 法，二者的区别就在于对分散相不同的数学描述上f 2 1 。前者 是把分散相，诸如颗粒、液滴或气泡，当做连续介质对待，我们称之为拟连续介 质或拟流体，和对连续相( 气流或液体) 一样，对其使用欧拉坐标系考察其运动， 并且认为分散相和连续相在空间上是相互渗透、相互共存的，我们又称之为双流 体或多流体法；而后者采用拉格朗日坐标系描述分散相，即把分散相当做离散的 体系，其运动由独立的动量方程控制，对连续相仍采用欧拉坐标系描述。 自从上世纪5 0 年代出现分散相模拟以来，气固两相模拟发展至今，较有代 表的如表1 1 两相流中离散相的数学模型所示。出现最早的是s p d 模型( 单颗 粒动力学模型) ，属于欧拉一拉格朗日法的范畴，该模型不考虑由于分散相的存 在对连续相流体流动造成的影响，也不考虑分散相在连续流体中的受力和运动， 因而是研究两相流最简单的方法，属于单相耦合模型，是早期进行两相流数值模 拟的主要手段，至今仍有学者对该模型进行研究，比较有代表性的有z h o ulx 【3 4 l 等。 中南人学硕十论文 第一章绪论 表卜1 两相流中离散相的数学模型 2 0 世纪6 0 年代术期以来，s l s o o ( 苏绍礼) 发展了模拟两相流动的s s 模 型( 小滑移连续介质模型) 【9 1 ，该模型认为颗粒相相对于流体相存在着湍流扩散， 属于欧拉一欧拉法的范畴；类似单颗粒动力学模型，该模型不考虑颗粒对流体的 影响，属于单向耦合。由于该模型考虑滑移时是把颗粒的滑移当做是受到湍流扩 散作用的影响，分散相的流场与单相流场相同，因此在相对滑移较大的情况下， 小滑移模型和大多数实际的两相流动问题有较大出入，在解决实际问题时也较少 用到。 到了2 0 世纪7 0 年代，对单相流数值模拟已较为成熟，两相流研究也因此尝 试用单相流数值模拟方法的思路进行数值模拟，出现了n s 模型( 无滑移模型) ， 该模型又叫均相模型或单流体模型，属于欧拉一欧拉法的范畴，认为连续相和分 散相颗粒之间没有速度和温度滑移，即速度和温度都充分均匀地混合，因此分散 相与连续相的控制方程具有与单向流体控制方程类似的形式，可以使用成熟的单 相流数值模拟方法处理，但没有考虑相间滑移及阻力作用，与实际情况差别较大， 实际中的应用不多。 到了上世纪末，c r o w ect 【3 5 l 等提出p t 模型( 颗粒轨道模型) ，与s p d 模型 类似，采用拉格朗日法处理颗粒相运动，但与之不同的是，该模型计算颗粒相与 连续流体相之间的相互作用，并认为相间有速度和温度差别，且这些差别和分散 相的扩散漂移无关。颗粒轨道模型又可以根据输运性的有无细分为具有输运性质 的随机轨道模型和分散相无输运性质的确定轨道模型的两种模型。颗粒轨道模拟 的主要优点在于其计算简单，能大量节省计算时间，并且在分散相有比较复杂的 变化经历时，可以很好的跟踪其运动，还可以减少数值计算过程中的伪扩散。但 是该模型还不能全面考虑分散相的质量、动量及能量扩散过程，很难给出复杂流 场内连续的速度和浓度的三维场分布场。p t 模型已广泛应用在两相流数值模拟 中，尤其是是在湍流气固模型中已经得到了较满意的结果【3 6 l 【3 7 】【3 引。 多流体模型又叫颗粒拟流体模型，该模型将分散相和连续流体均当做是连续 4 中南人学硕十论文第一章绪论 流体，对分散相的处理与对连续介质的处理类似，均采用欧拉坐标系描述，认为 分散相是与连续相相互渗透的“假想”流体，称之为拟流体，因此该模型又叫拟 流体模型。此模型考虑相间速度滑移和温度滑移，并且认为滑移与分散相扩散是 两种完全不同的作用，分散相的扩散是完全独立于流体扩散之外的另一种运动。 多流体模型全面的考虑了分散相的湍流输运，因此在使用该模型处理复杂变化颗 粒时较难处理，并且分散相分组数目过多时，会带来计算上的困难，另外使用欧 拉法处理分散相会带来伪扩散，这些问题要进一步研究和改善。