（机械设计及理论专业论文）旋风分离器大涡数值模拟及分离性能研究.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 旋风分离器是一种利用气固两相流体的旋转运动使固体颗粒在 离心力的作用下从气流中分离出来的设备，因其具有结构简单、高效、 能承受高温高压等优点，在能源、化工、冶金、环保等许多领域有着 广泛的应用。系统地研究旋风分离器内部的流场以及性能的影响因 素，对改善和提高旋风分离器的性能有着重要的意义。 本文首先对国内外旋风分离器的发展及研究现状进行总结，指出 旋风分离器研究中存在的一些问题以及数值模拟的必要性。通过查阅 研究大量旋风分离器气一固两相数值模拟文献，本文采用大涡模拟方 法对旋风分离器的流场进行模拟，采用相间耦合的随机轨道模型对固 体颗粒运动轨迹进行研究。 通过前处理软件g a m b i t 建立切向入口的旋风分离器的几何模 型，针对旋风分离器内部复杂流场的模拟，确定合适的计算区域和边 界条件，得到合适的计算网格文件。通过f l u e n t 软件，本文的湍流模 型采用基于各向异性的大涡模型( l e s ) ，差分格式采用q u i c k 格式， 压力梯度项插补格式采用p r e s t o 格式，计算方法采用s i m p l e c 算 法，对旋风分离器气相流场进行数值模拟。包括气流速度场及压力场 的研究分析，系统分析分离器内切向速度、轴向速度、径向速度、静 压、动压及总压降的分布规律，并将数值模拟数据与文献中实验数据 对比，确定数值模拟的正确性。 针对旋风分离器内气一固两相分离性能研究，本文采用拉格朗日 坐标系下的相间耦合的d p m 模型，模拟研究粉尘颗粒在旋风分离器 内的分布及运动规律。研究内容包括：模拟分析粉尘微粒运动轨迹， 不同微粒粒径、不同入口速度、不同颗粒浓度等微粒参数和分离器操 作参数对分离效率的影响，以及不同排气管直径和排气管插入深度等 结构参数对分离效率的影响。通过实验研究表明：旋风分离器的分离 效率较高，不同颗粒浓度及入口速度对分离效率的影响与数值模拟结 果一致。 关键词旋风分离器，分离效率，f l u e n t ，大涡模拟，离散相模型 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t c y c l o n es e p a r a t o ri sak i n do fe q u i p m e n tt h a tu s e sr o t a r ym o t i o no f g a s - s o l i dt w o p h a s ef l u i dt om a k et h es o l i dp a r t i c l es e p a r a t e df r o mt h e g a sf l o wb yc e n t r i f u g a lf o r c e b e c a u s eo ft h e i rs i m p li c i t y , e a s i n e s sa n d l o wc o s t si nt e r m so fc o n s t r u c t i o n ，o p e r a t i o n ，m a i n t e n a n c ea n de n e r g y c o n s u m p t i o n i ti sn e c e s s a r yt om a k ed e e pr e s e a r c hf o rt h ef l o w f i e l da n d t h e i n f l u e n c i n g f a c t o r so fc y c l o n e s e p a r a t o r s ，a n d h a s i m p o r t a n t s i g n i f i c a n c ei ni m p r o v i n gp e r f o r m a n c eo fc y c l o n es e p a r a t o r s f i r s t l y , t h ed o m e s t i ca n do v e r s e a sr e s e a r c ha c t u a l i t y o fc y c l o n e s e p a r a t o r si se x p o u n d e d ，a n dt h ep r o b l e m si nt h er e s e a r c ho fc y c l o n e s e p a r a t o r sa r ep o i n t e do u t ，a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sv e r yn e c e s s a r y b y a c c e s s i n ga n ds t u d y i n gal o to fl i t e r a t u r eo fn u m e r i c a ls t u d yo fg a s s o l i d f l o wi nc y c l o n es e p a r a t o r s ，t h i st h e