（化工过程机械专业论文）直流式三相旋流器出口区域流场的测定与分析.pdf

中文提要 本文以用于液固混合物与气相分离的直简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查速扬进行了初步测定。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，配合实验确定的常数与参 数，精度可满足工程要求。 关键词三相旋流器流场五孔球探针涡动粘度 v 7又 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r ，t h e c h a r a c t e r i s t i co ft h ef l o wf i e l di nt h e g u i d e v a n e d 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 e se x i tw a se x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e db ym e a n s o ff i v e h o l ep r o b e t h ei n f l u e n c e so fi n l e tv e l o c i t yv io nf l o wf i e l da r es h o w n ， w h i c hg i v eas o l i db a s ef o rs e a l i n gu po ft h r e e p h a s ec y c l o n e t h er e y n o l d s e q u a t i o ni ss i m p l i f i e db yu s i n gt h ec o n s t a n te d d yv i s c o s i t ys u p p o s i t i o na n dt h e a v e r a g ev e l o c i t yf i e l dp a t t e r n a n a l y t i c a ls o l u t i o n so f t h et h r e e - d i m e n s i o n a lv o r t e x f l o wi nt h et h r e e p h a s ec y c l o n e se x i ta r ed e r i v e do nt h eb a s i so fam o d i f i e d s u p p o s i t i o no nr a d i a lv e l o c i t yw i t has e r i e so fc o n s t a n t sa n dp a r a m e t e r so b t a i n e d b ye x p e r i m e n t s t h ea c c u r a c y o ft h e s es o l u t i o n sc a nm e e tt h e r e q u i r e m e n to f p r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e y w o r d s t h r e e p h a s ec y c l o n es e p a r a t o r f l o wf i e l d f i v e - h o l ep r o b e e d d yv i s c o s i t y 天津人学硕士学位论文 日u 爵 刚面 随着我国经济的迅速发展，环境污染问题日益严重。其中排放到大气中的二 氧化硫和烟尘也日益增多。为达到经济的可持续发展，大气污染的控制已经成为 当务之急。近年来国内外许多学者通过大量实验研究，提出了各种类型的除尘与 脱硫装置。 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 w p b 3 1 9 9 9 ) ，在多年研究的基础上，开发了以文丘里管和直简型导叶直流式三相旋 流器( 简称三相旋流器) 组成的湿法两级脱硫除尘设备一一w x 型撬块式除尘脱 硫双功能装置，达到除尘脱硫一体化的效果。 本文以用于液固混合物与气相分离的直筒型导叶式直流三相旋流器为研究 对象，针对工业实践中出现的气液夹带、风机带水等不良工况，通过实验研究对 旋流器出口区域的气态流场进行了初步测定，并运用有关理论简要分析了三维速 度分布，为三相旋流器的结构的优化、实际的应用提供了一定的依据。 天津人学硕士学位论文第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 选题的背景、目的及意义 随着现代工业的迅速发展，环境污染状况f f 益严重。脱除工业锅炉燃煤排放 的粉尘及有害气体是研究的新热点l i2 | 。