（材料学专业论文）旋风预热器单体的数值模拟.pdf

西安建筑科技大学硕士论文 旋风预热器单体的数值模拟 专业：材料学 硕士生：陈钰 指导教师：徐德龙教授 陈延信讲师 捅要 本文借助流体力学计算软件，对新型干法水泥生产线上普遍采用的五边形入 口、三心大蜗壳式旋风预热器，模拟计算了其内部的气固两相流动行为。针对该类 型旋风预热器本身非轴对称性、内部流场为三维强旋流的特点，在结构建模时，采 用非结构化四面体网格离散计算域；在计算模型的选择上，对连续相采用雷诺应力 输运模型，对离散相采用颗粒随机轨道模型。 通过试验数据与计算结果的对比，验证了模拟方法的可靠性。在此基础上，为 使模拟结果更能反映实际规律，直接采用了工业设备的实际尺寸进行物理建模。通 过模拟，比较了不同操作参数与结构参数条件下旋风预热器的主要性能，提出了优 化建议。 模拟计算结果表明：五边形入口、三心大蜗壳式旋风预热器内的流场呈显著的 非轴对称结构，这是造成压力场、速度场分布中心与预热器的几何轴线偏离，呈螺 旋摆动分布的主要原因。模拟结果还显示，这种结构的旋风预热器与其他领域应用 的旋风分离器相比，其突出优点是入口处的流体碰撞、挤压效应明显减弱，这改善 了旋风预热器的性能。 通过分析不同操作参数和结构参数下的模拟结果，得出以下结论：随着入口 风速的增加，对于同一个旋风筒，内筒以下，轴线附近的静压力自底部向上逐渐减 小，而边壁处的静压力自入风口向下逐渐减小；内筒插入深度增加到一定值后， 环形空间的压力场相对稳定，但内筒入口附近的压力梯度也随之增加，这会造成局 部压力损失的增加；当颗粒粒径大于1 0 0 1 a m 时，其在筒内的停留时间可能会由于 达到动态平衡而延长；内筒插入深度的增加对大粒径颗粒分离效率的提高贡献是 显著的，但对小颗粒的收集贡献不大，这可能是由于小颗粒团聚所致；随着圆锥 倾角的减小，有利于提高预热器的分离效率。 本研究得到国家8 6 3 攻关项目“三系列高固气比预热预分解技术及设备的开发”的资助 关键词：旋风预热器数值模拟湍流颗粒轨迹两相流 论文类型：理论研究 西安建筑科技大学硕士论文 an u m e r i c a ls i m u l a t i o ni nt h ep r e h e a t i n gc y c l o n e s p e c i a l t y ：m a t e r i a ls c i e n c e n a m e ：c h e ny u i n s t r u c t o r ：p r o f e s s o rx ud e l o n g l e e t u r e rc h e ny a n x i n t w o p h a s e sf l o wi nap r e h e a t i n gc y c l o n ew i t l lp e n t a g o n a li n l e ta n dt h r e ec o r ev o l u t e s t r u c t u r ew a ss i m u l a t e d b yc f d s o f t w a r ei n t h i s p a p e r a g a i n s t f e a t u r eo f n o n a x i s y m m e t r i c a ls t r u c t u r ea n dt h r e e d i m e n s i o ns u o n g l ys w i r l i n gf l o wf i e l do ft h e p r e h e a t i n gc y c l o n e ，c o m p u t a t i o nz o n ew a sd i s c r e t eb yn o n - s t r u c t u rt e l r a h e d r o ng r i di n t h em o d e lb u i l d i n g r e y n o l d ss t r e s sm o d e lw a su s e dt os i m u l a t et u r b u i e n e ef l o w , m e a n w h i l e ，s t o c h a s t i ct r a j e c t o r ym o d e lw a sa d o p t e dt ot r a c kt h et r a j e c t o r yo f p a r t i c l e s t h r o u g hc o m p a r i s o ne x p e r i m e n t a l w i t l ls i m u l a t i o nr e s u l t t h e r e l i a b i l i t y o f n u m e r i c a lm e t h o d w a sv a l i d a t e d b a s e dt h e n ，s o l i dm o d e