旋风分离器两相流动数值模拟研究.doc

中国矿业大学徐海学院毕业设计 论文 中国矿业大学徐海学院 本科生毕业设 计 姓 名 季元元季元元 学 号 2206148722061487 专 业 热能与动力工程热能与动力工程 设计题目 旋风分离器两相流动数值模拟研究旋风分离器两相流动数值模拟研究 指导教师 彭维红彭维红 职 称 讲讲 师师 中国矿业大学徐海学院毕业设计 论文 2010 年 6 月 徐州 中国矿业大学徐海学院毕业设计任务书 专业年级 热能热能 06 级级 学号 22061487 学生姓名 季元元季元元 任任务务下下达达日日期期 2009 年年 12 月月 15 日日 毕业设计日期 毕业设计日期 2009 年年 12 月月 16 日至日至 2010 年年 6 月 10 日日 毕业设计题目 毕业设计题目 旋风分离器两相流动数值模拟研究 毕业设计主要内容和要求 毕业设计主要内容和要求 1 查阅有关旋风分离器方面的书籍 收集毕业设计相关资 料 2 对旋风分离器进行数值模拟分析 3 对原型提出两种改进方式并与原型进行比较 4 翻译一篇外文文献 中国矿业大学徐海学院毕业设计 论文 院长签字 指导教师签字 中国矿业大学徐海学院毕业设计 论文 郑 重 声 明 本人所呈交的毕业设计 论文 是在导师的指导下 独立进行研 究所取得的成果 所有数据 图片资料真实可靠 尽我所知 除文中 已经注明引用的内容外 本毕业设计 论文 的研究成果不包含他人 享有著作权的内容 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人 和集体 均已在文中以明确的方式标明 本论文属于原创 本毕业设 计 论文 的知识产权归属于培养单位 本人签名 日期 中国矿业大学徐海学院毕业设计 论文 中国矿业大学徐海学院毕业设计指导教师评阅书 指导教师评语 基础理论及基本技能的掌握 独立解决实际问 题的能力 研究内容的理论依据和技术方法 取得的主要成果及 创新点 工作态度及工作量 总体评价及建议成绩 存在问题 是否同意答辩等 成 绩 指导教师签字 年 月 日 中国矿业大学徐海学院毕业设计 论文 中国矿业大学徐海学院毕业设计评阅教师评阅书 评阅教师评语 选题的意义 基础理论及基本技能的掌握 综合运用所学知识解决实际问题的能力 工作量的大小 取得的 主要成果及创新点 写作的规范程度 总体评价及建议成绩 存在问题 是否同意答辩等 成 绩 评阅教师签字 年 月 日 中国矿业大学徐海学院毕业设计 论文 中国矿业大学徐海学院毕业设计答辩及综合成绩 答 辩 情 况 回 答 问 题 提 出 问 题 正 确 基本 正确 有一 般性 错误 有原 则性 错误 没有 回答 答辩评语及综合评定成绩 评语及成绩 答辩小组组长签字 年 月 日 学院领导小组综合评定成绩 学院领导小组负责人 年 月 日 中国矿业大学徐海学院毕业设计 论文 摘 要 近年来 随着人们环境保护意识的加强 以旋风分离器为代表的 各类除尘设备已经成为防治大气污染的主力军 在消除大气污染 保 障人类健康及生态环境方面发挥着重要作用 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 目前 人们对旋风分离器的研究重点已从整体特性的研究转向流动细节的研 究 并借助于计算机模拟技术来解决这一问题 本论文主要采用计算流体动力学 CFD 方法对旋风分离器流场进行 了数值模拟 经过仿真计算 获得了分离器内气体的速度 压力分布 湍流度的分布和颗粒的运动轨迹 并由此揭示了分离器的能量损失和 分离机理 计算结果表明 分离器内部的流场是可分为内 外两层 其速度 压力基本呈轴对称分布 由于湍流的影响 颗粒在分离器内 的运动轨迹较为复杂 具有一定的随机性 颗粒的大小对分离效果有 影响 本文提出了两种种优化方案 通过研究表明 新型旋风分离器在 流场结构和分离性能方面都优于传统单入口分离器 关键词 旋风分离器 数值模拟 气固两相流 分离效率 优化 中国矿业大学徐海学院毕业设计 论文 Abstract Recently along with the enhancement of people s environmental protection consciousness