工业锅炉，包括着1 4 m w 1 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 以下机组所用动力炉，所产生的烟 气中排放出的粉尘和s o ：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。目前 仅以干法除尘为目的的干式气固分离已经不能满足要求，而以湿法消烟、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 w p b 3 - 1 9 9 9 ) ，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实现的零排放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 。 | 璺i1 - 1 除尘脱硫装置流程图- f i g 1 - 1f 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 f 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 涤器、气液旋流分离器，扶水自循环处理装簧组成的。由锅炉排出的含有粉尘和 s 0 2 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 犬津人学硕士学位论文第一章文献综述 配至各文丘里吸收反应器的入i = l 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 0 um 的雾滴，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、化学反应吸收过程实现了除尘脱硫双功能 过程。混合物经过气液分离器在分离箱内充分分离，净化烟气经风机进入烟囱， 灰水流入沉淀池，除渣后循环使用。 对净化烟气中残留雾滴的捕获，国外技术是用一高效捕集器来完成，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。本装置采用新型直简式旋流器来实现净化烟气与雾滴的分离， 有高的分离效率，较低的阻力，减少了能耗和提高了安全运行程度。 针对脱硫除尘双功能装置，对它的关键部件之一“旋流器”的流场理论研究， 国内外尚未有系统的报道。在应用阶段，由于对旋流器出口部分的流场分布缺少 了解，加之国内外相关资料很少，因此对除尘过程中出现的气液夹带、返混、效 率下降等现象不能作出合理的解释，从而影响了设备的优化和改进。本实验的主 要目的就是在出口结构已知的情况下，通过五孔探针测定其气态流场，描绘出口 区域的速度及压力分布，从而为旋流器的优化和改进提供一定的理论指导。 三相旋流器和传统的旋风分离器相比具有一些自身的特点。如分离对象不是 单纯的固体颗粒而是液滴和固体微粒、气体及它们的混合物，因此在分离过程中 存在着液滴的变形、打散、粉尘与粉尘、粉尘与液滴的凝并现象。但是由于三相 旋流器的分离机理和内部流场与传统的气固相旋风分离器的某些区域有一定的 相似之处，所以在充分研究新型三相旋流器的气态流场之前，有必要了解旋风分 离器及其流场的研究状况。 1 2 传统旋风分离器的研究 1 2 1 旋风分离器的研究发展阶段 旋风分离器已经有一百多年的工业应用历史。1 8 8 5 年美国的m o r s eo m 第 一个申请专利，标志着旋风分离器正式登上工业舞台。旋风除尘设备的研究历史 大致可以分为三个阶段： 第一阶段：自十九世纪八十年代至二十世纪三十年代属于第一阶段，即盲目 使用阶段。在这一阶段中，一般都粗略认为旋风分离器的分离机理仅仅是简单利 用离心力把粉尘甩向圆筒的边壁而已，既不深入研究气流运动规律，也不去了解 尘粒从含尘气流中分离的机理。因而差不多有半个世纪，旋风分离器的临界粒径 一直停留在4 0 6 0 u m 。在这期间，只有现代流体力学创始人普兰特( p r a n d t l ) 大津人学硕士学位论文第一章文献综述 在1 9 1 0 年以m a n 公司名义对排气管出口加上导流叶片，达到降低压力损失的目 的t 4 | 。 第二阶段：从二十世纪二十年代末到六十年代初，人们对旋风器进行了广泛 的科学试验和理论概括。二十世纪五十年代，有关旋风分离器的研究广泛开展起 来，其中以s t a i r m a n dc j 和k e l e s a l ld f 的工作较为突出，s t a i r m a n d 首先提出 了临界粒径和次级流动的概念，并对其定量分析进行了探索性研究。粉尘从气溶 胶中分离的机理从最先类比平流沉降发展起来的转圈理论飞跃到筛分理论。其中 以巴特在1 9 5 6 年提出，1 9 6 4 年最后论证的系统理论最为突出。 第三阶段：从二十世纪六十年代到现在属于第三阶段。这个阶段是企图把旋 风分离器捕集分离能力向超微颗粒分离推进。通过相似理论和量纲分析，把流场 的物理量和旋风分离器的尺寸都用一个以基准尺寸( 英国美国用外简直径，德国 用内简直径，日本两者兼用) 为准的无量纲量来表达，并进一步把旋风分离器的 技术经济性能也组成无量纲量来评价，又通过优选法综合技术经济指标设计计算 最佳化的旋风分离器。 