s i su s e sl e sm o d e lt os i m u l a t eg a s f i e l d ，a n du s e st h et w o p h a s ef l u i dc o u p l i n go fd i s c r e t ep h a s em o d e l ( d p m ) i nt h el a g r a n g e c o o r d i n a t et os i m u l a t ed i s t r i b u t i o na n dt h er u l eo f t h ei n n e rs o l i dp h a s eo fc y c l o n es e p a r a t o r s b yp r ep r o c e s s i n gs o f t w a r eg a m b i t ，a na x i a lf l o wc y c l o n es e p a r a t o r , w i t hat a n g e n t i a li n l e t ，w a sc r e a t e di nt h i st h e s i s t h es i m u l a t i o nd o m a i n a n db o u n d a r yc o n d i t i o n sw e r e s p e c i f i e da c c o r d i n g t ot h ee x h a u s t c h a r a c t e r i s t i c so fad i e s e le n g i n e ，a n dt h e nt h ep r o p e rc o m p u t a t i o n a lg r i d w a se x p o r t e d b ys o f t w a r ef l u e n t ，b a s e do nt h ea n i s o t r o p yo fl e sm o d e l f o rt u r b u l e n tf l o w , q u i c kf o r m a tf o rd i f f e r e n c es c h e m e ，r e s t of o r m a t f o r p r e s s u r e d i s c r i m i n a t i o na n ds i m p l e ca r i t h m e t i cf o r p r e s s u r e - v e l o c i t yc o u p l i n g ，s i m u l a t e t h e g a s f i e l di nt h e c y c l o n e s e p a r a t o r s t h ev e l o c i t yf i e l d ，i n c l u d i n gt a n g e n t i a lv e l o c i t y , a x i a lv e l o c i t y a n dr a d i a lv e l o c i t y , a n dt h ep r e s s u r ef i e l d ，i n c l u d i n gs t a t i cp r e s s u r e ， d y n a m i cp r e s s u r ea n dt h et o t a lp r e s s u r e ，a r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y t a k e t h ed a t ao fs i m u l a t i o nc o m p a r e dt ot h ee x p e r i m e n td a t ai nt h er e f e r e n c e ， a n dm a k es u r et h es i m u l a t i o ni sr i g h t f o rt h en u m e r i c a ls t u d yo f g a s s o l i df l o wi nc y c l o n es e p a r a t o r s ，t h i s t h e s i su s e st h et w o p h a s ef l u i dc o u p l i n go fd i s c r e t ep h a s em o d e l ( d p m ) i nt h el a g r a n g e c o o r d i n a t et os i m u l a t ed i s t r i b u t i o na n dt h er u l eo ft h e i i 中南大学硕十学位论文a b s t r a c t i n n e rs o l i dp h a s eo f c y c l o n es e p a r a t o r s t h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c yo ft h e c y c l o n es e p a r a t