the cyclone separator as the representative of all kinds of dust catchers has become the main force of air pollution prevention It plays an important part in eliminating air pollution safeguarding human being s health and environment The study on performance of cyclone separator by experiment takes not only a long period but also expensive charge At present the investigation emphasis of cyclone separator has turned from the whole characteristics to flow details And computer simulation technology has been used to settle the problem The computational fluid dynamics has been used in this thesis The results showed that the flow field in a gas cyclone separator could be divided into two parts the inner one and the outer one Their velocity and pressure took on a good symmetry The particles motion was complicated and random because the turbulence of gas The separation efficiency was dependent on particles diameter There were two optimized programmes the results indicate that the new cyclone separator is superior to the traditional one in flow field structure and separation efficiency Keywords cyclone separator numerical simulation gas solid two phase flow separation efficiency optimization 中国矿业大学徐海学院毕业设计 论文 目 录 第 1 章 绪论 1 1 第 1 1 节 课题背景及意义 1 第 1 2 节 旋风分离技术的发展概况 2 第 1 3 节 流场研究的方法 4 第 1 4 节 两相流模型进展 8 第 1 5 节 旋风分离器分离机理 10 第 1 6 节 旋风分离器的性能指标 11 第 1 7 节 FLUENT 软件概述 13 第 1 8 节 本课题的主要研究内容 14 第 2 章 旋风分离器数值模拟方法研究 1616 第 2 1 节 气体相的数值模拟计算方法研究 16 第 2 2 节 颗粒相的数值模拟计算方法研究 21 第 3 章 旋风分离器气相数值模拟 2525 第 3 1 节 数值计算的步骤与方法 25 第 3 2 节 计算结果与分析 29 第 4 章 旋风分离器气固两相流的数值模拟 4949 第 4 1 节 颗粒轨迹的模拟 49 第 5 章 对旋风分离器进气道的改进 5353 第 5 1 节 直切双入口型旋风分离器数值模拟 53 中国矿业大学徐海学院毕业设计 论文 第 5 2 节 加弯道的直切双入口旋风分离器数值模拟 67 第 6 章 主要结论 7272 参考文献 7373 英文原文 7575 中文译文 8787 致 谢 9797 中国矿业大学徐海学院毕业设计 论文 1 第第 1 1 章章 绪论绪论 第第 1 11 1 节节 课题背景及意义课题背景及意义 