1 8 1 1 0 i 蜘l 知l p | 01 9 1 9 3 0l 蛐i 啪i 蛳1 9 01 9 5 0 幽1 - 2 旋风分离器发展阶段简图 f i g 1 - 2d i a g r a mo f r e s e a r c hs e e d t i m e _ b o u tc y c l o n e 天津人学硕十学位论文第一章文献综述 1 2 2 旋风分离器的结构与分类 传统的旋风除尘器其基本结构形式为一圆柱形筒体和一圆锥形筒体组成的 旋风体，在锥体的下端连接一集尘箱，圆柱简体的中心设一圆筒形排气管( 见示 意图1 3 ( 1 ) ) 。旋风分离器主体结构简单，无转动部件，操作简便，性能稳定， 压降适中，动力消耗不大，维修护理方便，经济性较好。同时可以依据生产的不 同要求，选用不同材料制造，以满足耐磨、耐高温等要求。 旋风分离器种类繁多，结构各异。按气流进入方式的不同，可大致分为切向 进入式和轴向进入式两类。两种形式的典型结构如图i 3 所示。 切向进入式又分为直入式和蜗壳式等，除尘过程中，流体从圆柱形筒体端部 切向进入设备并产生强烈的旋转，在设备中心形成反转气流由顶部的出口排出， 颗粒在离心力的作用下沿径向抛向壁面，并沿壁丽下滑至旋流器的底部得到收 集。该种旋风分离器的突出优点是分离效率较高，另一方面，由于流体高度湍流 并处于不稳定状态，将导致较大的压力损失。主要应用于分离粗颗粒或谷物。在 切向进口反转式的旋风分离器内，存在几个与颗粒分离有关的问题： ( 1 ) 当湍流旋转流在锥形空间内反转时，已分离出来的粉尘有可能被向上 的旋转气流从升气管带走。 ( 2 ) 由于灰斗内存在湍流旋转流， 被边界层内的二次气流扬起。 f 气体出口 协料进口 所以灰斗中被分离出来的粉尘颗粒可能 气体出口 阿 lj l 藏圈捆出口；液固相出口 ( i ) 切向进入式( 2 ) 轴向进入式 豳1 - 3 旋风分离器的两种主要结构 f i g 1 - 3t w op r i m a r y s t r u c t u r eo f c y c l o n es e p a r a t o r 为了消除上述缺点就设计了轴流式旋风分离器。见示意图1 3 ( 2 ) ，在分 4 大津人学硕士学位论文第一章文献综述 离过程中，旋转流由导向叶片产生，固体颗粒在同轴的空间内被离心力甩向壁面， 净化气体由出口排出。由于导向叶片产生的旋转气流较弱，所以与第一种形式相 比，其分离效率n ( ) 较低13 1 。另一方面，由于主气流与叶片的摩擦或能量消 耗比较小，从而使主气流保持稳定，并有助于维持其层流特性，所以该种形式的 旋风分离器的一个突出优点是阻力损失小。 三相旋流器( 结构简图见图l - 4 ) 属于轴流式旋风分离器的一种形式，在工 业实践中与文丘里管配合使用，不仅可以达到较高的除尘效率，而且整个装置结 构简单、易于维护。 气体进口 ii 出气口液固相出口 i 兰l1 - 4 三相旋流器结构偷图 f i g 1 4s t r u c t u r ed i a g r a mo ft h r e e - p h a s ec y c l o n e l 一液同相山口管2 一气体山口管3 一旋流器筒体4 一导流锥5 一导叶 1 3 旋风分离器流场的研究状况 1 9 2 8 年，p r o k e t 第一次对旋风分离器进行了测定，从此开始了对旋风分离 器的科学实验与理论分析。s h e p h e r d 和l a p p l e 通过观测旋风分离器中示踪烟雾 的轨迹，粗略的描述了气体流场。指出：气体进入旋风分离器后，由于器壁的作 大津人学硕士学位论文第一章文献综述 用，以大约1 0 。的倾角旋转下行并延伸到一定长度转而向上以大约4 5 。倾角作 同方向的旋转进入排气管5 1 t 6 l p 这就是后来被广泛应用的双涡旋模型。 同时，通过流场的实测分析，一些学者提出旋风分离器内的流场是两种不同 性质的旋涡( 准自出涡与强制涡) 及流向相反的源流和汇流的相互叠加，大致以 芯管的延长面为分界面，分界面以外是准自由涡与汇流的叠加，分界面以内是强 制涡与源流的叠加，除尘作用主要在涡汇叠加流场中进行。此外，k e l e s a l ld f 主要研究了旋流器内的流场，认为切向速度v 。仅与半径r 有关，而与该水平面 的位置无关 1 。这以后，b r a d l e yd 用注入染料的方法显示出分离器的流场， r i e t e m ak 从流体运动方程出发解出旋风分离器的简单流场。 进入7 0 年代以来，我国不但注意引进国外的旋风分离技术加以消化吸收， 探讨适合我国具体情况的旋风分离器而且研究其设计计算方法8 1 9 1 ，并做了很 多有关流场的研究2 1 3 1 1 4 1 。 石油大学刘爱林、时铭显进行了直筒型导叶式旋风管流场的测定与分析1 0 1 。 通过实验阐明了直筒型导叶式旋风管( 结构简图见图1 5 ) 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。 