lw a sb u i l tw i t hi n d u s t r i a ls c a l e e q u i p m e n td i r e c t l yi no r d e rt oo b t a i nm o r ec r e d i t a b l es i m u l a t i o nr e s u l t f r o ms i m u l a t i o n r e s u l t s ，m a i np e r f o r m a n c eo ft h ep r e h e a t i n gc y c l o n eu n d e rd i f f e r e n to p e r a t i o np a r a m e t e s a n ds t r u c t u r ep a r a m e t e r sw a sc o m p a r e da n dg i v e no p t i m u ms u g g e s t s t h er e s u l t so fs i m u l a 垃o ni n d i c a t et h a tt h ef l o wf i e l do fp r e h e a t i n gc y c l o n ew i t l l p e n t a g o n a li n l e ta n dt h r e ec o r ev o l u t es t r u c t u r ep r e s e n t so b v i o u sn o n a x i s y m m e t r i e a l s t r u c t u r e t h i sr e s u l ti nt h ed e v i a t i o no fc e n t e r l i n eo fp r e s s u r ef i e l da n dv e l o c i t yf i e l d f r o ma x i a ll i n eo fp r e h e a t i n gc y c l o n e ，a n dt h ee e n t e r l i n ei ss c r e ws w i n g i n gd i s t r i b u t i o n a n dc o m p a r i n gw i t hc y c l o n ei no t h e rd o m a i n t h ep r e h e a t i n gc y c l o n ew i t l lp e n t a g o n a l i n l e ta n dt h r e ec o r ev o l u t es t r u c t u r er e d u c et h ee f f e c t so ff l u i dc o l l i s i o na n dc o m p r e s s e a c ho t h e rs i g n i f i c a n t l yn e a rt h ei n l e t t h ep e r f o r m a n c eo ft h ep r e h e a t i n gc y c l o n ec a n i m p r o v ec o m p a r ew i t l lc o m m o nc y c l o n ew h i c h u s e di no t h e rd o m a i n b ya n a l y z i n gs i m u l a t i o nr e s u l t su n d e rd i f f e r e n to p e r a t i o np a r a m e t e r sa n ds t r u c t u r e p a r a m e t e r s ，c o n c l u s i o n sc a nb ed r a wa sf o l l o w s ：a si n l e tv e l o c i t yi n c r e a s e ，t h es t a t i c p r e s s u r en e a ra x i a ll i n ew i l lr e d u c eg r a d u a l l yf r o mb o r o m t ot h ei n l e to fi n n e rt u b eo f c y c l o n e ；w h e ut h el e n g t ho fi n n e rt u b er e a c h e s av a l u e ，t h ep r e s s u r ef i e l dw i l lk e e p s t a b l er e l a t i v e l y b u tt h ep r e s s u r eg r a d i e n to fa n n u l a rc h a m b e rn e a rt h