o rw a ss i m u l a t e d ，c o n s i d e r i n gd i f f e r e n tp a r t i c u l a t e d i a m e t e r s ，p a n i c u l a t ei n j e c t i o nv e l o c i t i e s ，p a r t i c u l a t ec o n c e n t r a t i o n ，o u t l e t p i p ed i a m e t e r s ，i n s e r td e p t ho fo u t l e tp i p ea n ds oo n t h em o v i n gt r a c k s o fp a n i c l e sw e r ea l s oo b t a i n e di ns o m ec o n d i t i o n su s i n gt h es o f t w a r ei n t h i st h e s i s t h er e s u l t ss h o wt h a t s e p a r a t i o ne f f i c i e n c yi sd i f f e r e n ti n d i f f e r e n tc o n d i t i o n s t h ee x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t et h ee 伍c i e n c yo f c y c l o n es e p a r a t o r si sh i g h e ra n dt h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tp a r t i c u l a t e c o n c e n t r a t i o na n dd i f f e r e n tv e l o c i t ya r ec o n s i s t e n tw i t ht h en u m e r i c a l s i m u l a t i o n k e yw o r d sc y c l o n es e p a r a t o r ，s e p a r a t i o ne f f i c i e n c y , f l u e n t ，l a r g ee d d y s i m u l a t i o n ，d i s c r e t ep h a s em o d e l 1 1 1 原创性声明 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已在论文中作了明确的说明。 作者签名：日期：丑年月旦日 关于学位论文使用授权说明 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，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；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名越导师签名幽日期：上卓年月鱼日 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 目前在我国露天矿山中，潜孔钻机占钻孔设备总数的5 0 0 o , - 6 0 。中、小型 露天铁矿、石灰矿和有色金属矿山的钻孔设备绝大多数为潜孔钻机。潜孔钻机露 天工程爆破孔钻凿在生产过程中产生大量粉尘，粉尘如果排入大气会产生严重污 染，严重危害职工身体健康，给劳动者本人和家庭带来不幸和痛苦；同时，也严 重地影响着企业的经济效益。粒径小于1 0 # m 的粉尘排入大气后，很难落至地面， 其中的一部分可以几小时、几天、甚至几年浮游在大气中。这些微细粉尘具有很 强的吸附能力，很多有害气体、液体或某些金属元素都能吸附其上。受污染的空 气被人吸入后，会引起或加重呼吸系统的各种疾病。粉尘如果落到设备的运动部 件上，会加速运动部件的磨损，减少设备的使用寿命，也会导致产品成本的增加。 为减轻粉尘排放浓度和改善职工操作，所以对潜孔钻机除尘系统的研究很有必 要。本课题来源湖南省科技计划重点项目“一体化液压潜孔钻机 ，项目编号为 0 5 g k l 0 0 1 。 旋风分离器因其结构简单、制造容易、成本相对较低、对于捕集分离5 1 0 , a m 以上的颗粒除尘效率较高，所以被广泛地应用在潜孔钻机的除尘过程中，其一般 作为潜孔钻机多级除尘系统的初级除尘装置之用。本文主要针对除尘系统中的关 键部件旋风分离器进行数值模拟研究，为今后充分认识和设计旋风分离器提供一 些有意义的参考和理论指导。 1 1 旋风分离器的基本结构与工作原理 常规旋风分离器的结构如图1 1 所示，一般由进气管、排气管、排尘管、圆 筒体和圆锥体等几个部分组成。各部分的结构又都有多种形式，从而又组成了各 种类型的旋风分离器，但是它们的分离原理都是一样的，只是性能上有些差异， 以适应各种不同的用途。 