近年来 随着人们环境保护意识的加强 以旋风分离器为代表各 类除尘设备已经成为防治大气污染的主力军 在消除大气污染 保障 人类健康及生态环境方面发挥着重要作用 图 1 1 旋风分离器示意图 旋风分离器是一种利用气固两相流的旋转运动 使固体颗粒在离 心力的作用下从气流中分离出来的设备 由于它结构简单 设备紧凑 无相对运动部件 价格低廉 操作维修方便 且可以满足不同生产中 的特殊要求 因而成为最常用的一种分离 除尘设备 已被广泛地应 中国矿业大学徐海学院毕业设计 论文 2 用于气体净化 固体颗粒的分离回收 环境保护等方面的工作 旋风分离器作为常用的气固分离装置 其应用历史虽然已有一百 余年了 但总的发展情况却是理论研究始终落后于实践 由于旋风分 离器的工作过程是一种极其复杂的三维强旋转湍流 两相分离运动 且涉及气固相互作用以及凝聚 破碎 吸附和静电等许多物理现象 致使理论研究遇到了许多现代流体力学中尚未解决的难题 仍无法全 面掌握其气流运动的内在规律 更不能从理论上建立一套完整成熟的 通用数学模型 致使各种旋风分离器的设计开发工作和操作运行都带 有浓厚的经验主义 因此 深入研究其内部的流场分布具有重要的意 义 另外 普通旋风分离器内部流场的不均匀性导致其噪声较大 且 分离效率降低已经不能满足实际的需要 因此 适当改变其相关参数 势在必行 许多结构改进的旋风分离器便应运而生 随着工业的发展 旋风分离器的应用范围越来越广泛 越来越受 到工程界的重视 因此 我们有理由相信 在不久的将来 随着研究 的不断深入 人们会开发出更多适用于不同行业的旋风分离器 其性 能将不断提高 从而促进各个应用领域的发展 第第 1 21 2 节节 旋风分离技术的发展概况旋风分离技术的发展概况 旋风分离器自 1886 年摩尔斯 Morse 申请专利投入使用到今天 在工业上的应用已有百余年的历史 回顾旋风分离器的发展过程 可 以概括为以下三个阶段 1 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 十世纪二十年代 属于自发使用阶段 在这一阶段中 由于粗略地认 中国矿业大学徐海学院毕业设计 论文 3 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的 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 旋风分离器的临界粒径一直徘徊在 40 60 m 之间 其间 最杰出的研 究成果要数 1910 年现代流体力学创始人 普朗特 Prandtl 以 Man 公司名义对排气管出口加上导流叶片 从而使流体阻力损失有所降低 第二阶段从二十世纪二十年代末到六十年代初 人们广泛地对旋 风分离器进行科学与理论概括 1928 年波罗克 Prockact 首次对旋风 分离器进行了流场测定研究 在此阶段 不少科研单位或个人对旋风 分离器进行大量的科学实验和理论分析 有些是关于流场的测定 其 中以荷兰人特林登 TerLinden 1949 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 通过大量的实验研究 认识到了一些影响压力损失和分离效 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 分离器的结构形式及尺寸的比例 对旋风分离器大量的实验 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旋 涡流动 发展到既见旋涡又见到汇流的流动 粉尘从气溶胶中分离的 机理由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 1956 年提出 1964 年最后经实验验证的系统理 论为代表 他提出了分离粒径的概念 50c d 第三阶段从上世纪六十年代初至今 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 提高相似理论和量纲分析 把 旋风分离器的各结构尺寸表示为定型尺寸 外筒直径 D 为基准的无量 纲量数群 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 