ei n l e to fi n n e rt u b e w i l li n c r e a s ea st h el e n g t hr a i s e ，t h i sg i v et h er e a s o nt h a tt h el o c a lp r e s s u r ed r o pw i l l 西安建筑科技大学硕士论文 i n c r e a s ew i t ht h el e n g t ho fi n n e rt u b e w h e nt h ep a r t i c l ed i a m e t e ri sg r e a t e rt h a n1 0 0 g r n ，t h ef o r c ea c t i v e do nt h ep a r t i c l er e a c h e st h es t a t eo fd y n a m i c a lb a l a n c e ，t h e nt h e p a r t i c l er e t e n t i o nt i m ew i l lp r o l o n g t h er a i s eo f t h el e n g t ho fi n n e rt u b ec a r li m p r o v e c o l l e c t i o ne f f i c i e n c yf o rg r e a t e rp a r t i c a ls i z eo b v i o u s l y , b u ti ta f f e o sf i n ep a r t i c l es c a r c e l y t h ec o n g l o b a t i o no ff i n ep a r t i c l ee x p l a i nt h i sp h e n o m e n o n a si n c l i n a t i o na n g l eo f c o n er e d u c e ，c o l l e c t i o ne f f i c i e n c yw i l li m p r o v e d k e yw o r d s ：p r e h e a t i n gc y c l o n e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nt u r b u l e n c e t r a j e c t o r yo f p a r t i c l e s t w op h a s e sf l o w t h e t y p eo f t h e s i s ：t h e o r yr e s e a r c h 西安建筑科技大学硕士论文 主要符号表 离散方程系数 入口高度 入口宽度 阻力系数 内简直径、颗粒直径 切割粒径 临界直径 排料口直径 筒体直径 偏心距 入风口段边宽 附加质量力 b a s s e t 力 颗粒间、颗粒与壁面的摩擦力 曳力 颗粒所受重力 m a g n u s 力 锥体高度 总高 湍动能 湍能耗散 入口当量直径 内筒插入深度 质量 漩涡指数 压力 内筒半径 颗粒雷诺数 m m n m 、 詹心 m 岬岬m m m m n n n n n n m m 以矗 m m k v口。d如盔d。厂e b b r尼巧胁h七f岛脚冲p ， 西安建筑科技大学硕士论文 l ，j g p e f t e 量 锥体倾角 源项 源项s 的常数部分 源项s 的斜率，s 。s0 切向速度，速度 流体平均速度 径向速度，速度 入口速度 轴向速度 轴向坐标 生存期 任一输运量 密度 扩散系数 狄利克尔因子 服从标准g a u s s i a n 分布的随机数 动力粘性系数 上标： 时间平均 脉动 矢量 下标： x 、y 、z 方向 气相 颗粒相 等效 湍能耗散 湍动能 v 帆 眺 觚 慨 眺 m 。 p s 墨一” u w v z f 妒 p r 万f 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个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，也不包含本人或其他人在其它单位 已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所傲的 所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担切相关责任。 论文作者签名：骢犀易 日期：伽乒占，j 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，邵：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查n t n 借阅；学校可以公布论文的 全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 沦文作者签名：堵、橱 导师签名：傅酬毫日期：觇川叫 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士论文 1绪论 1 1 引言 旋风预热器是目前工业生产中应用极为广泛的一种气固换热分离设备。