近年来，有许多 研究者利用多流体模型针对不同工况进行了成功模拟【3 9 】【4 0 1 。 近年来，随着计算机技术，尤其是并行计算机技术的发展，多相湍流的研究 逐渐引入了在单相湍流中兴起的直接数值模拟( d i r e c tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，d n s ) 和大涡模拟( l a 喑ee d d ys i m u l a t i o n ，l e s ) 方法【4 1 】1 4 2 】1 4 3 】。但直接数值模拟仅能计算 低雷诺数且几何边界简单的湍流流动，目前无法应用于真正的工程计算，还需进 行大量的探索工作【删【4 5 】【矧。相比于直接模拟，大涡模拟计算对计算机c p u 要求 稍低，并且多在超级计算机或网络机群的并行环境下进行，许多学者对其模拟结 果进行了检验1 4 7 1 1 4 8 1 1 4 9 】。l e s 方法的理论还处于研究和发展阶段，是目前c f d 研 究的热点之一，国内外有较多的文献对其报道【5 0 】【5 i 】【5 2 】。 综上所述，可以发现，无论哪一种模型，都有其缺陷和不足之处，这j 下是由 于多相湍流本身的复杂性，人们到目前为止尚未完全认识对多相湍流的流动规 律，因此对多相湍流的研究还在进一步的积极探索之中。 1 3 国内外旋风分离器气固两相流研究进展 旋风分离器内气流是三维强旋运动，对其研究与流体力学，特别是气固两相 流体力学的发展密切相关。自从旋风分离器应用到工程中以来，国内外学者就从 未停止过其分离机理和分离过程进行研究，但由于扩散式旋风分离的出现稍晚， 研究对对象大多数是传统型式分离器，针对扩散式旋风分离器研究，目前还较少。 在旋风分离器出现的早期，一直处于经验使用阶段，对分离器的分离机理所做研 究较少，而目前由于人们尚未完全认识对气固两相湍流的流动规律，对分离器分 离机理的研究主要是依靠流场测试和数值模拟来进行。具有代表性的研究结果 有： t g g h a u a i l 和j o l i u sg i m b 蚰【1 3 j 对普通型式旋风分离器圆锥形排狄口进行了 详细研究，研究发现较小的排灰口直径可以提高分离器分离效率，但会造成分离 器压力损失增加。r b x i a n g 和k w l e e l l 4 j 则考察了旋风分离器的高度与分离效 率之间的关系，研究结果表明：随着高度的增加，分离器分离效率降低，原因是 分离器下部的切向速度降低，但分离器高度过低，出风口接近锥体部分更容易形 5 中南人学硕十论文第一章绪论 成短路流，反而造成分离器分离效率大幅下降。z h o u 和s o o 5 j 利用激光多普勒 测速仪( l d v ) 对旋风分离器内速和压力流场进行了测量，测量结果表明，上行流 区的轴向速度最大值要远远大于下行流区的轴向速度最大值。靠近轴线的区域压 力很低，并且最大轴向速度的位置离中心有一定的距离，不是恰好在中心位置。 研究结果表明，在强旋情况下分离器轴向速度在近轴区还有可能会出现倒流，造 成轴向速度呈s 形分布。切向速度可分为轴核心区的强制涡及靠近分离器壁的自 由涡两部分。由于角动量守恒，在分离器圆形筒身区域，其切向速度最大值的半 径位置与筒身高度无关。j i nw l e e 、h o ej y a l l g 和d o n gy l e e l l 6 】的研究结果 表明，过长的分离器圆锥体使得涡核不稳定，从而造成含尘气流短路和二次扬尘。 j j d e r k s e n 和s s u n d a r e s a l l 【1 7 】对颗粒浓度对分离效率的影响进行了研究，研究发 现，高的颗粒浓度可以减小湍流因素对分离器的影响，同时会减弱分离器下部的 旋转强度。