幽1 - 5 旋风管结构简削 f i g 1 - 5c o n f i g u r a t i o no f t u b a lc y c l o n e 文中将导叶式旋风管内流场概括为两个区域： ( 1 ) 环形空问：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 j 给定时，可出叶片参数近似确定。 ( 2 ) 分离空问：流场呈准三维旋流分稚，径向速度v ，数量级很小，流场的 6 天津人学硕士学位论文第一章文献综述 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、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1 2 1 , 提出将各向同性的k f 模型改为各向异性的k s 模型，利用逐次逼近法得到各向涡动粘度系数值。 吴小林、田彦辉等人进行了p v 型旋风分离器流场的研究1 1 | 。依据流场测 定结果，运用平均速度场模式简化雷诺方程，给出了涡动粘度系数的经验计算公 式，同时对简化的雷诺方程进行数值求解，提出了旋风分离器流场计算的一种新 的方法。在理论分析的过程中，他们提出了如下假设： l 、分离器流场为轴对称性流场； 2 、由于入口雷诺数r p 尸k d y ，一般为3 x 1 0 5 - 6 x 1 0 5 ，流场为湍流状态， 雷诺应力大于粘性应力，即涡动粘度yt y ，于是可略去上述方程中的各个 粘性应力项； 3 、因为旋风分离器内气流速度一般为o - 1 0 0 m s ，可认为气流为不可压缩： 4 、定常流场。 此外，四川i 大学的褚良银、陈文梅等人应用湍流流场的基本理论对水力旋流 器能耗机制与节能原理展开研究。内容包括：能量耗损理论分析、湍流压力场时 均结构、湍流压力场脉动结构、流场结构与能量耗损等m 川1 7 1 。 1 4 湍流流场的基本理论 1 4 1 湍流的基本理论及控制方程组 旋风分离器的流场是三维湍流流场，此时流体流动的主要特征是：气流分 子微团作无规律的混乱运动，即气流中的各点温度、速度、浓度、压力等参数 都随时间而变化。研究表明，微团的混乱运动在足够长的时间间隔内是服从 数学统计的规律的，因而可以建立湍流微分方程式，用统计的方法来研究湍流 运动的规律性。由于湍流产生的机理及其微观运动的规律性目前还未研究清楚， 7 大洋人学硕十学位论文第一章文献综述 为了解决工程实际问题，往往人为地把瞬时的真爪速度用不变的平均速度和随 时间变化的脉动速度之和来表达，即： k = + v ， ( i = r ，t ，z )( 1 1 ) 湍流运动的实验研究表明，虽然湍流内部结构十分复杂，但仍遵循连续介 质的一般动力学定律，即服从质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。 湍流中的流动特征参数虽然都随时间和空间而变化，但是任一瞬时的运动仍然 符合连续介质流动的特征，流场中任一空间点上应该适用粘性流动的基本方程。 因此，基本方程中任一瞬时的参量都可用平均量和脉动量之和代替，并且可以 对整个方程进行时间平均运算。 湍流运动的基本控制方程组8 1 主要是连续性方程和动量方程( 雷诺方程) ， 对于定常、不可压缩流体： 连续性方程： 0 v , ：0( 1 2 ) 良 雷诺方程： 一考o x 一土p 考o xo p 毒o xp 筹o x p 万j + f ， ， ， 小，j 式中：v 。一时均速度，m s ( i = r ，t ，z ) ： p 一 时均压力，p a ： p 一流体密度，k g m 3 ； y 一流体粘性系数，m 2 s ： f ，一作用于流体的体力，n ： x i 、x 一坐标向量 附加项p v ，v 、是作为应力形式出现的，雷诺解释为作用在流体上的n j j t j 应力， 称为雷潇应力，从物理上它起源于流场在空问上的不均匀性，雷诺方程在不同 的雅韧i 系中有不同的形式。 1 4 2 湍流的研究方法 湍流研究的基本方法是进行直接数值模拟( d n s ) ，即在k o l m o g o r o v 尺度 的网格小求解瞬念三维n a v i e r s t o k e s 方程，而不使用任何湍流模型。但是d n s 方法婴- ，据非常庞大的计算机容量和c p u 时问，因而在当前发展阶段还不能解 决仃何实际工程问题。 另种方法是大涡模拟( l e s ) ，即在大涡尺度的网格系内求解n s 方程， 大泮人学硕十学忙论文第一章文献综述 对小尺度湍流仍需模拟( 亚网格模拟) 。l e s 方法仍需要相当大的计算机容量和 c p u 时间，因而距工程预报应用还很远。 许多流体力学研究者认为9 2 0 “2 ，本世纪唯一实用的工程预报方法，是 基于求解r e y n o l d s 时均方程及关联量输运方程的湍流模拟方法，即湍流的统观 模拟方法。湍流统观模拟的基本思想是用低阶关联量和平均流性质来模拟未知 的高阶关联项，从而封闭平均方程组或关联项方程组，在工程应用过程中要求 我们知道时均速度、温度和湍流特性，而不必了解湍流产生与发展的细节。总 之，在处理工程问题时，基于求解r e y n o l d s 时均方程的湍流统观模拟方法是最 有效、最经济而且合理的方法。 