在能 源、环保、化工、冶金、建筑、采矿等许多领域，旋风预热器被用于粉料换热后的 分离、除尘或净化过程，在高固气比悬浮预热预分解系统【lj 中旋风预热器起着关键 的作用。经过近一百年的工业应用，旋风预热器的结构不断优化，切割粒径不断减 小，相同条件下，处理单位风量的能量损耗不断降低。在以悬浮预热预分解技术为 核心的新型干法水泥生产工艺中，旋风预热器的性能显得尤为重要，因为这种工艺 往往要求5 6 级旋风预热器的串联，对大规模工业条件，每个预热器的直径都在 数米以上，由此带来了预热器系统的框架很高，一次性投资以及运行费用都变得很 大。虽然预热器设备结构本身不很复杂，但影响参数很多，即便是在今天，预热器 的设计都基本上是依据经验方法结合部分试验进行的。 虽然已有很多研究者进行了旋风器性能的科学实验和理论研究，但是大部分的 研究都集中在除尘器和分离器，因此，需要进一步对悬浮预热系统的旋风筒单体的 性能及结构尺寸进行研究和探讨，无论是对水泥工业还是其他领域的发展都将有重 要的指导意义。计算流体力学的发展，使利用数值模拟方法，直观地研究旋风预热 器内的流场分布成为可能。通过模拟不同操作参数、结构参数对旋风预热器性能的 影响必将更方便地指导旋风预热器的设计和使用。 1 2 课题的由来及意义 随着水泥工业生产工艺的不断发展，新型干法水泥生产技术已经成为水泥熟料 煅烧的主流技术，这项技术的显著特点是物料与气体之间的换热和传质在悬浮态下 进行。在新型干法水泥生产技术中，性能理想的悬浮预热器具有使气固两相高度分 散、充分换热和高效分离等功能。作为其基本单元的旋风筒，要提高其分离效率、 改进结构和优化尺寸，必须深入地研究其内部湍流流场及固体颗粒的浓度分布规 律。作为构成悬浮预热系统总体框架的单体，在充分考虑高效低阻的前提下，优化 旋风预热器单体尺寸，为悬浮预热系统整体尺寸的优化设计提供了参考。 虽然近几十年来，人们己经发展了多种气一固两相流测量方法来研究分离器内 部的流场结构、压降和分离效率，但往往由于测量手段对流场的影响、先进测量仪 器的昂贵造价及自身缺陷等诸多原因，测量手段不能直观地分析和探索预热器内部 流场和分离效率。而数值模拟这种运用计算流体力学理论、发展数学模型并加以模 拟的方法由于只需计算机，具有周期短、见效快、费用低、信息量大、实用性强、 西安建筑科技大学硕士论文 能够充分反映分离器几何结构和操作条件对内部流场和分离效率的影响的优点，成 为旋风分离器研究切实可行的手段。 因此，利用数值模拟手段来模拟研究旋风预热单体在操作参数和结构参数不同 曰寸对内部流场、分离效率的影响，不但为单体和预热系统的尺寸设计提供了建设住 优化意见，它与试验数据的互补更为进行工业尺寸规模的试验和工程实践起到了预 测指导意义。 1 3 课题研究的目的及内容 本课题的研究目的，是在以粉体工程研究所关于旋风分离器气固两相运动数值 仿真的基础上，再次运用数值模拟的方法，研究在水泥悬浮预热预分解生产线较有 代表性的五边形入口、三心大蜗壳式旋风预热器内部的流场分布规律和气体一颗粒 分离特性，为此，主要展开以下方面的研究工作： 1 针对实验尺寸的旋风分离器内的流场进行三维数值模拟，考察实体建模和 网格生成方式，湍流模型的选择，以及计算方法的设定等，验证数值方法可靠性。 并模拟比较常温条件下五边形入口的蜗壳式旋风器与矩形入口的旋风分离器流场 及性能上的不同； 2 对i 级和i 级旋风预热器以工业尺寸建模，模拟研究i 级旋风预热单体在 操作参数和结构参数不同时对内部气相流场的影响；模拟研究级旋风预热器在不 同角度的斜锥情况下气相流场分布变化； 3 考虑气固两相的双向耦合作用，对旋风预热器内的气相流动和颗粒相轨迹 进行模拟计算和分析，通过对计算结果的分析与讨论，迸一步揭示旋风预热器内的 流体流动规律与气固分离特性； 4 最后，综合分析模拟结果，得出关于旋风预热器结构尺寸的优化设计方案。 西安建筑科技大学硕士论文 2 旋风预热器数值模拟方法综述 2 1 旋风预热器的工作机理 在提升管段瞬间换热后的含尘气流进入旋风预 热器后，被迫在外筒壁与内筒之间的同心圆环柱体 内作旋转运动，在旋转运动的同时。向下运动，由 简体到达下部锥体，气流在收缩空间内一直可伸展 到锥体的端部。下旋气流本身具有的粘滞性，带动 着内筒下面的圆柱形气柱逐步发展成为类似刚体一 样旋转。由于下部锥体分离空间的收缩，下旋气流 到达锥体底部不能继续下旋时，就折转方向，随着 内筒下面旋转着的气柱上升，从出口排离旋风器。 在气流的旋转运动过程中，粉尘颗粒受离心力作用 沉降于筒壁，从排料口排出。可以看出，旋风预热 器的预热主要在提升管内完成，简体部分主要起着 料、气分离的作用。