中国矿业大学徐海学院毕业设计 论文 4 准数进行评价 通过优选法综合技术经济指标 设计出最优化的旋风 分离器 1975 年德国一些科研单位把这些无量纲量排成电子计算机计 算程序进行研究 鉴于旋风分离器内的流场是湍流流场 而在近壁处 有一层流底层 1979 年奈特 Licht 类比电力除尘器的分离机理 提出 了湍流混渗边界层理论 并给出相应的分级效率计算公式 1977 年以 后 边界层分离理论进一步得到发展 另一方面 旋风分离器内的流 场是由两种性质不同的旋涡 准自由涡与强制涡 及流向相反的源流或 汇流叠加起来的流场 两种旋涡大致以内筒芯管的延长面的圆筒面为 分界面 在分界面以外为准自由涡流动与汇流 类汇流 的叠加 而分 界面以内是旋 强制涡简称旋 与源流 类源流 的叠加 而旋风分离器 的除尘作用是在涡汇叠加的流场内进行的 这对捕集分离能力将会大 为增加 因而研制成功一种称为 DSE 的旋风分离器 这种旋风分离器 可捕集分离到 0 4 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 Collection 日本的 Jelclone 及 Rotclone 等 第第 1 31 3 节节 流场研究的方法流场研究的方法 目前 对于流场的研究方法主要有两种 实验测量和理论分析计 算 其中理论分析计算又以数值模拟为主 实验测量方法所得到的实验结果真实可信 它是理论分析和数值 方法的基础 其重要性不容低估 然而 实验往往受到模型尺寸 流 场扰动 人身安全和测量精度的限制 有时可能很难通过实验方法得 到结果 此外 实验还会遇到经费投入 人力和物力的巨大耗费及周 期长等许多困难 而数值模拟属于计算流体力学 CFD 的范畴 是在 中国矿业大学徐海学院毕业设计 论文 5 计算机技术的飞速发展和数值计算方法发展的基础上发展起来的一种 新型的研究方法 CFD 的长处是适应性强 应用面广 首先 流动问 题的控制方程一般是非线性的 自变量多 计算域的几何形状和边界 条件复杂 很难求得解析解 而用 CFD 方法这有可能找出满足工程需 要的数值解 其次 可利用计算机进行各种数值试验 例如 选择不 同流动参数进行物理方程中各项有效性和敏感性试验 从而进行方案 比较 再者 它不受物理模型和实验模型的限制 省钱省时 有较多 的灵活性 能给出详细和完整的资料 很容易模拟特殊尺寸 高温 有毒 易燃等真实条件和实验中只能接近而无法达到的理想条件 1 3 11 3 1 实验测量实验测量 固体颗粒流速测量方法主要有 1 多普勒测速法 2 相关测量 方法 3 空间滤波法 4 质点成象法 PIV 从目前己发表的旋风分离器颗粒浓度场的研究成果来看 这方面 的研究工作以石油大学最为有代表性 他们采用等速采样法和 PIV 技 术系统研究旋风分离器内部不同位置的颗粒浓度分布规律 灰斗返混 对颗粒浓度场的影响 结构尺寸及运行参数对旋风分离器内颗粒浓度 分布的影响 通过等速采样实验发现固体颗粒沿径向向外逐渐升高 接近壁面变陡 并且大颗粒浓度明显高于小颗粒浓度 并测到了上灰 环现象 同时发现锥底返混主要影响内旋流区内的颗粒浓度分布 对 环形空间的浓度分布无影响 PIV 试验证实了以上结论 并且发现在 圆周 270 300 方位区间 颗粒的分布很乱 说明此区间有回流 引起 颗粒的返混 他们通过实验 将颗粒浓度场分为三段来认识 即上部 的短路流段 中部的稳定分离段 底部排尘口及锥底返混段 锥底返 混视为二次尘源 其原因是灰斗返气的夹带返混和锥底卷扬返混 这 中国矿业大学徐海学院毕业设计 论文 6 些研究成果对于深入理解旋风分离器的分离机理 进一步改进分离器 结构和提高其效率提供了指导 也为以后建立新的分区模型奠定了基 础 但以上研究还停留在对旋风分离器颗粒浓度场的初步研究和规律 性认识的水平上 目前尚未能在定量上总结出相关的计算公式 还有 待于继续深入研究 王海刚 2 等 2004 首次采用电容层析成象技术和相 关分析技术对旋风分离器及其返料腿中的颗粒浓度 速度和流量进行 了实验测量 得到了分离器锥体部分断面的浓度分布 试验结果表明 固体颗粒在此区域的分布是很不对称的 并且随时间不断发生变化 沿径向的浓度分布 越靠近壁面越大 