1 4 3 湍流模型 从简单的不可压缩流体的连续性方程和雷诺方程可知：这里未知数有十个， 但方程只有四个，因此方程组不封闭，如果找不到脉动速度与平均速度问的联 系，雷诺方程将很难用于解决实际问题，目前比较实用的方法是对某些相关量 提出一些半经验的假设，来使方程组封闭。依据湍流的运动规律来寻求附加的 条件和关系式从而使方程组可解就形成了各种湍流模型，然后利用初始条件和 边界条件来求解方程式。目前已有的主要的湍流模型及提出者如表1 1 所示 表1 - 1 主要的湍淹模型及其提出者 t a b 1 - lc e n t r a lm o d a lo ft u r b u l e n c ea n da u t h o r 提山者湍流模型备注 b o u s s i n i s q旋涡理论1 2 2 1 0 方程模型 p r a n d t l混合k 度理论 2 2 10 方程模型 b r a d s h a w 单方槲湍流模刑1 2 3 1 “i i 方程模删 h a r l o w烈方程湍流模型1 2 4 1 2 方科模型 l a u n d e r雷诺麻力湍流模型 2 5 1 这b 主要讨论目前应用较多的时均模型及k e 双方程模型 1 、时均模型属于零方程模型，这类模型只需用时均流速的偏微分方程组， 小m 增j l j 【l 任何脉动量的偏微分方程，这里主要介绍b o u s s i n e s q ，j v ( 靠西内斯 克) 旋涡理论的涡粘性模型 b o u s s i n e s q 于18 8 7 年提出了湍流粘性系数的概念2 2 ，即将雷诺应力写成如 f 形j l = ： 9 大津人学硕十学位论文第一章文献综述 式中： ut yt 一 湍流粘性系数，p a s 涡动粘度，m 2 s ( 1 4 ) b o u s s i n e s q 认为流体微团作湍流脉动引起的动量交换机理可以与气体分子 运动引起的粘性应力相类比，所以ut 与yt 可以看作一常数。事实上，yt 代表 湍动的特性，显然和流动情况及边界条件有关。流动状况不同，就会有不同的 y ，值，一般不能看作常数。但模型简单，提出后应用不少，解决一般简单问题 时起一定作用。 2 、目前工程中得到广泛应用的是t r 双方程模型，这类模型在湍动能方程 外又增加了一个确定湍动特征长度，的偏微分方程，这样在时均方程外有二个偏 微分方程。这两个方程可能是湍动能景k 和特征长度，的方程，也可以是k 和湍 动能量耗损率r 的方程。 经过对湍流运动引用了k f 方程后，湍流运动微分方程组得以封闭，配合 实验确定的各项参数可以求解。但是，k r 双方程湍流模型对旋转气流( 无论是 强旋转或弱旋转气流) 的模拟却不成功，所得到的计算值和实验值符合的不好， 特别是在回流区的大小差异较大，其原因在于旋转气流中湍流并非各向同性。 如上简单介绍了描述流体湍流运动的基本微分方程组，这些方程构成一个 耦合的非线性系统。随着计算机的发展和应用，数值计算成为求解非线性系统 强有力的方法。 旋流器的流场大致可分为三个区域：导流锥环状区域；分离区域；底部出 h 区域。在应用阶段，由于对旋流器出口部分的流场分布缺少了解，加之国内 外相关资料很少，因此对除尘过程中出现的气液夹带、返混、效率下降等现象 4 i 能作出合理的解释，从而影响了设备的优化和改进。本实验的主要目的就是 在出口结构已知的情况下，通过五孔探针测定其气态流场，描绘出口区域的速 度及压力分布，从而为旋流器的优化和改进提供一定的理论指导。 0 叱瓦 + 彤一 ，。l 所 一一 _ _ 丝p 一 一 天津人学硕士学位论文第二章理论分析 第二章旋流器流场的理论分析 2 1 分析方法的确定及其基本控制方程组 旋风分罔器内流场还动是非常夏朵阴= 维旋转犄流运动，对兵迸仃埋论的分 析，一般有两种方法。一种方法为先假设湍流模型，然后用计算流体力学的方法 来求解雷诺方程12 6 1 ；另一种方法则是依据实验结果简化雷诺方程，总结出半经 验、半理论的近似解析式或纯经验公式吨7 1 i2 s l , 本文采用了从雷诺方程出发，假 设涡动粘度yt 为空间常标量，用平均速度场的模式来简化雷诺应力的方法，以 期望根据我们的实验结果，对整个流场作出近似的分析。 针对旋风分离器流场的特点，对于定常、不可压缩流体，湍流运动的基本方 程包括连续方程和雷诺方程，在柱坐标的前提下其方程为： ( 1 ) 连续性方程： 掣+ 三里+ 婴+ 兰：0 ( 2 _ 1 ) 毋r0 t良r ( 2 ) 动量方程( 雷诺方程) ： v , a 凹v - + 等等+ 以警一孚= f 一古警+ y ( _ 一7 z r 一吾鲁 + 昙( _ 万) + 鲁( _ 万) + 丢( - 万) 一孚亏v t , 2 z ， r ea v + 等盟+ _ 警+ 盟= 只一三竺+ ，f k 一笋一一2a gior o tr p o tro t + 旦o rc - 万)，出 l r 2 、， + 吾昙( - 再) + 昙( _ 焉) 一_ 2 v r v t c2 - 3 ， + i 瓦卜v ，_ j + 瓦卜_ ”：j - _ ( 一掣o r + 兰r 掣o t + t 警= c 一去警+ 皿k + 导o r ( - 万) + ! r 拿o t ( - 万)出口应 7、 一昙( - 焉卜竖 ( 2 4 ) 其中= 导+ 昙+ 筹+ 萨0 2 为拉普拉斯算子。 