一般认为，旋风器内的流场为 “双旋涡”结构，即轴向向下运动的外旋涡和向上 运动的内旋涡。 2 2 旋风预热器内部流场分析 图2 1 旋风预热器工作原理示意图 结构形式不同的旋风预热器，其内部流场分布不同。在特林登( t e r l i n d e n ) 首 次对旋风器内的流场进行系统测定以后，很多学者【2 】在其基础上作了深入系统的测 定。 旋风预热器内的流场是一个三维流场，在柱坐标系下，速度矢量“的三个分量 分别为：切向分速“，轴向分速v 与径向分速w 。由于是旋转运动，半径相同的圆 周切向分速的数值基本上是一致的。各个学者所得到的测定值可归纳为如图2 2 所 示。比较典型的是圆周切向分速甜，各种不同结构形式的旋风器基本上均符合图示 的“分布口l 。径向分速w 则按不同的结构形式有很大不同【4 1 ，图示轴向分速v 在径向 的分布是在芯管底端附近的情况。根据对流场的了解，对粉尘颗粒被捕集分离起主 导作用的流速分量是切向流速“和径向流速w 。前者产生径向加速度“2 ，使粉尘 颗粒在半径方向有由里向外的离心沉降速度，把粉尘颗粒推到筒壁而被分离；后 者是把粉尘颗粒在半径方向由外向内推到中心部涡核而随上升气流从排气管逃逸。 3 西安建筑科技大学硕士论文 这是旋风器内流场中诸流速分量中的一对主要矛盾，因而可以称为主流。至于轴向 分速v 和径向分速w 也构成另一对矛盾，被称为次流( 亦称二次流) ，且已经确认所 有次级流动基本上都不利于粒子的分离过程。下面将针对主流与次级流作详细阐 述。 翦 霭 j 赳 产 ，w 、 ， 厂， r s m 模型 雷诺应力模型抛弃了涡粘性系数的概念，直接求解应力输运方程。 蛔o t + 挈却一白 ( 2 1 0 ) 式中：应力扩散项q = 毒i 箦箪a x 蔓k + 】 ( 2 ) 。i 吒j 剪应力产生项弓叫i - - - - r - v - 瓦o u j + 丽差 ( 2 1 2 ) 压力应变项岛= 一( c l 胪+ q p ) + c 2 胪( 缸；k 毛i + ( q q 西) p 七 + c 4 础f 奴甄+ b j k s , 。一詈岛1 + g 肚陬+ 啄q ) (213)bjks,。 + c 4 础【奴甄+一亏岛j + g 肚( k + 啄q ) ( 2 耗散项 铲卢( 等 ( 2 1 4 ) 耗散过程主要发生在小尺度涡区。较长时间以来人们一直认为在高雷诺数下， 小尺度涡团结构趋于各向同性，因而可以忽略各向异性的耗散，即认为湍流的切应 力耗散趋于零，而粘性作用只引起湍流正应力，即湍能的耗散这样耗散张量白就 可以化为标量形式，即： s u2 j p s 6 目 其中办采用的是二次压力一张力模型p 习 9 ( 2 1 5 ) 西安建筑科技大学硕士论文 悌潞嘶雠蚤铲 攀 毛为平均粹西= 玎等+ 考 乌为平均张量旋率：q 常数：c 1 = 3 ，4 ，q = 1 8 ，c 2 数，k = o 4 1 8 7 。 1 2 睁刳l 钙如i l ：4 2 ，c 3 = o 8 ，q = 1 3 ，c 4 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 1 2 5 ，g = 0 , 4 ，k 是k a r m a n 常 r s m 中的k 方程和f 方程如f ”： 掣+ 掣= 毒 ( 卢+ 刳期+ 互l p ，一厣 乃 型+ 掣= 击出。堡k ! 弓- c 2 ；, ) o x j j -一-(220)oto x2 缸，j ” 。 “七 其中，= p c u 了k 2 ，c ，= 。9 ，c l 。= 1 4 4 ，c 2 。= 1 9 2 , 吒= 1 o ，q = o 8 2 。由于 旋风分离器是不对称的三维强旋流场，呈各向异性，所以本文采用r e y n o l d s 应力模 型索懈甫皋风而孰暴的与相流场 2 5 2 对流项的离散格式 控制方程确定后，接下来的步骤是区域和方程的离散。本文采用有限体积法 ( f i n j t ev o l u m em e t h e d ) 即控制体积法( c o n t r o lv o l u m em e t h e d ) 对上述的流场控 制方程进行离散，有关控制容积法的详细介绍可以参考文献【3 l 】。对方程中的各项进 行离散时，虽然扩散项为二阶导数项，但是其处理方法相对简单；非线性的对流项 和和动量方程中的压力梯度项尽管是一阶的，但是它们的处理方法要复杂的多。可 以说，不可压流场的数值求解中的关键问题都是由这两个一阶导数项的离散所引起 的。非线性对流项的处理涉及到，而动量方程中的压力梯度项的处理则关系到压力 与速度之间耦合问题。本节讨论的是对流项的离散格式问题，压力速度耦合问题 将在下一节介绍。 比较常见的对流项离散格式有：一阶迎风格式、混合格式、指数格式、乘方格 式、二阶迎风格式和q u i c k 格式等。前四种属于低阶离散格式，后两种属于高阶 离散格式。 1 一阶迎风格式离散方程的系数永远大于零，因而在任何计算条拌下保持绝 o 西安建筑科技大学硕士论文 对稳定，但是其只具有阶精度的截差，除非采用相当细密的网格，否则计算结果 的误差较大。 