在中心处变化很小 实验结果 与数值模拟结果分布规律相似 但受实验条件的限制 只能对数值计 算和实验结果作定性的分析 很难在数量上给出具体的比较 1 3 21 3 2 数值模拟数值模拟 自 60 年代出现数值模拟以来 发展到现在已经历了 40 多年 大 概经历了三个阶段 第一阶段的数值模拟 Reydon 的工作比较有代表性 3 他对旋风 分离器中数量级最大的切向速度进行了近似计算 首先他将流场分为 外部自由涡区和内部强制涡区 并作了几条假设 方程不依赖于时间 即达到稳定状态 忽略体积力 各物理量随角度变化为零 即为轴对 称流动 根据实验结果 假设切向速度 轴向速度和径向速度的轴向 梯度远小于它们的径向梯度 密度和湍流总粘度为常数 Reydon 在上 面几条假设的基础上对 N S 方程做了大量的简化处理 得到了一个极 为近似的计算切向速度的关系式 并通过他们以前做的大量实验数据 对这一关系式作了修正 从而得到了一个依赖于实验的半经验公式 第二阶段有代表性的是英国学者 F Boysan 所做的工作 在旋风分 中国矿业大学徐海学院毕业设计 论文 7 离器优化设计上 他不仅在气体流场的数值计算方面 而且在气固两 相流的数值计算上都做了大量的工作 他认为气体流场的三维效应仅 限制在气体的切向入口附近 而旋风分离器中的主体流场应非常接近 于轴对称 根据这一思想 他把控制方程中与角度有关的项去掉 从 而使方程得到了简化 在湍流模型的选择方面 作者考虑到标准 k 双方程模型在计算强旋流流场方面的缺陷 转而用了能反映湍流各向 异性的代数应力模型 他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 在计算方法上 用 SIMPLE 算法 4 5 和有限差分法离散控制方程 得到的轴向和切向速度的计算结果与 实测结果相比较还是基本吻合的 由于旋风分离器中的气体流场是一个三维流场 所以要对气体流 场进行数值计算 就应舍弃轴对称流的假设 从此进入了三维数值计 算的第三阶段 日本 Hiroshima 大学的学者 Hidato Yoshida 做了这方面 的工作 计算的是带直切入口并在锥体下部带有灰斗的旋风分离器 在生成网格方面 他分别用了贴体坐标网格和阶梯形网格进行计算 并认为采用贴体坐标网格计算出来的结果更能得到合理的解释 所用 的湍流模型是未加修正的标准的 k 双方程模型 从计算结果来看 作者确实得到了跟角度有关的三维流场 但由于作者采用的湍流模型 是标准的 k 双方程模型 而这种模型在计算强旋流流场的分布时存 在着一些缺陷 如使得中心流区域减短或不能预测 毛羽 李仁年等 学者 6 7 8 9 用数值模拟方法计算了旋风分离器内的紊流过程 对紊流的 处理分别采用了标准的 k 模型和 RNG k 模型 与实测速度分布对 中国矿业大学徐海学院毕业设计 论文 8 比结果表明 RNG k 模型计算结果与实测值吻合较好 标准 k 模型 计算结果与实测值吻合较差 可以将 RNG k 模型作为研究旋风分离 器分离性能 能量损耗的工具 第第 1 41 4 节节 两相流模型进展两相流模型进展 通过数值计算方法研究旋风分离器内颗粒的运动情况 预测旋风 分离器的性能 就必须引入多相流动模型 但是 研究气固两相流动 要比单纯的气体流动复杂 其主要困难在于相与相之间的相互作用及 每一相的运动 传热 传质和反应等 采用体积平均的概念和类似于 单相湍流流动的雷诺时均方法 已经建立起了关于湍流气粒两相流动 的时均方程组 由于方程组中含有位置关联项 不能构成封闭系统 描述气粒流动的主要问题在于模拟颗粒相 解决封闭问题时或用模拟 近似 或用各种简化 从而形成了不同的颗粒相模型 10 11 12 随着数 值计算技术的发展 颗粒相模型的发展也经历了几个阶段 1 单颗粒动力学模型单颗粒动力学模型是最早期最简单的模型 在该模型中 忽略颗粒存在对流体流动的影响 并考察流场中互不相 关的无脉动的单颗粒的运动 对湍流气固两相流动的研究来说 分析 单颗粒动力学所获得的结果可以看作实际气粒两相流动中的基本现象 但在工程应用中受到很大限制 2 单流体模型或无滑移模型单流体模型 无滑移模型 是另一种极 端简化的模型 由英国帝国理工学院的 Spalding 教授在 70 