s m m o u s a v i a n 和a f - n a i a f i 【1 8 】运用c f d 分析软件，分别采用k - 模 型，r s m 模型以及v o f 模型，考察了旋风分离器内气固液三相流场的分布规律， 模拟结果和实测结果对比表明，使用k 模型不能够预报分离器内部强旋的回流 或滞留现象，因此误差较大，而采用r s m 模型时，由于该模型考虑了各向异性 的强旋流特点，因此和实验数据吻合较为良好。而在他们的另一篇文献【1 9 】中， 分别使用r s m 模型和l e s 模型进行数值模拟，通过和实测值比较可知，使用 r s m 模型具有较好的性能，并且可以节省较多的计算机资源。 国内对旋风分离器的研究起步相对较晚，大多数始于上世纪九十年代，主要 是借鉴国外分离模型的研究思路，比较具有代表性的主要有： 浙江大学谭晓军，陈丽华【2 0 】采用i gk 湍流模型对有反射屏的扩散式气 固旋风分离器内部流场进行三维数值模拟，讨论了分离器入口速度对分离器分离 效率的影响，模拟结果表明气流速度对分离效率有很大影响，并得到分离器分离 效率增长最快的速度范围，此外还考察了不同的结构参数对分离效率和压力损失 的影响，发现结构尺寸的变化对其影响较为复杂，并得到了结构尺寸的取值范围。 周强，程乐鸣1 2 1 】等使用r s m 模型，也得到了类似的结论，有类似结论的还有李 浩，刁永发【冽等。 基于旋风分离器气流会直接从其排气管底部逸出形成短路流，黄星玮，钱付 平【2 3 】在前人的基础上改进了旋风分离器入口形式，使其具有一定截面角，并进 行数值模拟，结果发现这种结构可以减小短路流。王成，陈建义1 2 4 j 以p v 型旋风 分离器为研究对象，通过实验得出灰斗的最佳直径范围以及最佳高度范围，实验 还发现，灰斗结构的变化对分离器压力损失的影响不大。 浙江大学热能工程研究所苏亚欣，周劲松，骆仲泱，岑可法【2 5 l 等，利用三 维颗粒动态分析仪( 3 d p d a ) ，对方形下排气旋风分离器内气固两相流场进行 6 中南人学硕十论文第一章绪论 实验研究，得到了不同温度工况下分离器内部流场分布。实验结果发现，分离器 中间为强旋流动，靠近边壁为弱旋的准自由涡，且分离器方腔内流场偏离其几何 中心，在分离器边角处存在局部小漩涡，这与陈由旺得出的结果一致；实验还发 现，不等温流场相比等温流场均匀，但其旋流强度减弱，分离器分离效率也有所 降低。 冷碧霞，吴学安1 2 6 j 通过实验方法，研究了扩散式下排气气固分离器的分离阻 力，流场分布，分离效率等。实验结果表明：扩散式下排气气固分离器分离效率 受入口气流速度影响很大，速度越大分离效率越高；同时气流流速对分离器压力 损失也起主导作用，大的气流速度意味着较大的压力损失；另外排气管的高度对 分离效率也有不可忽略的影响，下导流锥的锥角和锥位也影响分离器分离效率。 清华大学王玉召，王启民1 2 7 】等，采用雷诺应力模型( r s m ) ，对带入口加速段 的方形分离器内气固两相流动进行数值模拟，重点考察了结构参数对方形分离器 性能的影响，模拟结果发现：在方形分离器存在许多局部的二次流，这些二次流 对分离器的分离效率产生很大影响；随着结构参数的改变，这些二次流的强度及 位置也随之改变，进而影响到分离效率。另外，模拟表明，颗粒从分离器入口较 低的区域进入分离器有利于分离。 谭晓军【2 引，对连续相的模拟采用重正化群即l 州gk 湍流模型，对颗粒的 计算则采用了基于拉格朗同观点的d p m ( d i s p e r s ep h a s em o d e l i n g ) 离散模型， 结果表明，扩散式旋风分离器内部流场和普通型式旋风分离器类似，是一种内升 外降的r 锄k i n e 涡，内外层漩涡之间具有强烈的剪切作用，并且各向速度具有较 良好的对称性。