2 一阶迎风格式、混合格式等各种低阶格式均会带来假扩散1 3 4 1 造成数值计算 结果的较大n n n ( y n t 3 5 j 给出了计算实例) ，因此近l o 年来，对于低阶格式的应用， 某些国际刊物已提出了限制条件。 3 为了克服迎风差分截差较低的缺点而又能保持它的长处，可以采用二阶迎 风格式p t 。从控制容积法导出的二阶迎风格式具有守恒特性，其准确程度较一阶迎 风格式高，但是仍有一定的假扩散作用。 4 。q u i c k 格式，是“对流项的二次迎风插值”fq u a d r a t i cu p w i n di n t e r p o l a t i o nf o r c o n v e c t i v ek i n e m a t i c s ) 的缩写，其实质是在分段线性插值的基础上引入一个曲率修 正 3 7 1 。对流项的q u i c k 格式具有三阶精度的截差，这种格式具有守恒性，而且能 够减小假扩散误差，因此近年来得到广泛应用。对于旋转和涡流来说，如果使用四 边形或者六面体网格，q u i c k 离散格式会比二阶格式产生更为精确的结果。 2 5 3 压力与速度的耦含问题 动量方程中的压力梯度项的处理是不可压流场数值求解中的关键问题之一。有 关压力梯度项的离散及求解统称为压力与速度的耦合问题( c o u p l i n gb e t w e e n p r e s s u r ea n dv e l o c i t y ) 。该问题主要包括下面两点： 1 采用常规的网格及中心差分来离散压力梯度项时，动量方程的离散形式可 能无法检测出不合理的压力场。 2 压力的一阶导数项以原项的形式出现在动量方程中。采用分离式求解方法 时，由于压力没有独立的方程，需要设计一种专门的方法，以使在迭代求解过程中 的压力值能不断地得到改进。 对于不合理压力场的检测问题，通常的解决方法是采用交叉网格( s t a g g e r i n g 面d ) 。对于假定压力场后的改进方法，目前广为采用的方法就是著名的 s i m p l e ( s e m i i m p l i c i tm e t h o df o rp r e s s u r el i n k e de q u a t i o n s ) 算法，即求解压力耦合方 程的半隐方法，由p a t a n k a r 与s p a l d i n g 在1 9 7 2 年提出。s i m p l e 算法的步骤如下： 1 ) 假设一个压力场； 2 ) 求解动量方程，得出相应的速度： 3 ) 利用质量守恒方程来改进压力场，即求解压力修正值方程，获得修正压力； 4 ) 利用修正压力改迸速度值： 5 ) 以改进后的速度场和压力场作为本层次的解并据此开始下一个层次的迭代，直 至获得收敛解。s i m p l e 算法自1 9 7 2 年问世以后，获得不断的发展，产生了些改 进方案如s i m p l e r ，s i m p l e c ，s i m p l e x 等，对这些的介绍见文献1 3 1 l 。 西安建筑科技大学硕士论文 2 6 颗粒相的数值模拟 2 6 1 单颗粒运动方程 颗粒轨道模型在e u l e r 坐标系中处理连续的流体相，然后在l a g r a n g e 坐标系下 处理单个颗粒相，对大量颗粒轨迹进行统计分析就可以得到整个颗粒群的运动概 貌。单个颗粒的运动方程可以直接从牛顿第二定律得出： d 矿 m p 寻= f o + 瓦+ 昂+ 乓+ + 尼+ 尼 ( 2 2 1 ) 式中，为流体对颗粒的曳力；e 为附加质量力：b 为由于颗粒在流体中加 速或减速运动而产生的力，称为b a s s e t 力；只为由于流场中存在速度梯度而引起 的力，称为s a f f i n a n 力；为由于颗粒在流场中旋转产生的力，称为m a g n u s 力； 最为颗粒之间、颗粒与壁面之间碰撞产生的力；尼为体积力，由重力产生。 尽管作用在颗粒上的力相当复杂，但并不是所有的力都要考虑。在旋风分离器 中，由于气体密度远小于颗粒的密度，可以认为曳力是对颗粒运动起主导作用的， 其他的力如附加质量力、b a s s e t 力等均缀小，可以忽略不计t 3 9 l 。对于球状颗粒，曳 力表达式可以写成如下形式： 巳一卷c o r - 彗- u ( 2 2 2 ) 其中卢为流体相动力学粘度，咋和u 分别为颗粒相和流体相的速度，r 8 ，为颗 粒雷诺数，r e 。：兰捌，c o 为曳力系数，通过下式确定 粒雷诺数， 。= 型二， 为曳力系数，通过下式确定 t c d = 竺 r e 。1 r e o 24(1+01。5r0697)l 控制方程组的离散 在计算中采用控制容积积分法来离散控制方程，流体是在不可压的稳态情况下 计算的。在直角坐标系下，湍流气相流控制方程的通用形式如下： 毒( 艘妒) = 丢卜簧j + s c s t ， 因此在全隐式时间积分方案下对流一扩散问题的离散方程为： a ，砟= a 。