年代初提出 该模型假设颗粒和流体的速度与温度在空间中处处相等 颗粒与气体 组分的扩散也相等 即认为相间存在动量平衡 能量平衡 扩散平衡 由此导出了时均气相及颗粒相方程组 单流体模型的优点是简单 便 中国矿业大学徐海学院毕业设计 论文 9 于将单相流动的计算程度用于两相流的预报 但是基于此模型的预报 结果与实验相差很大 故迄今为止 单流体模型已很少用来解决实际 工程问题 3 小滑移拟流体模型从 20 世纪 50 年代到 60 年代 Marble 和 S L soo 发展起来小滑移模型 这是建立较完善的两相流模型的开端 该模型基于颗粒连续介质概念 考虑了流体与颗粒间的滑移 但认为 滑移是颗粒湍流扩散的结果 实际上这是将多组分单流体的概念推广 到多相流体混合物中 但它不同于完整的多流体 它所作的假设只是 一种求解颗粒湍流模型封闭问题的最简单方法 4 颗粒轨道模型目前 在湍流气粒两相流动模拟中最广泛应用的 是颗粒轨道模型 又叫离散相模型 它是在拉格朗日坐标系内处理颗 粒相 把颗粒相看作离散体系 充分考虑气相与颗粒相间的作用 并 且认为相间有速度滑移和温度滑移 滑移可大可小 与颗粒扩散无关 根据是否考虑颗粒的湍流扩散 又分为随机轨道模型和确定轨道两种 颗粒轨道模型的优点是在颗粒相预报中无数值扩散 能够或易于模拟 有复杂变化经历的颗粒相 而且节省存储量及机时 其缺点是不易全 面考虑颗粒的质量 动量及能量的湍流扩散过程 而且颗粒轨道计算 结果在复杂的流场内很难给出连续的颗粒速度和浓度的空间分布 5 多流体模型 颗粒相拟流体模型 这是近年发展起来的一种多流 体模型 其基本点是在于把颗粒群作为与流体互相渗透的拟流体或拟 连续介质 在欧拉坐标系下研究颗粒运动 该模型中分别考虑相间大 滑移和颗粒扩散 认为其间无直接联系 并且充分考虑了颗粒与气相 的相互作用 颗粒本身的湍流扩散以及稠密悬浮中颗粒碰撞的影响 它易于完整的考虑颗粒相的湍流输运现象 并可以获得颗粒相的详细 信息 与实验相比较 此模型的缺点是 封闭时将单相流的模型推广 中国矿业大学徐海学院毕业设计 论文 10 到两相流动的气相与颗粒相是否合适 还需要进一步研究 此外 颗 粒相还会产生数值扩散 用于处理复杂变化经历的颗粒时不太完善 当颗粒分数较多时 所需计算存储量过大 实际上各种模型都是从不 同的角度对真实过程的近似 这些模型的适应性取决于颗粒的体积分 数 流动时间和颗粒与颗粒的碰撞时间 第第 1 51 5 节节 旋风分离器分离机理旋风分离器分离机理 基于旋风分离器内的气流及颗粒运动十分复杂 因此一些研究者 对颗粒的分离机理做出一些假设 从而形成各种不同的分离机理模型 典型的有转圈理论模型 平衡轨道理论模型 边界层分离理论模型等 13 1 转圈理论模型这种理论是 1932 年由 Rosin 等人提出 由重力 沉降室理论发展而来的 它认为 灰尘粒子经入口进入分离器 一面 随气流旋转 一面由于离心力作用向分离器圆筒壁移动 这个过程跟 重力沉降室中粒子由水平方向进入重力沉降室 受到水平初速度和重 力同时作用 在足够长的沉降室中可以被分离出来的道理是一样的 如果在气流从上到下旋转 N 圈的时间内 粒子能从离壁最远的一点穿 过气流而沉降于壁面 即被分离 这种理论从层流沉降理论出发 忽 略了分离器内部其他种种复杂流动 跟实际情况是有很大偏差的 2 平衡轨道理论模型又叫筛分理论 是由 Barth 等人于 1956 年 提出的 着眼于旋转气流对粒子产生的离心力 涡流 和向心气流 汇流 作 用于粒子的 Stokes 流体阻力相平衡的理论 离心力正比于颗粒质量 即正比于粒径的立方 而颗粒受到的因气体由外漩涡流向内漩涡所 3 x 造成的阻力则正比于粒径 根据池森龟鹤的假想圆锥说和井伊钢一 x 中国矿业大学徐海学院毕业设计 论文 11 巴尔特等人的假想圆筒说 必有一临界粒径 使得颗粒所受的向外的 c d 离心力和向内的阻力相等 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 当颗粒粒 径 时 颗粒所受离心力大于颗粒所受阻力 结果被推移到旋风d 50c d 分离器器壁附近 粉尘浓度大于运载介质的极限负荷时 颗粒被分离 捕集下来 此种理论的缺陷在于假设汇流速度 径向速度 为等速 