如图1 1 所示，常规旋风分离器的几何尺寸主要有以下八个尺寸：本体直径 d ( 指分离器简体截面的直径) 、总高h ( 从分离器顶板到排尘口) 、排气管直径 d ，、排气管插入深度s ( 从分离器空间顶板算起) 、入口截面的高度a 和宽度b 、 锥体段高度z 及排尘口直径谚。 当含尘气体沿顶部切向进入分离器后，由于分离器壁面的约束，首先由直线 运动转变为圆周运动，旋转气流绝大部分沿轴向作向下的螺旋运动，朝锥体流动， 这通常被称为外旋涡，这时气体中的颗粒在旋转运动过程中受到离心力。这时， 中南大学硕士学位论文第一章绪论 大于气体重度的颗粒甩向分离器壁，通过与壁面的碰撞，动量一步步损失掉，并 随着外旋涡气流最终落入排尘口而被分离出来。旋转而下的外旋涡气流运动使得 周边气流压力升高，这样在锥体中心部分形成了低压区，当气流到达锥体下部的 某一位置时，便向分离器中心集中，以相同的旋转方向在分离器内部由下而上螺 旋流动，这通常被称为内旋涡。最终未被捕集的颗粒跟净化气流经排气进入到下 一级除尘系统中。气体中的颗粒只要在气体旋转向上排出前能够碰到器壁，即可 沿器壁滑落到排尘口中，从而达到气固分离的目的【l 】。 口 图1 - 1 旋风分离器简图及结构尺寸图 1 2 旋风分离器的发展概况 自1 8 8 6 年m o r s e 的第一台圆锥形旋风分离器问世以来百余年里，旋风分离 器的发展过程大致可分为三个阶段【2 j ： 第一阶段：自十九世纪八十年代旋风分离器投入生产运转一直到二十世纪三 十年代，属于自发使用阶段。在这一阶段中，由于粗略地认为旋风分离器的机理 只是简单地利用了离心力把粉尘甩向圆筒壁而已，未能深入研究气流运动规律， 对旋风分离器内的流场分布缺乏理性认识，不十分清楚粉尘颗粒从含尘气流中分 离的机理。在这一阶段中，旋风分离器能分离的临界粒径一直徘徊在4 0 _ 咱o a m 之间。 第二阶段从二十世纪二十年代末到六十年代初，人们广泛对旋风分离器进 行了科学实验与理论概括。1 9 2 8 年波罗克( p r o e k a e t ) 首次对旋风分离器进行了 流场测定研究。在此阶段，不少科研单位或者个人对旋风分离器进行了大量的科 学试验和理论分析。有些是关于流场的测定，其中以荷兰人特林登( 俐i n d e n ) 1 9 4 9 年所做的工作最为突出。有些学者研究了旋风分离器的除尘效率与压力损 失、结构形式、结构尺寸之间的关系。通过大量的试验研究，认识到了一些影响 2 中南人学硕士学位论文第一章绪论 压力损失和分离效率的因素，如气流进口速度、温度、粉尘颗粒的密度、分散度、 气流的粘度、分离器结构形式及尺寸的比例。对旋风分离器大量的试验研究，推 动了对其理性认识的飞跃。对于旋风分离器的流场从只见漩涡流动，发展到既见 漩涡又见到汇流的流动，粉尘从气溶胶中分离的机理有最先类比平流沉降发展起 来的“转圈理论 飞跃而成为“筛分理论”。其中以巴特在1 9 5 6 年提出，1 9 6 4 年最后经试验验证的系统理论为代表，他提出了临界粒径一铀的概念。 第三阶段：从上世纪六十年代初到现在。这个阶段的特点是力求把旋风分离 器捕集分离能力推向超微颗粒。通过相似理论和量纲分析，把旋风分离器中的各 结构尺寸表示为定形尺寸( 外筒直径d ) 为基准的无量纲数群。并进一步把旋风 分离器的技术经济性能参数也组成无量纲准数进行评价。通过优选法综合技术经 济指标，设计出最佳化的旋风分离器。1 9 6 3 年德国西门子公司的科研机构研制 成功一种称为d s e 的旋风分离器。这种旋风分离器可捕集到0 4 p m 的颗粒，向 超微颗粒进军迈出了第一步。根据这个启发，七十年代以后，各种利用旋源流场 为除尘空间的旋风分离器陆续研制出来，如英国的c o l l e c 打o n ，日本的j e l c l o n e 及r o t c l o n e 等等。 随着旋风分离器数学模型的不断完善和计算机仿真技术的引入，旋风分离器 的研究与设计将更为深入，目前已把旋风分离器的捕集分离能力推向超微细粒子 领域。 1 3 旋风分离机理及其进展 在旋风分离器内，颗粒主要受气流曳力和离心力的作用，此外还受到各种扩 散作用( 对于细颗粒) 及颗粒与器壁、颗粒与颗粒间的碰撞弹跳( 对于粗颗粒) 等的影响，是十分复杂的，而且它的运动带有很大的随机性。 旋风分离器内的气流及颗粒运动都十分复杂，迄今尚无准确可靠的能反映各 中影响因素的分离理论，于是对于颗粒的分离捕集机理就不得不做出许多简化假 设，从而形成各种不同的分离机理模型。目前，各国学者采用不同的简化假设， 先后提出了不同的假说，较有影响的分离机理假说主要有三种：转圈理论、平衡 轨道理论以及边界层分离理论【】。 ( 1 ) 转圈理论( 沉降分离理论) 转圈理论是由r o s i n 等人在1 9 3 2 年提出的，它是在重力沉降室分离理论的 基础上发展起来的。在沉降室中，粉尘受重力作用向下沉降，同时粉尘又以水平 方向速度向前移动，只要沉降室有足够的长度，则粉尘颗粒就能在到达沉降室出 口以前到达沉降室底板而分离。旋风分离器也有径向向外的离心沉降速度，也有 旋转切向速度，如果旋转圈数足够多，即展开后的长度相当于水平沉降室的长度， 3 中南人学硕+ 学位论文第一章绪论 则粉尘就能从内筒半径到达外筒边壁处的分离界面而分离。这种理论实际上是一 种塞流模型。 显然，转圈理论从层流沉降理论出发，对于旋风分离器内的流场认识是不够 全面的。