式中：f p 一 单位质量的体力，n ( p = r ，z ) ； 咋一 流体的时均速度，m s ( p = ，t ，z ) ； 天津大学硕士学位论文第二章理论分析 v p 流体的脉动速厦，m s ( p 2 r ，f ，z ) ； p 流体的密度，k g m 3 ； y流体的运动粘度，n 1 2 s ； p 流体的时均静压力，p a 从上述最简单的不可压缩流体湍流的连续性方程和雷诺方程中可知：这里未 知数共有十个，但方程只有四个，因此方程组是不封闭的。如果不建立脉动速度 与平均速度之间的联系。雷诺方程将很难应用于实际问题。目前比较实用的方法 是对某些相关量提出一些半经验的假设，来使湍流运动方程组封闭，然后利用初 始条件或边界条件来求解方程式。 采用平均速度场模式处理上述方程中的雷诺应力项，即运用b o u s s i n e s q ( 布 西内斯克) 于1 8 8 7 年提出了湍流粘性系数的概念，将雷诺应力写成如下形式： 一p 两嘴隆等 沼s ， 叩叫i 菇+ ij - 5 ) 式中：ut 一湍流粘性系数，p a s ； yt 一 湍流运动粘性系数即涡动粘度，：丝，m 2 s p i ，广一坐标向量，( i 、j = r ，z ，t ) 在实际应用中，常常采用l - tt 的公式而使方程组封闭，对涡动粘度yt 则根 据不同的具体问题而由实验确定。根据平均速度场模式的假设，认为局部的湍流 应力与平均速度梯度成正比，即将公式2 - 5 以涡动粘度表达为： 一再哳隆等 s ， 在杜坐标情况下，雷诺应力可写成如下形式： 一万 z 警一詈( 警+ 吾鲁+ 等+ 孚 一再硝1o 西r , - + 纠一詈( 警+ 7 百o r , + 警十等) 一万 z 等一号( 警+ 吾等+ 警+ 孚 一万降+ r 昙( 剀 叫，v ：r i _ 盲 瓦【寸j i 天津大学硕士学位论文第二章理论分析 一万：h l 丝+ 丝l “r 叱叫，i 彳+ i l 丽嘞陌孙爿 2 2 旋流器流场的简化假设 从旋风分离器流场的测定实验可知，除了径向速度v ，轴对称性较差以外， 切向速度v 。、轴向速度v ：和静压p 具有较好的轴对称性。为便于理论分析，可 以对旋风分离器流场做以下简化假设： ( 1 ) 分离器流场为轴对称性流场。 ( 2 ) 由于入口气流雷诺数r e - e d y ，一般为3 x 1 0 5 。6 x 1 0 1 ，流场为湍 流状态，雷诺应力远大于粘性应力，即涡动粘度yt y ，于是可略去上述 方程中的各个粘性应力项。 ( 3 ) 气流为不可压缩。 ( 4 ) 定常流场。 ( 5 ) 在强旋转场中，可以忽略重力等体力的影响。 ( 6 ) 由实验分析可知，切向速度、径向速度以及静压随z 轴的变化与随r 轴 的变化相比，可忽略不计。即除a n o z 外，其余变量a ，出可以忽略。 ( 7 ) 涡动粘度yt 为空间常标量。 于是湍流运动基本方程组可简化为： ( 1 ) 连续性方程： 警+ 三昙( r 一) ：0 ( 2 _ 7 ) ( 2 ) 动量方程： 擎o r 一孚j p 娑o r + 矧o rz ，孚d r ) 一知一 s ， ， 、，。 孚导o _ ) = 导h 警一等) + 盈rf 盟o r 一孚) c z 引 以尝+ 咋警= 吾导h 警) cz 邶， 天津火学硕士学位论文第二章理论分析 2 3 方程组的简化数值计算 2 3 1 方程组的无量纲化 本次实验过程中，通过五孔探针对旋流器流场的测定，可以看出径向速度在 0 0 5 m s 之间波动，在靠近出口芯管及旋流器内壁的局部区域内有个别速度较 大，不影响截面的整体分布，于是在对实验结果进行分析时，我们假定yt 为空 间常标量，并在已知的径向速度分布下，依据测定结果对这一假设进行了论证。 实验结果表明：在径向速度数量级较小的情况下，除了近壁的局部区域外，yt 沿径向变化很小，几乎是不变的，所以无论在横向或纵向的截面内都可近似的认 为只有一个主要的切应力，于是简化假设yt 为空间常标量是可行的。 选取三相旋流器简体半径r 为特征长度，入1 3 气速度v i 为特征速度，对湍 流简化方程( 2 - 7 ) 一( 2 - 1 0 ) 进行无量纲化处理： p 2 责叩。素掌2 云专专专耻等 此时可将连续性方程及雷诺方程简化为： ( 1 ) 连续性方程： 等+ 生+ 警：o ( 2 - 1 1 ) ( 2 ) 雷诺方程： _ 鲁一竖= 一万1 0 p + i 1 瓦ob r l 两。忉, ) ( 2 - 1 2 ) r o r r 4 a ，7p 。a ，7 l ，7a 吁、1 1 筹+ 等= 击降弓筹纠( 2 - 1 3 ) 等+ 警r e i l 堕0 r 2 + 吉等+ 警i c z 州， 对连续性方程( 2 - 1 1 ) 积分有： 铲j ( 等+ 铷砒，( 2 - 1 5 ) 其中：f ( n ) 为待定函数。 由于径向速度的数量级比较小，又很难测准，所以只能根据实测的整体趋势， 在量级范围内保证一定精度来简化径向速度v 的表达式，有了v 。