另外还考察了不同颗粒的轨迹情况，讨论了气流速度对分离器压 力损失的影响，反射屏对提高分离效率和延长颗粒逃逸前在分离器内的停留时间 具有重要作用。在降低分离器压力损失方面，提出了三种减阻方式，对分离器进 行了减阻数值模拟，给出了各种减阻方式得到的减阻幅度，以及相应分离效率的 变化情况，减阻幅度与分离效率的改变与减阻杆迎流宽度和减阻杆位置有很大关 系。对扩散型旋分器内的磨损情况也进行了探索，得到了分离器内磨损相对严重 的位置，并提出了一些减轻磨损的建议措施和方法。2 0 0 8 年中南大学李强1 2 9 1 ， 采用f l u e m 中基于各向异性的r s m 雷诺应力模型、q u i c k 差分格式、p r e s t o 压力插补格式和s i m p l e c 算法，模拟出了普通型式旋风除尘器内部流场的双层 旋流结构，并获得了较为准确的压力与速度场预报结果，并模拟分析了该类型分 离器排气管插入深度、排气管直径、排灰口直径和直管长度等结构参数对分离性 能的影响。 总而言之，从目前发表的文献来看，工程应用中对旋风除尘器内的复杂气固 流场的数值模拟，大多仍是基于某种湍流模型，利用某些假设，将湍流模型的微 7 中南人学硕十论文第一章绪论 分方程组或者湍流特征量的输运方程中高阶的未知关联项用低阶关联项来表达， 从而使湍流方程组封闭，然后进行模拟求解。 1 4 研究内容及方法 由于上述理论公式是在理想状态下推导而来的，而由于分离器结构上的差 异，特别是对扩散式旋风分离器的设计还停留在经验设计阶段，因此本文采用数 值模拟和实验验证结合的方法，对扩散式旋风分离器的分离性能进行研究，以期 指导扩散式旋风分离器的工程设计和应用。 对两相流的研究可分为数值模拟研究和实验研究两大类。但是实验研究存在 实验成本高，实验周期长等缺陷，而针对数值模拟的方法，前人已经做了较多的 研究和探索，该理论也逐渐趋于成熟，其结果在对旋风分离器的模拟上，是可信 的。因此，本论文采用数值模拟和实验相结合的方法，以数值模拟为主，针对扩 散式旋风分离器进行较深入的研究。其主要研究内容如下： 1 ) 建立扩散式旋风分离器流体分析的物理模型和数学模型。首先根据分析 软件和计算机的能力建立合适的物理模型。然后依据流体力学理论，结合扩散式 旋风分离器的流场特点建立流体分析的数学模型，包括建立控制方程，选择湍流 模型和数值计算方法。 2 ) 考察扩散式旋风分离器内的三维气相流场，采用合理的计算模型对旋风 分离器内气相流场进行数值模拟，通过对模拟结果的分析，得出分离器内三维速 度场、压力场的分布规律以及其湍流结构特性；并采用d p m 模型，考察颗粒在 分离器内的运动情况，研究其分离能力。 3 ) 保持操作参数不变，改变分离器结构参数，如分离器反射屏的高度、开 口直径，排气管的直径及插入深度、扩散段的长度等，探究不同的结构参数对衡 量分离器分离性能的分离效率和压力损失的影响。 4 ) 保持结构参数不变对，改变操作参数，如入口气流速度、含尘颗粒浓度、 颗粒直径等，考察其与分离器分离效果和压力损失的关系，考察操作参数对分离 器分离性能的影响。 5 ) 通对过扩散式旋风分离器的实验研究，验证操作参数对分离器分离性能 的影响。 1 5 本章小结 本章阐述了论文的研究背景及研究意义；介绍了国内外两相流模拟进展以及 国内外旋风分离器研究状况，最后给出了论文的主要研究内容和研究方法。 8 中南人学硕十论文第二章扩散式旋风分离器两相流场建模 第二章扩散式旋风分离器两相流场建模 描述三维湍流流动的数学模型在近年飞速发展，但到目前为止，研究人员对 湍流的机理认识还不够深入，因此数学模型只能针对某种特定的工况。