理论分析和实测结果表明，在旋风分离器筒内不仅有旋涡流场，而且还 存在着径向汇流和类汇流，在圆筒下面的圆锥筒中，这种现象更为明显；其次， 该理论认为颗粒分离只在圆柱段进行，而实际气体旋转将延伸到近锥体，圆锥长 度对粉尘分离也有一定的影响。因此该理论的偏差是很大的。 ( 2 ) 平衡轨道理论( 筛分理论) 为了修j 下转圈理论的缺点，从旋风分离器内的流场既见到“涡又见到“汇 入手，b a r t h 等人于1 9 5 6 年提出了所谓的筛分理论，旋涡流场产生的离心力使颗 粒受到向外推移的作用，同时汇流场产生的s t o k e s 阻力又使颗粒受到向内漂移 的作用。离心力的大小与颗粒的大小有关，颗粒越大，受到的离心力越大，因而 必定有一临界粒径以( 工程应用中常把此粒径称为分割粒径氏) ，使离心力向外 漂移的作用正好与向内漂移的作用相等，从而达到平衡，而平衡轨道往往看作是 排气管下端由最大切向速度的各点连接起来的一个假想圆筒。凡是粒径d 谚 者，向外推移的作用大于向内漂移的作用，结构被推移到旋风分离器器壁附近， 粉尘浓度大于运载介质的极限负荷时，粉尘被分离捕集下来。 该理论虽然对流场考虑较全面，但在计算中，常将汇流速度形( 径向速度) 视作等速，这与实际有一定的误差。因为假想圆筒面上的向心留未必是以相等速 度流经假想圆筒的全侧面。所以该理论也具有一定的局限性。 ( 3 ) 边界层分离理论( 横混假说) 平衡轨道理论没有考虑湍流扩散等影响，而这种影响对于细小颗粒是不容忽 视的。1 9 7 2 年，d l e i t h 与w l i c h t 类比静电除尘器的分离机理而提出横向渗混 模型，认为在分离器的任一横断面上，任一瞬时气流中颗粒浓度是均匀分布的， 但在近壁处的边界层内，是层流流动，只要颗粒在离心效应下浮游进入此边界层 内，就可以被捕集分离下来，这就是边界层分离理论。由于该理论考虑了所有几 何尺寸的影响，因而结构与实际较吻合，是比较完善的理论，目前已被广泛应用。 1 4 旋风分离器设计研究中现状分析 从旋风分离器现阶段的研究状况看出，旋风分离器的研究主要集中在两个方 向：理论上计算旋风分离器性能公式模型的研究；针对旋风分离器存在的问题提 出相应的改进方案的研究。研究者在这两个方面都取得了很大的成就，建立了许 多计算模型同时也开发了许多新型旋风分离器。而作为分离效率的预测模型，也 从2 0 世纪6 0 年代以后，在国内外取得广泛的研究。 4 中南人学硕士学位论文第一章绪论 ( 1 ) 国外研究现状 d i e t z 于1 9 8 1 年基于t e rl i n d e n 的实验结果，将旋风分离器内的气固两相分 离区域划分为三个区域即：入口分离区域、下降流分离区域和上升流分离区域， 并根据d l e i t h 和w l i c h t 的横向混合模型的思想，推导出了旋风分离器内气固 两相分离模型【6 】。在简体直径为2 0 0 m m 的旋风分离器上，采用燃煤飞灰作为固 相颗粒进行分离实验时，模型的预测结果与实测结果比较吻合。 m o t h e s 和l o f t i e r 于1 9 8 8 年将d i e t z = 个分离区域的假设扩展为四分离区域， 即在原有基础上增加了排气管分离区域，从而修正了d i e t z 模型对于分离过程预 测的不连续性，引入粒子沉降系数修正了旋风分离器内、外涡固相的浓度扩散效 应，并考虑了排尘口底部的返混现象和浓度的径向梯度变化，提出了另一分离模 型，模型的假设条件比较接近旋风分离器内的实际分离状况且考虑较为全面【7 1 。 在筒体直径为1 9 0 m m 的旋风分离器内，该模型的预测结果与实测结果相吻合。 c l i f t 等于1 9 9 1 年根据已有的实验数据比较了d 1 e i t h 和w 1 i c h t 模型、d i e t z 模型及m o t h e s 和l o f t i e r 模型三种旋风分离器内气固两相分离模型。结果表明， d l e r t h 和w l i c h t 模型在计算气流在旋风分离器内的平均停留时上有一定的局 限性，并在假设条件下重新推导了d 1 e i t h 和w 1 i c h t 模型，计算结果表明分级效 率图为s 形曲线；d i e t z 模型亦存在同样的问题，但在小直径旋风分离器的固相 颗粒物分级效率预测上，d i e t z 模型仍具有一定的准确性；而m o t h e s 和l o f t i e r 模型总体上优于其它两个模型【8 1 。 w s k i m 和j w l e e 于1 9 8 9 年同时考虑湍流扩散和边界层固相颗粒的沉降 作用，将旋风分离器部分分为两个主要的分离区域即湍流核心区和近壁边界层 区，根据m o t h e s 和l o f t i e r 以及e n l i a n g 和y i n g m i n 分离模型，推导出了基于边 界层特性的旋风分离器气固两相分离模型，并于2 0 0 1 年在此基础上改进，与实 验对比的结果表明该模型的实用性较好【9 】。但边界层条件的简化仍需进一步探 讨。 ( 2 ) 国内研究现状 国内关于旋风器分离模型的研究较晚，大约始于2 0 世纪9 0 年代，并有相当 一部分借鉴了国外旋风分离器的分离模型和研究思想，代表性的研究有： 向晓东于1 9 9 0 年考虑固相颗粒在旋风分离器内的输运过程，引入了分离空 间的概念。