，就可以求解 4 天津火学硕士学位论文第二章理论分析 上面公式。参考有关文献o 1 2 1 ，对v 。的假设按线性分布给出。即： 圪= a t + b ( 2 - 1 6 ) 将方程( 2 - 1 6 ) 代入方程( 2 - 1 5 ) 中有轴向速度分布： = - - ( ，2 a + 钟+ ，白) ( 2 - 1 7 ) 将( 2 - 1 7 ) 式代入轴向动量方程( 2 - 1 4 ) 式，有： 厶0 7 譬+ l 2 0 ) = 0 其中： 拍) = ( 口，7 + 6 ) 手+ 卜b 24 而b ( 2 - 1 8 ) 上：白) 一亡 厂白) + b 一( 口叩+ 6 玩p 白) + 足 z 口+ 号 ，b ) c z m ， 因为1 、e 、e2 是线性无关基底，故上式成立的充分必要条件为： 厶( 7 ) - - 0厶( 叩) = 0 由厶0 ) = o 可得： ，= 一k r l ( 口叩+ 。b + ( z 口+ 号) 2 詈 c z z 。， 将公式( 2 1 6 ) 代入公式( 2 1 3 ) 中得到无量纲化切向动量方程： 可0 2 r o + ( 吉蝴1 ) 盟0 7 寺+ 竿卜 z ， 方程( 2 - 2 1 ) 为二阶常微分方程，由于旋流器流场呈现轴对称性，根据假设( 6 ) ， 切向速度在整个环状区域将只为径向位置t i 的函数。所以方程可以为： 。+ p b ) + q ( 7 ) l i e = ，白) 其中： 荆寺u删0 砉+ 等 蝴= 。 无量纲切向速度的边界条件由实验实测数据给出。 2 3 2 求解无量纲方程的有限差分法 从数学上来说，想用解析方法求解湍流基本方程组是很困难的，随着计算 机发展及应用，数值计算成为求解强有力的方法，为了给出数值解可以采用 三种方法：有限差分法、有限元法和台劳级数展开法。由于有限元法难以确定 复杂流动的边界条件，以及台劳级数展开法在高p e e l e r ( 普克莱) 数时，所作的 差分不能精确的表示流通量，因此目前流体力学中常采用有限差分法n 们13 0 1 。 对于形如下面边值问题的差分法： 大津人学硕士学位论文第二章理论分析 f y + p ( x ) y 。+ g g 涉= ，g )，。 l y ( 口) = 口y ( 6 ) = 、。 方程的差分法求解，就是将解空间和微分算子离散化，组成满足边界条件 的差分方程组，求解此方程组，得到边值问题在节点上函数的近似值。先将解 空间离散成n 个子空间，子空间的长度 = 伯训砌，分点机= 口+ 拍，( k = o ，1 ，2 ， n ) 。对方程中一阶及高阶导数常采用中心差分逼近公式： ( 2 2 3 ) y 。k ) ：如止掣些蒯+ o ( h ：) ( 2 - 2 4 ) 将它们分别代替( 2 - 2 2 ) 式中的节点x i 上的一阶和二阶微商，实现微分算子的 离散化，设p = p ( x o ，肌= g 向土j ，a f f i f ( x o ，则有： 血坦掣协血呼幽y 瓴) + 。蚪 略去o ( h 9 ，用儿近似表示y ( x k ) ，整理后得到关于y k 的线性代数方程组： ( 2 - h p i h + ( 2 2 q 一4 l y i + q + 助砂= 2 h 2 五，k = - i ，2 ，挖1 利用边界条件y 。= a ，y n = p ，将它们分别代入七= 1 和k = n 1 的两个方程中，并 将已知量移到方程的右边，得到关于y i ，y 2 ，i 的方程组。 ( 2 h 2 q 一4 ) y + ( 2 + 细b ：= 2 h 2 石一( 2 - 细k ( 2 一h p 。b 。+ ( 2 2 q 一4 ) ，。+ ( 2 + 忉。h + 。= 2 h ：六( k = 2 ，3 ，h j ) ( 2 2 5 ) ( 2 一印。一，) ) 。一：+ ( 2 2 q 。一。一4 h 。= 2 h 2 ：| 一( 2 + h p ，扮 代入实验确定的边值条件即可将上述方程转化为代数方程组，采用 g a u s s s e i d e l 迭代法求解上述方程组。 6 天津大学硕士学位论文第三章实验设计 3 1 1 实验流程 实验流程如图3 1 所示： 第三章实验设计 3 1 实验流程与装置 l ! c i3 - 1实验装置流程图 f i g 3 - 1 f l o w d i a g r a m o fe x p e r i m e n t a lf a c i l i t y l 一集流器2 一电机3 一螺杆泵4 一转子流量计5 一压力表6 一压力测孔 7 一实验测孔8 一旋流器9 一水箱l o 一底部涮孔1 1 一风机1 2 一消声器 实验采用吸风负压操作，集流器入口处设置挡板控制入口气速，空气由引风 机引入，经引风管道、旋流器入口叶轮产生旋转进入旋流器主体分离空间。( 除 尘后) 空气由旋流器轴向出口芯管经引风机、消声器排出。 大津人学硕士学位论文第三章实验设计 3 1 2 实验装置 三相旋流器结构如图3 - 2 所示 _ _ 一爿_ - r a 了一、 1从 h i 一l 。 