本章首先 介绍扩散式旋风分离器的工作原理和分离理论，之后根据分离器内部流场的特 点，选择适合的湍流数值模型，并确定其边界条件，以及数值模拟路线。 2 1 扩散式旋风分离器的工作原理和分离理论 2 1 1 扩散式旋风分离器的工作原理 旋风分离器有多种不同的结构形式，但其分离机理都基本相同，只是在性能 上有所不同，进而适应不同的用途。和普通型式的旋风分离器类似，扩散式旋风 分离器也是利用气流在分离器内部旋转所产生的离心力，以及颗粒自身的重力， 使得颗粒相在随气流高速旋转的同时，被甩到分离器壁面附近，旋风分离器是典 型的内升外降的气流，颗粒相随着下降气流进入灰斗，从而被分离，而大部分气 流被反射屏反射出去。 图2 一l 典型的扩散式旋风分离器结构图 典型的扩散式旋风除尘器结构如图2 1 所示，由进气口、圆筒体、扩散式圆 锥体、反射屏、排气管、收尘体、次斗及排灰口等部分组成。含尘气体由分离器 9 中南人学硕十论文 第二章扩散式旋风分离器两相流场建模 上部的进气管切向进入分离器内，由于分离器结构改变，气流由直线运动被强制 变为高速的圆周运动，同时沿着分离器壁面螺旋向下，通常称此为外旋流。由于 含尘气体的圆周运动，使得在旋转过程中产生离心力，将气体中重量大的的颗粒 甩向分离器壁，颗粒与分离器壁接触便失去或大大降低其运动速度，靠入口速度 的动量以及重力沿壁面下落，透过反射屏与分离器内壁之间的间隙，进入分离器 下部，经过排灰口进入灰仓。旋转向下的外旋流在到达分离器扩散段时，因受到 倒圆锥形的扩散段的扩散作用而向分离器壁扩散。由“旋转矩”不变原理可知， 分离器内含尘气流切向速度逐渐降低，当气流到达反射屏后，大部分气流经反射 后做相反方向运动，只有少部分气流进去分离器底部的灰斗中，而后经反射屏顶 部透气孔作向上继续保持螺旋运动，称为内旋流，最后净化的气体由分离器上方 的排气口排出分离器。 2 1 2 扩散式旋风分离器的分离理论 扩散式旋风分离器内部的颗粒主要受气流曳力和高速旋转所产生的离心力 的作用，还受到扩散、团聚作用的影响，以及颗粒之间的碰撞、颗粒与分离器壁 面的碰撞的影响，因此分离器内部含尘气流的运动是极其复杂的湍流运动，截止 到目前仍没有可以准确反映各种影响因素的分离理论，因此对气流在分离器内部 的运动不得不进行简化，并提出了各种假设【8 】【9 】【l o 】，其中有影响的主要有以下三 种模型： ( 1 ) 沉降分离理论：沉降分离理论也叫转圈理论，是r o s i n l 基于平流重力沉 降分离理论的基础上最早发展起来的。在沉降室中，距沉降室分离界面高厅的粉 尘颗粒在自身重力作用下向下沉降，而同时又以水平方向的速度前移，若沉降室 有足够长度，粉尘就能在到达沉降室出口以前落到沉降分离界面而实现气固分 离，而扩散式旋风分离器不但有径向向外的沉降速度，也有旋转的切向速度，若 有足够多的旋转圈数，则展开后的长度相当于沉降室长度，粉尘颗粒就能被分 离。 依据转圈理论可知，把分离器内的气流当做是速度分布指数刀= o 的等速流 动，颗粒之间的相互作用及边界层作用忽略不计，则可以计算出颗粒全部被捕集 的临界粒径d 。为： f ! 丝 一1f 丝! 垒二墨1 1 州k ( 砟一纠v 刎k 岛( 砟一力 ( 2 一1 ) 式中，d 广1 0 0 被分离发临界粒径，m ；i 1 _ _ 气流总高度，m ； i l 气流动力粘度，p a s ；d o 一旋风分离器简体直径，m ； l o 中南人学硕十论文第二章扩散式旋风分离器两相流场建模 v 。气流切向速度，m s ；p 广颗粒密度，k g m 3 ； p 气流密度，k g m 3 ；r 气流平均旋转半径，m ； n 气流旋转圈数。 