唬。+ b ( 3 2 ) 其中： b 2 品y( 3 3 ) = + 一墨矿 ( 3 4 ) s = 品+ 昂办( 3 5 ) 在控制方程离散化的过程中，源项的处理方式通常是把源项局部线性化。即假 定在微小的变化范围内，源项可以表示成未知量的线性函数。于是在控制容积内， 它可以表示为：s = s o + 品办( 3 6 ) 其中，为常数部分，s p 是s 随办变化的曲线在p 点的斜率。为了保证代数方程 迭代求解的收敛，要求s 0 。离散方程中各项系数根据离散格式的不同其表达式 不同，具体可参见文献p 3 1 。 3 ，2 2 实验模型尺寸与网格划分 本章模拟的实验模型具体尺寸见表3 1 ： 表3 1 旋风预热单体模拟尺寸( d = 3 3 0 m m ) 具体形状见图3 1 ，划分的网格数约为7 万，建模时坐标原点取在涡壳底部与 下部柱体的交接面的圆心处。在划分网格时，将入1 3 、上部筒体、渐进蜗壳部分、 下部筒体、锥体、内筒分别生成网格，其中入口部分又分为5 个区域进行网格划分。 西安建筑科技大学硕士论文 由于模拟对象为五边形蜗壳式入口的旋风预热器，所以渐进的蜗壳部分使六面体网 格划分难以实现，因此本文在蜗壳部分采用了四面体的网格划分策略。 同时，在划分网格时合理的安排了网格的疏密，保证了流动变化强烈的区域( 例 如在蜗壳和内筒入口部分速度梯度较大的区域) 有足够的计算网格，而在流动变化 平坦的区域适量的减少了网格数量。这样可以既保证计算的精度又可以缩短计算的 周期。 柩爿 圈3 1 旋风坝热早俘儿侧尺寸与p q 穑划分 计算时采用的边界条件如下： 1 入口边界：给定沿入口截面法向的时均速率，分别为1 6 m s 、1 9 m s 和2 2 m s ， 入口处的湍流参数给定为：湍动能：= 吾，2 咯。式中，为入口湍流强度， 取5 ：。为入口速度；湍动能耗散率= c ，3 1 4 。k 。3 7 2 i ，常数c ，= 。0 9 ，特征长度 取入口当量直径，仁o 1 3 2 m ；雷诺应力：。u t b l j = 3 2 k ( j 可时) ，画= o ( j j 时) 。 2 出口边界：出口处湍流已充分发展，所有变量在出口截面法向方向上梯度为0 ， 即型：0 。 d n 3 同壁边界：壁面为最滑穆边界条件，湍流采用壁而甬辑法。 西安建筑科技大学硕士论文 3 2 3 计算结果的验证 本文以数值计算的压降值和试验测得的压降值进行了比较验证，结果见图3 2 ， 经过分析比较，数值计算的压降值与试验所测得的压降吻和较好，计算值与试验值 之间的误差在8 以内，由此可以相信，模拟预报值是可信的。 图3 2 旋风预热器压降随入口风速变化 3 2 4 流场的比较 为了分析五边形入1 ：3 、三心大蜗壳式旋风预热器的内部流场与矩形入口旋风分 离器内的流场的差异，本文比较分析了五边形入口蜗壳式旋风预热器和文献【4 3 】中矩 形入口旋风分离器内的流场分布。 3 ，2 4 1 速度场的比较 由于切向速度对分离作用起主导作用，所以主要比较了两者在环形空间x y 截 面上的切向速度场。如图3 3 所示： ( a ) 五边形入口x y 截面切向速度( b ) 矩形a t ax y 截面切向速度 图3 3 环形空间x y 截面切向速度等值线图 1 9 西安建筑科技大学硕士论文 从图中可以看出，五边形入口结构使气体速度在刚进入筒体时不会迅速倍增， 而是随着蜗壳的突阔和收缩，逐渐旋转加速，并没有图( b ) 中所指出的加速面a 和 乱流面b 。因此在蜗壳空间内，入口气流与在环形空间转了一圈的部分气流在此处 的动量交换要明显小于矩形入口时的情况，大大减小了入口气流直接从内筒溢出的 可能性。所以，五边形入口的蜗壳式结构相对于矩形入口结构将会提高分离效率。 3 2 4 2 次级流场的比较 图3 4 是不同入口形状的次级流动比较图。从图中可以直观的看出，由于五边 形蜗壳斜面的引导作用，气体进入口就沿斜面逐渐流入，又因为蜗壳的渐进使切 向速度逐渐增加，从而使得蜗壳区域内和环形空间内的速度梯度不会太大，发生短 路流的区域和纵向涡流的区域较矩形入口情况时的要减小许多。所以五边形入口结 构下的内筒入口附近次级流动相对较弱，即湍流脉动对内筒入口附近流场的影响较 小。因此可以得出，五边形蜗壳式入口旋风预热器的流场分布要好于矩形入口情况 下的流场。颗粒在五边形蜗壳式入口旋风预热器这种流场分布中，由于次级流动而 降低分离效率的影响因素会降低很多。 如图所示，位于下部锥体空间内的二次流动分布也不尽相同。对于五边形入口 的蜗壳式预热器来说，下部锥体空间内的二次流动区域具有对称性，而矩形入口结 构内的二次流动对称性较差。并且，五边形入口结构旋风器内的主、次流分别比较 明显，矩形入口结构旋风器内上行流流线摆动比较剧烈。这些现象都有可能是五边 形入口、三心大蜗壳结构的渐进缓解了入口气流与环形空间的旋转气流的碰撞而导 、二7 致的。 