一lj - d 田 一 d l 1 刊 uu 山一- 、| 渣圈相j u 气相出口 口 图3 - 2 三相旋风分离器结构图 f i g 3 - 2s t r u c t u r ed i a g r a mo ft h r e e - p h a s ec y c l o n e r 广外筒内半径b 一叶片山口角r l 一导流芯棒半径l 一导流芯棒的长度 h 一分离室高度d 一外筒内径d 。一捧气管直径a 一捧气管插入深度 旋流器主体模型( 见图3 - 2 ) 由玻璃钢制成，基本结构尺寸为直径d = 中 6 0 0 m m 、底部芯管直径d e = 巾3 0 0 m m 、高度a = 4 5 0 m m ，叶片出口角b = 3 0 。、分 离室高度h = 2 9 5 0 m m 、导流芯棒半径r t = l 5 0 r a m 。 3 2 实验方案的确定 天津大学研究生蔡文彬主要对直筒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3 。设计了公称直径为1 8 0 m 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。通过实 验得到一个较好的模型，即：h d = 4 、b = 3 0 。该模型气体处理量大，阻力系 数较低，除尘效率可满足系统分离要求。 研究生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t 3 2 1 。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 5 m s 6 0 m s ，并指出：随截面气速的增大，三相旋流器的分 离效率降低。 天津大学硕士学位论文第三章实验设计 本实验在前人研究基础上，并参考旋流器工业实践的运行规律，设计并制造 安装了l ：l 的玻璃钢模型，具体尺寸参考图3 - 2 。在该结构尺寸下，旋流器具 有较高的分离效率及较低的压力损失。在入口气速分别为55 m s 、6 0 m s 时针对 旋流器出口区域的三个测量平面用五孔球探针测定其速度及压力分布。 模型出口区域简图见图3 3 ，共布置了3 个测量截面，截面间距为1 5 0 m m ， 每个截面在0 0 、9 0 0 、18 0 0 、2 7 0 0 四个方位上均开有测孔。在每个平面上，径向 上以出口芯管外壁为环状区域径向位置的起点，此时r = 1 5 0 m m ，每个测点间距 设计为r = 3 0 m m ，最外壁测点距器壁为2 0 3 0 m m 。其中坐标系原点的选取以及 方向的确定见图3 3 。 1 5 0 m 1 s d _ 1 5 0 1 i 函= |m = 3 l z = j 2 寮 jl ! = = l i 0 幽3 - 3 三相旋风分离器出口区域结构图 f i g 3 - 3 s t r u c t u r ed i a g r a mo f t h r e e - p h a s ec y c l o n eo u t l e t 3 3 实验原理 3 3 1 气体流量、气速的测定与计算 为了准确的确定气体流量以及入口气速，本实验在旋流器的管路进口设置了 锥形集流器。其结构与尺寸如图3 - 4 所示。 本实验装置的进气流量采用下式计算 3 5 1 q：66643a6d一2 ( 3 1 ) p i 式中：q 一 流量，m 3 m i n ； a 。一集流器流量系数； 。一集流器膨胀系数，对于锥形集流器取a 。e 。= 0 9 6 ； p 。一环境大气密度，k g m 3 ； 1 9 鲞鲨叁堂堡主堂垡笙塞 蔓三兰壅墼堡盐 一 p 。一进口空气密度，k g m 3 ： d 。一集流器公称直径，d n 2 巾3 0 0 m m ： a p 。一压差，p a ( 取绝对值) 图3 4 锥形集流器 f i g 3 4 s t r u c t u r ed i a g r a mo ff l o wc o l l e c t o r 当入口压力( 5 0 0 p a 时，pi * p ，这时： p o = p o r ( 2 7 3 + ，。) ( 3 - 2 ) 式中：p a 一大气压。1 0 1 3 3 k p a ： r 一空气常数，2 8 8 5 j k g k ( 大气温度不超过4 0 。c 均适用) ； t a 一进口空气温度，。c 。 在实验标定温度t 。= 2 8 2 。c 的情况下， =101330po 2 8 8 5 ( 2 7 3 + 2 8 2 ) = 1 1 6 3 8 k g ，m 3= = l l o j 6k g ，l i i 在气体流量一定的情况下，集流器风筒与旋流器主体空间内的气流速度是成 比例关系的，有如下对应关系： 町驯町墨j 告= 妾= 筹j 圪= ， 式中：s i 一旋流器主体空间截面积，m 2 ： s 。一集流器截面积，m 2 ； v 。一集流器进气风筒速度，m s i 天津人学硕士学位论文第三章实验设计 联合公式( 3 - 1 ) 至( 3 - 3 ) ，并代入相关参数有： 必- ( 意卜 。， 在指定气速和指定温度下，a p 。是一个定值。可将导流筒上静压测