但是，沉降分离理论是基于层流沉降理论提出的，而分离器内部是复杂的湍 流，并且实验研究表明，在旋风分离器内部，特别是扩散式旋风分离器，气流到 达倒锥体空间的扩散段时，径向的汇流或类汇流就会出现，而沉降分离理论假设 颗粒分离是在圆柱段进行，而实际情况下，扩散式旋风分离器最主要的几何结构 是倒圆锥形的扩散段，圆锥长度及角度对气固分离都会产生不同程度的影响，因 此该理论与实际情况存在较大偏差。 ( 2 ) 平衡轨道理论：平衡轨道理论又叫筛分理论，为修正转圈理论存在的缺 陷，考虑到旋风分离器内流场既有涡流又有汇流和类汇流，b 绷h 等人【1 2 1 提出了 平衡轨道理论，该理论认为粉尘颗粒同时受到方向相反的两种推移作用，一种是 高速旋转的涡流流场产生的惯性离心力忮颗粒受到向外的推移作用，另一种是由 于汇流场产生s t o k e s 阻力，使得颗粒受到向内的漂移作用。离心力的大小与颗粒 的直径、密度有关，颗粒重量越大，其所受的离心力就越大，因为颗粒的直径有 所差异，故可以假设，存在一临界粒径以，使惯性离心力向外的推移作用力正 好与s t o k e s 阻力产生向内漂移的作用力相等，达到受力平衡，当颗粒直径d 以时，向外的推移作 用力大于向内的飘移作用力，粉尘颗粒被推移到分离器器壁附近，随着粉尘颗粒 的逐渐增多，靠近分离器壁处的粉尘浓度增加，超出气流的极限运载负荷时，粉 尘颗粒被分离器捕获。在平衡状态时，由于种种原因，平衡状态随时会被破坏， 若被捕获和逃逸的概率各占一半，即此时有5 0 的概率颗粒被捕获，通常把具有 此分离效率的粒径用以，。表示。 颗粒直径为d 的粉尘所受离心力p 为： p ：堡丝堡( 2 2 ) 6 厂2 颗粒径向阻力，用s t o k e s 公式可以表示为； = 3 掣以d 。 ( 2 3 ) 在平衡状态下，则有p = ，即： 堡盟：3 掣圪吐 ( 2 4 ) 6 ，2 。1。 则颗粒的分割粒径以，。： 中南人学硕士论文 第二章扩散式旋风分离器两相流场建模 以5 0 = ( 2 5 ) 式中：r ：广一旋风分离器交界面半径，m ； v ，：厂交界面处流体径向速度，m s ； v ；广交界面处流体切向速度，m s ；d 。；。r 5 0 可能性被分离的粒径，m 。 平衡轨道可以看作是旋风分离器排气管下端具有最大切向速度的各点连成 的一个假想圆筒，虽然平衡轨道理论较全面的考虑了分离器内部流场，但在计算 中，常将径向速度( 汇流速度) 当做匀速运动，这和实际情况存在着一定误差。因 为假想圆筒面上的向心流未必是以相等速度流经假想圆筒的全侧面。所以该理论 也具一定的局限性。 ( 3 ) 边界层分离理论，边界层分离理论又叫混合模型，最早在这方面研究 的是d i e t z 【6 1 ，该模型结合了平衡轨道模型和沉降分离模型的特点，考虑了湍流扩 散的作用，而这种作用对微细颗粒的影响更是不容忽视的。此模型假设在分离器 任一截面上粉尘颗粒浓度是均匀分布的，而气流靠近壁面处的边界层附近是层流 流动，只要颗粒进入边界层内，则颗粒的运动由旋转湍流转变为自由沉降的扩散 运动，此时视颗粒被捕集从而实现分离。后来m o t h e s 和l o e 用e r 【8 】在此研究基础上， 对该模型进行进一步完善。由于该理论考虑了所有几何尺寸的影响，因而结果相 对于以上两种分离理论，更与实际较吻合，是比较完善的理论，目前已被广泛应 用。 2 2 旋风分离器的评价指标 评价旋风分离器性能优劣的指标主要有【3 0 】：( 1 ) 表示分离效果的，如分离器 分离总效率n 、分级效率t l 。、临界粒径d 、切割粒径如：( 2 ) 表示能量损耗 的，如分离器压力损失p ；( 3 ) 表示分离器产能的，如处理气流量q 。而我们 的目标是实现分离器的“高效低阻”，因此我们最关心的是分离器的分离效果和 压力损失。 