图中所示a 、b 、c 的具体含义如下： a 、短路流 短路流是由于旋风分离器的顶盖和 内筒的外表面对旋转流动的阻力以及从 周边到中心的静压梯度，使壁表面边界 层中的流体向中心流动并沿内筒外表面 下降至内筒入口而造成的。 b 、纵向旋涡流 不合理的设计使内筒入口附近的径 向速度比下部高得多，从而造成一个“低 效区”。“低效区”的存在与称为“纵向 旋涡”的次级流动有关。如果内筒中的 有效流通截面远小于内筒端面以下的有 效流通截面，就会在内筒入口处发生节流 ，n b a c 图3 4 不同入口形状的次级流动比较 西安建筑科技大学硕士论文 效应，使一部分气流在内筒入1 3 附近循环，从而使这里的径向流速大大提高。 c 、外层旋涡中的局部涡流 这主要发生在锥体与灰斗将要交接处，这种流动既可能将壁面附近或者已经到 达壁面的粒子甩到内层旋涡，也可能把中心部分较小的粒子甩到壁面附近。 3 3 本章小结 在本章里，对本文将要采用的数学模型进行了模拟验证。通过对实验尺寸模型 的模拟，在与实验数据进行了对比分析后，认为气相场采用雷诺应力模型，对流项 选用二阶迎风离散格式对五边形蜗壳式入1 3 的旋风预热器进行模拟是合适的，并且 计算值与实验值之间误差小于8 ，因此，模拟预报值是可信的。 比较了五边形蜗壳式入口旋风分离器与矩形蜗壳式旋风分离器内环形空间的 切向速度分布，发现在蜗壳空间内，入口气流与在环形空间转了一圈的部分气流在 此处的动量交换要明显小于矩形入口时的情况，大大减小了入口气流直接从内筒溢 出的可能性。所以，五边形入口、三心大蜗壳式结构相对于矩形入1 3 结构将会提高 分离效率。对两者的次级流动也进行了比较，发现五边形入1 3 、三心大蜗壳结构使 得内筒入口附近的次级流动相对较弱，即湍流脉动对流场的影响较小。 西安建筑科技大学硕士论文 4 旋风预热器气相场的三维数值模拟 4 1 引言 在前一章的验证工作结束后，根据在计算模拟中所得的经验，将采用f l u e n t 软件对工业尺寸的五边形、三心大蜗壳式旋风预热器的气相场展开数值模拟。在这 一章里，要模拟计算旋风预热器在不同的操作参数、结构参数下气相流场的分布特 点及变化a 需要提及的是，由上一章的实践经验表明，在采用雷诺应力0 t s 啪模型 时计算量很大并且对网格质量要求也高，所以在计算时，首先用r n gw 模型得到 收敛的流场后再用r s m 模型计算，这样可以节约计算时间并得到较好的效果。 4 2 计算模型 根据前面的模拟验证工作，本章采用的计算模型如下： 夺湍流模型先采用r n g 聊模型，在得到初步流场后采用雷诺应力( r s m ) 模型； 令对流项的离散格式采用了二阶迎风格式； 夺压力梯度项的离散采用了二阶格式； 令压力一速度耦合的处理采用了s i m p l e 算法。 4 3 模拟几何尺寸 工业规模的i 级旋风预热器三维实体如图4 1 ，具体尺寸见表4 1 ： 表4 1i 级旋风预热器模拟尺寸( d = 2 6 1 m ) 笸佳星立 盈呈蠢丞五量纽值 筒体直径 d l 内筒直径d d 0 4 7 3 内筒插入深度厶d0 4 4 排料口直径d d0 2 1 8 入口高度a l p 0 6 9 3 入口宽度劬0 2 9 6 入风口段边宽f d0 1 4 7 下部柱体长度h j d 1 0 6 6 锥体高度a 勿 l _ 3 4 5 总高6 胗3 ，1 0 3 偏心距e d0 0 3 7 膨胀仓直径 r # d 0 5 3 3 图4 1i 级旋风预热器实体 西安建筑科技大学硕士论文 建模时坐标原点取在蜗壳底部与下部柱体的交接面的圆心处。计算是在稳态条 件下进行的，采用的边界条件为： 1 入口边界：旋风预热器入口风速分别为1 5 m s 、1 8 m s 、2 1 m s ，入口湍流参 数按前一章中的方法给定，这里，入口当量直径l = i 2 0 7 m 。 2 出口边晃：出1 2 1 处湍流已充分发展，所有变量在出口截面法向方向上梯度为0 ， 即丝：0 。 a n 3 固壁边界：壁面为无滑移边界条件，湍流采用壁面函数法。 4 4 单体流场模拟结果分析 单体研究以旋风预热器内筒插入深度l l d = 0 4 4 ，入口速度v u l 8 m s 模拟参数 下的结果进行分析。为了能更清楚地分析流场沿轴向的变化规律，本文沿轴向按如 图4 1 所示分别取了具有代表性的x y 截面：z = 1 4 5 8 代表环形空间某一x y 截面， z = 1 2 5 8 代表内筒入口处x y 截面，z = 0 5 5 代表蜗壳空间某一x y 截面，z = 一1 7 8 1 代表柱体空间某一x y 截面，而z = 一3 7 8 代表下部锥体空间某一x y 截面。 4 4 1 压力分布 图4 2 是x = 0 的y z 截面上的静压分布等值线图，如图所示：静压值沿径向由 外向内逐渐降低，中心轴线附近静压最低，并且出现负值，这主要是由于在轴线附 近有强制涡存在，使气体强烈旋转导致了法向压力梯度很大。 图4 2 旋风预热器内静压分布等值线图 西安建筑科技大学硕士论文 静压分布相对于筒体几何轴线的对称性较差，轴线附近