通过简化气体流动和颗粒运动的数学模型，得出在适当边界条件下的 旋风分离器分离效率计算公式，并与国内外典型的实验结果比较验证，结果较为 一致【1 0 1 。 陈建义、时铭显于1 9 9 3 年认为l e i t h 和w l i c h t 以及m o t h e s 和l o f t i e r 模型 对于尺寸较大，流量也较大的旋风分离器的计算结果误差较大，并在p v 型高效 5 中南大学硕士学位论文第一章绪论 旋风分离器内部流场及浓度场测定的基础上，考虑了旋风分离器的短路流、颗粒 间的相互碰撞、返混等对分离性能的影响，建立了旋风分离器分级效率的多区计 算模型，该模型在p v 型旋风分离器上与实测结果较为一致，但在其它类型旋风 分离器上的适用性仍需进一步探讨【l 。 张从智等于1 9 9 6 年在边界层分离理论的基础上，考虑了旋风分离器内部主 要结构参数以及固相颗粒的特性和运行参数的影响，以及旋风分离器内的三维速 度( 尤其是轴向速度和径向速度) 分布规律，建立了旋风分离器分级效率的数学 模型，该模型计算结果与长锥型和直锥型旋风分离器的实验结果符合较好，而且 与d 型、b 型旋风分离器的实验结果也符合较好【1 2 1 。 刁永发等于2 0 0 0 年以平衡尘粒模型及相似理论原理分析为基础，根据木村 典夫分离模型，给出了高温旋风分离器的分级效率的计算方法，对反映了其在高 温状态下的分离特性的参数分割粒径d 枷和分布指数n 进行了分析，并与 s t a i r m a n d 高效旋风分离器进行试验对照【l 3 。 王广军、陈红于2 0 0 1 年考虑了径向浓度梯度以及重力沉降和径向加速过程 对固相颗粒分离的影响，建立了锅炉细粉分离器的分离效率的计算模型。该模型 认为，当分离器进口风速较低及固相颗粒粒径较大时，重力沉降及径向加速过程 对分离效果的影响不容忽视，并对已有的分离模型中有关简化条件的实用范围进 行了分析【1 4 】。 各研究基于不同理论，应用不同方法，从不同角度阐述了各自理论，或者在 前人的研究上进行改进，使模型更趋于合理化，从而对旋风分离器的分离特性的 研究更进一步。但是，现阶段旋风分离器研究过程中仍然存在不少问题： ( 1 ) 没有通用的数学模型。现有的各个公式模型的提出很大程度上都是经 验公式和半经验公式。每一个模型的提出都存在一定的假设，只是针对某理想 情况下的数学描述，这就限制了模型的使用范围。尽管各模型在描述旋风分离器 内气固分离状况都有一定的准确性，但是能描述结构相类似的旋风分离器性能的 数学模型并没有。 ( 2 ) 忽略了粉尘颗粒性能影响。在旋风分离器内粉尘颗粒随气流做不规则 的运动，在运动的过程中粉尘颗粒间会相互碰撞、凝聚从而改变颗粒原来的粒径 和分散度。这两个参数对旋风分离器性能的评价有重要影响。在旋风分离器内， 高速旋转的粉尘颗粒相互之间一定存在碰撞，这种碰撞使得粉尘可能碎为小颗粒 也可以凝聚为大颗粒，这就改变了粉尘原来的粒径分布情况。此外，含尘气流在 进入旋j x l 分离器的一段时间内，气流是处于压缩状态，单位体积内的粉尘浓度增 大，而随着气流空间的增大和粉尘颗粒的分离，粉尘在单位体积内的粉尘浓度必 将减少，而在实际应用过程中，温度也会影响含尘浓度。但各研究者在建立模型 6 中南大学硕十学位论文第一章绪论 时都对粉尘粒径和分散度即含尘浓度作相对的简化分析，认为是一常数，这显然 与实际情况不相符合。 ( 3 ) 局部问题的解决。在实际使用过程中，一般旋风分离器存在一些不可 避免的问题：如上灰环、局部气流的压缩、分离器的短路流、不同部位的二次扬 尘、气流间的相互摩擦干扰、粉尘堆积等，这些问题都会对旋风分离器性能产生 不可忽视的影响。现有改进措施已经比较好的解决了一些问题，但仍存在一些问 题，如锥体部分局部涡流所产生的二次扬尘、排气管内压力损失及轴向逸流问题 等。旋风分离器内是高速旋转的气流，微小的结构及尺寸的改变会对气流的运动 状况产生不可忽视的影响。气流的运动情况直接关系到粉尘颗粒的分离情况，进 而影响旋风分离器的性能。因此，针对存在问题有必要设计合理的结构，确定更 为合理的结构尺寸改善气流运动情况从而实现较好的颗粒运动分离路径，提高旋 风分离器的除尘效率。 1 5 旋风分离器气固两相流数值模拟进展 数值计算技术具有资金投入少、设计计算速度快、信息完全( 数值模拟可以 全面深入地揭示流体的内部结构，不存在因试验测试手段的限制而检测不到的 “盲区 ) 、仿真模拟能力强等优点。因此，以流场湍流数值模拟为主研究旋风分 离器内流体的流动规律，进而优化旋风分离器的结构，可以大大缩短其研发周期， 具有重要的工程应用价值。 旋风分离器内的湍流为强旋转湍流，属于复杂剪切流的一种。与简单的湍流 剪切流动相比，旋涡流动增加了离心力引起的附加应力项，这些项的极小变化即 可引起湍流结构的很大变化。由于数值计算结果的好坏在很大程度上取决于湍流 模型的性能，所以湍流模型是主要的研究课题。目前的湍流模型包括有k s 模 型、雷诺应力模型、代数应力模型、以及最新的大涡模拟技术。随着计算机性能 的提高，这方面的研究报导已日趋增多： ( 1 ) e b o y s a nw 和h a y e r a ( 1 9 8 2 ) 考虑到标准k 一占双方程模型在计算强旋流 流场方面的缺陷，转而采用能反映湍流各向异性的代数应力模型。