1 ) 分离效率 旋风分离器最重要的性能参数就是分离效率，即分离器捕获的颗粒量占进入 分离器颗粒总量的百分比。总效率可表示为： 一 ，7 = 二l o o ( 2 6 ) s 其中，喻离器捕获的颗粒量，k g i l ； 1 2 中南人学硕十论文第二章扩散式旋风分离器两相流场建模 s 进入分离器的颗粒量，k g m 。 但是用总分离效率r l 衡量分离器分离效果有一定的局限性，这是因为总效率 受颗粒直径影响很大，即使在同样的操作参数和结构参数下，因粉尘分散度造成 的不同，也会造成分离效果有很大差异。为了准确的评价分离器分离效果，引入 了分级效率n 。的概念。分级分离效率直接计算所有粒径范围颗粒和任何尺寸的 旋风分离器分离效率，能更为客观的反映分离器自身的分离能力。分级效率可以 表示为： 铲器川。 协7 ， 其中：c 。进入分离器的总颗粒量，k g i l ； e 分离器捕获的总颗粒量，k g h ； x 。进入分离器的颗粒直径为出份额，无量纲； x ，分离器捕获的颗粒直径为出份额，无量纲。 总效率和分级效率的关系就可以表示为： ，7 = 仉置 ( 2 - 8 ) 2 ) 压力损失 压力损失的大小，直接决定着旋风分离器的能耗和运转费用，压力损失大， 就意味着选用的风机功率大，耗电量就大。旋风分离器的压力损失主要包括以下 几个方面【3 1 】【3 2 j ：结构形式的影响：进气风量的影响；除尘器尺寸的影响； 气体密度变化的影响；含尘气体浓度大小的影响；除尘器内部障碍物的影 响。 旋风分离器压力损失一般用其进气口和排气口平均全压之差表示，即： p = 乃一厶 ( 2 - 9 ) 全压又分为两部分，即静压只和动压易： 乞= 只+ 巴 ( 2 一l o ) 而又由于动压= 去p y 2 ，则联立( 卜9 ) ， ( 卜1 0 ) 两式，尸可表示为： 廿= 只+ 圭p 2 一匕+ 圭p 曙 ( 2 一l1 ) 式中，己分离器进口静压，砌：己分离器出口静压： 1 3 中南人学硕十论文第_ 二章扩散式旋风分离器两相流场建模 k 分离器进口气流速度，m s ：圪分离器出口气流速度，m s 。 工程中，为计算简便，引入一个气流阻力系数s ，凹又可表示为： 1 尸= 去印形2 ( 2 - 1 2 ) 厶 其中，k 为入口气流速度，桃；p 为气流密度，k g m 3 。 阻力系数s 和旋风分离器的结构有很大关系，一般来讲，分离器阻力系数是 由实验测定的。 2 3 二相流数值模拟方法的研究 2 3 1 两相流数值模拟方法 正如前章所述，对气固两相流的数值模拟有多种方法，但国内外该普遍采用 的是欧拉与拉格朗日相结合的方法。周力行嘲、t s u j iy 1 5 3 】等学者都对该法进行过 深入的研究和总结，并给予较高评价。 蒲文灏、赵长遂、熊源泉【5 4 】【5 5 】等针对浓相的煤粉气力输送系统，得到了气 固两相的速度分布及浓度和湍流强度分布，以及压降梯度变化规律，与实验研究 相比较，能进行较好预测。王洋、徐小敏、张翔1 5 6 】则使用该方法对离心泵内的 浓度固体颗粒运动轨迹进行了数值模拟，取得了与实验结果相同的趋势。另外， 有国际知名学者对双欧拉模型模拟结果的准确度提出质疑【5 7 1 ，因此本文选择使 用欧拉与拉格朗日相结合的方法来模拟扩散式旋风分离器内部二相湍流。 2 3 2 气相湍流模型的确定 正如前章所述，大涡模拟目前还不能真正的用于工程实际，针对湍流的数学 模拟应用最广泛的是r e ”o l d s 平均法( 凡气n s ) 【5 8 】【5 9 l ，即求解r e y i l o l d s 时均方 程及其关联量输运方程，其实质就是利用某些假设，用低阶关联项或时均量去表 达r e 、，i l o l d s 时均方程及其关联量输运方程中的高阶未知项，使时均方程封