将整个装置中 常用的灰斗略去，并将旋风分离器简化为二维形式，这样所计算出来的流场并不 是真正的旋风分离器中的三维流场，而仅仅是一个二维流场，这主要是受当时计 算机条件的限制，但即使是这样，计算得到的速度场也能反映出分离器内部切向 速度的刚体涡与自由涡的组合结构【1 5 】。 ( 2 ) 林玮【1 6 】等将l a u n d e r 1 7 】等提出的雷诺应力模型简化为代数应力模型， 对旋风分离器内部的三维流场进行数值模拟计算，得到的结果表明旋风分离器内 部的流场具有很强的各向异性的特点，比较准确的给出了切向速度组合涡结构。 7 中南人学硕十学位论文 第一章绪论 ( 3 ) 周立行和s l s o o ( 1 9 9 0 ) 利用标准k 一占模型模拟了二维气相湍流， 在单相气流场中计算随机轨道，未考虑颗粒对气相流场的影响，给出切向速度、 轴向速度、压力分布及压力损失的计算结果。切向速度具有明显的r a n k i n e 涡结 构，预报的收尘效率随颗粒尺寸的变化及压力降与实验符合尚好。但从给出的轴 向速度分布来看，并没有体现出中心轴向回流现象，另外，所给出的计算值与实 验值差别较大【1 8 l 。 ( 4 ) g r i f f i t h s 和b o y s a n 在对旋风分离器的模拟中使用了r n g k 一占模型， 他们在湍流粘性的计算中包含了旋流影响，给出的结果提高了对大涡团分布形状 的预测，但对外旋流区自由涡分布的预测并不成功，而且在旋风分离器的近壁处， 还给出了不合实际的向上的轴向速度【1 9 1 。 ( 5 ) a j h o e k s t r a 、j j d e r k s e n 和h e a v a nd e na k k e r 等人采用r s m ( 雷 诺应力模型) 模型进行了计算，在与几种涡粘性模型给出的结果及实验值进行了 对比指出，使用r s m 模型同样能够给出切向速度分布的基本特征，而且对轴向 速度的模拟还证明了涡核中心处存在较低的值，这是以前各种模拟中较少见到 的。但在文章中他们也注意到切向速度峰值大小和涡核尺寸与实验值的差别，并 给出了原因分析【2 0 】。 ( 6 ) 在对颗粒相的模拟方面，林玮、杨卫宏分别在对气相流场模拟的基础 上，采用拉格朗日坐标系的颗粒轨道模型，对颗粒的运动轨迹进行了计算。前者 未考虑颗粒与气相的作用，后者在计算中则包含了气相的影响。两人分别通过有 代表性颗粒轨迹的分析，探讨了旋风分离器的分离机理。吴飞雪利用测定流场速 度分布后得到的回归公式，首先计算了气相流场，然后也利用颗粒轨道模型对颗 粒的轨迹及浓度分布进行了计算，并估算了粒级效率，与试验值吻合较好。 通过上面的分析可见，对于旋风分离器内流场的计算，目前大多数研究采用 各种修正的k 一占模型，主要是由于这种模型比较简单、计算量小、易收敛。如 果对计算结果要求不十分苛刻，这种模型还是能够接受的。但旋风分离器研究的 关键是颗粒的分离效率，并且分离器效率研究主要集中在微小尺度的颗粒，例如 1 0 , u m 以下，而这类颗粒主要受湍流脉动的影响。通过文献的总结和分析看，基 于涡粘性假设的双方程k 一占模型及各种修正的k s 模型不能反映湍能的各向异 性的特点，因此为了准确研究细小颗粒在旋风分离器中的运动规律及分离效率， 一般采用基于各向异性的湍流模型。 本文采用大涡模拟方法对旋风分离器的流场和压力场进行模拟，并在 r n g k 一占模型对旋风分离器流场模拟的基础上，采用相间耦合的随机轨道模型 对固体颗粒运动轨迹进行研究。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 6 本文研究意义及研究内容 旋风分离器作为一种重要的气固分离装置已日益引起普遍关注，特别是矿山 除尘、化工工业等其它颗粒处理过程中，旋风分离器已成为必不可少的分离器除 尘装置。 旋风分离器的应用已经有很长一段历史了，由于旋风分离器中的含尘气流属 于三维强旋转湍流，伴随着两相分离运动，而且涉及到气固两相相互作用以及凝 聚、吸附和静电等许多复杂情况，使得理论研究遇到很大困难。至今，人们尚未 充分认识旋风分离器的内部流场规律和分离机理，因此无法从理论上建立一套完 整成熟的通用数学模型，使得在设计旋风分离器时，主要依据己知的操作条件和 所需的性能指标，凭借经验先选定旋风分离器的结构形式及尺寸，然后通过半经 验公式计算出旋风分离器的效率及压降。如计算出的效率及压降达不到设计要 求，则需重新选定尺寸再计算，直至满足要求为止，然后通过实际使用，才能得 到实际的压降和分离效率。由于实验条件的限制，单纯通过实验来研究旋风分离 器的性能不仅周期长而且费用高。随着计算流体力学理论的成熟和计算机的高速 发展，可以借助于计算机模拟技术来解决这一问题。通过对旋风分离器的数值模 拟，不但可以优化旋风分离器的结构，而且还可以大大缩短研发周期，具有重要 的工程应用价值。 本文采用数值模拟计算的方法，利用计算流体力学c f d 的f l u e n t 软件对 一体化液压潜孔钻机除尘系统关键部件旋风分离器进行研究。具体如下： ( 1 ) 旋风分离器的数值计算方法的研究。包括湍流流动的基本方程组成及 数值模拟方法，适用于旋风分离器流场计算的湍流模型以及旋风分离器的几何结 构、网格生成、算法及边界条件的选取等。 ( 2 ) 研究旋风分离器的气相流场，对气流的速度场分布( 切向速度、轴向 速度及径向速度的分布) ，压力场分布( 静态压力、动态压力及总压力) 进行分 析研究。 ( 3 ) 研究旋风分离器的气固两相特性，包括颗粒运动的轨迹、颗粒的分级 效率以及旋风分离器的总效率。在研究了旋风分离器的气固两相特性的基础上， 着重考察微粒参数( 微粒粒径、气流入口速度、颗粒浓度) 及结构参数( 排气管 管径、排气管插入深度) 对旋风分离器压降以及分离效率等性能的影响。 ( 4 ) 对旋风分离器进行实验研究，研究了粉尘颗粒浓度和入口速度对旋风 分离器分离效率的影响，验证数值仿真的正确性。 9 中南大学硕士学位论文第二章旋风分离器数值模拟方法研究 第二章旋风分离器数值模拟方法研究 流场的数值模拟是七十年代以来现代计算机、计算流体力学等学科最新发展 的结果。这种模拟是基于计算流体力学的原理，建立各种复杂条件下的基本守恒 方程组，利用适当的模型使其封闭，再利用数值方法直接求解偏微分方程组，从 而得到整个流场中各变量的时空分布。 旋风分离器的结构虽然比较简单，但其内部流场却相当复杂，涉及到两相、 三维以及旋转湍流等复杂流动状态。本章将先对旋风分离器的数值模拟中的各环 节作一介绍，包括适用于旋风分离器的湍流模型、计算方法、差分格式以及压力 插补格式等内容，通过分析，选择合适的数值模拟方法，为以后模拟气体流场打 下基础。 对于旋风分离器的固相，着重分析颗粒在流场中的受力以及颗粒轨迹的计算 方法。同时对气固两相之间的作用、颗粒问的相互作用以及颗粒与固体壁面之间 的相互作用进行一定的研究。 2 1c f d 简述 c f d 软件是计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 软件的简称，是 专门用来进行流场分析、流场计算、流场预测的软件。通过c f d 软件，可以分 析并且显示发生在流场中的现象，在比较短的时问内，能预测性能，并通过改变 各种参数，达到最佳设计效果。c f d 的数值模拟，能使我们更加深刻地理解问 题产生的机理，为实验提供指导，节省实验所需的人力、物力和时间，并对实验 结果的整理和规律的得出起到很好的指导作用。 随着计算机硬件和软件技术的发展和数值计算方法的日趋成熟，出现了基于 现有流动理论的商用c f d 软件。商用c f d 软件使许多不擅长c f d 的其它专业 研究人员能够轻松地进行流动数值计算，从而使研究人员从编制繁杂、重复性的 程序中解放出来，以便有更多的精力投入到考虑所计算的流动问题的物理本质、 问题的提法、边界( 初值) 条件和计算结果的合理解释等重要方面，这样最佳地 发挥了商用c f d 软件开发人员和其它专业研究人员各自的智力优势，为解决实 际工程问题开辟了道路。 使用c f d ，首先得建立研究的系统或装置的计算模型；然后将流体流动的 物理特性应用到虚拟的计算模型，c f d 软件将输出想要的流体动力性质。c f d 是一种高级的分析技术，它不仅可以预测流体的行为，同时还可以得到传质( 如 1 0 中南大学硕士学位论文第二章旋风分离器数值模拟方法研究 分离和溶解) 、传热，相变( 如凝固和沸腾) 、化学反映( 如燃烧) 、机械运动( 涡 轮机) 以及相关结构的压力和变形( 如风中桅杆的弯曲) 等等的性质。之所以要 使用c f d ，至少基于以下三点：( 1 ) 通常的系统是很难模型化的，而c f d 的分 析能够展示别的手段所不能揭示的系统的性质和现象，因为c f d 对你的设计有 很强的理解和可视能力。( 2 ) c f d 能够快速的给出你想要的结果，一旦你给定 你的问题的参量；这样你才有可能在很短的时间内调整你设计的问题的参数，得 到最好的优化结果。( 3 ) 采用c f d 是一种十分经济的做法。由于它的开发周期 短，因此能节省大量的人力物力，使产品能更快的进入市场。 c f d 软件通常有三种功能，分别着重用于：前端处理( p r e p r o c e s s i n g ) ，计算 和结果数据生成( c o m p u t ea n dr e s u l t ) 以及后处理( p o s t p r o c e s s i n g ) 。前端处理 通常要生成计算模型所必需的数据，这一过程通常包括建模，数据录入( 或者从 c a d 中导入) ，生成网格等：做完了前处理后，c f d 的核心解释器( s o l v e r ) 将根据具体的模型，完成相应的计算任务，并生成结果数据；后处理过程通常是 对生成的结果数据进行组织和诠释，一般以直观可视的图形形式输出【2 1 2 2 】。 2 2f l u e n t 软件简介 f l u e n t 软件是由f l u e n t 公司研制的一种高效高精度的计算流体通用软件。现 在已经发展到f l u e n t 6 3 版本。f l u e n t 软件有完整的体系结构。f l u e n t 软件包由以 下几部分组成： ( 1 ) f l u e n t ，模型参数设置、计算程序； ( 2 ) g a m b i t ，构造几何模型生成网格； ( 3 ) t g r i d ，对存在的边界网格生成体积网格的附加软件。 f l u e n t 不但可以用于流场的计算，还可以进行热传导等类型的计算。f l u e n t 提供了丰富的导