r v 这与实际情况有偏差 3 边界层分离理论模型又叫横混假说 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 1972 年 D Leith 与 W Licht 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 任意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 因而结果与实际较吻合 是比 较完善的理论 目前已被广泛应用 第第 1 61 6 节节 旋风分离器的性能指标旋风分离器的性能指标 衡量分离器性能的指标有很多 包括表示分离效果的分离效率和 分级效率 表示耗能指标的分离器阻力 表示分离器对颗粒捕集能力的临 界粒径 表示生产能力的气体处理量 表示经济指标的单位处理量的造价 操作费及寿命 最为关心的一般为分离效率和压力损失 1 分离效率 旋风分离器的分离性能 通常用分离效率来表 示 旋风分离器的分离效率通常采用总分离效率和分级分离效率两种 表示形式 中国矿业大学徐海学院毕业设计 论文 12 总分离效率 c i G G 1 1 式中 旋风分离器的排尘管排出物料量 kg h c G 旋风分离器的进口气流所含物料量 kg h i G 总分离效率作为分离器性能衡量指标受到很大局限性 它除了与 分离器结构有关外 还受颗粒的性质 气体的性质 运行条件等因素 影响 即使在同一装置 同一运行条件下 由于颗粒分散度的不同 其性能也有显著的差别 因此 除非入口条件完全相同 总分离效率 不宜用来比较不同的旋风分离器的分离性能 分级分离效率 该理论是根据颗粒的质量守恒定律 同时对分离 器几何尺寸 流场和颗粒运动作一些简化假设 直接计算所有粒径范 围的颗粒和任何尺寸的旋风分离器的分离效率 它能够更好地反映旋 风分离器自身的性能 分级分离效率是按粒径的不同分别表示的分离 效率 如下式所示 1 ccoo x iiii G XC X G XC X 1 2 式中 分别为进入分离器 被捕集下来 逃出 i C c C o C 分离器的总的物料量 kg h 分别为进入分离器 被捕集下来 逃出分离 i X c X o X 器的粒径为的物料份额 无量纲 x d 分级分离效率是对某一特定直径的颗粒而言的 说明的是分离器 中国矿业大学徐海学院毕业设计 论文 13 对直径为的颗粒的分离效率 与总分离效率相比 它更能说明分离 x d 器的分离性能 总分离效率与分级分离效率的关系为 xi X 1 3 式中 粒径为的颗粒筛分份额 i X x d 2 压力损失 P 旋风分离器的压力损失是评定其性能的另一个 重要技术指标 它表示气流通过旋风分离器时的压力损失 是衡量分 离器性能能耗和运转费用的一个重要指标 通常 压力损失用旋风分 离器进 出口平均总压之差来表示 即 iito PPP 1 4 而 tsd PPP 1 5 式中 总压 Pa t P 静压 Pa s P 动压 Pa d P 在通风工程中经常采用阻力系数来评定分离器的性能 所谓阻力 系数 就是指压力损失与动压值的比值 即 2 1 2 g P v 1 6 式中 v 分离器进口气流速度 m s 中国矿业大学徐海学院毕业设计 论文 14 从 1 6 可以看出 阻力与速度的平方成正比 因此用阻力系数 来比较各种分离器的性能是比较方便的 第第 1 71 7 节节 FLUENTFLUENT 软件概述软件概述 FLUENT 是一个用于模拟和分析在复杂几何区域内的流体流动与 热交换问题的专用 CFD 软件 FLUENT 提供了灵活的网格特性 用户 可方便地使用结构网格和非结构网格对各种复杂区域进行网格划分 对于二维问题 可生成三角形单元网格和四边形单元网格 对于三维 问题 提供的网格单元包括四面体 六面体 棱锥 楔形体及杂交网 格等 FLUENT 还允许用户根据求解规模 精度及效率等因素 对网 格进行整体或局部的细化和粗化 对于具有较大梯度的流动区域 FLUENT 提供的网格自适应特性可让用户在很高的精度下得到流场的 解 FLUENT 使用 C 语言开发完成 支持 UNIX 和 Windows 等多种平 台 支持给予 MPI 的并行环境 FLUENT 通过交互的菜单界面与用户 进行交互 用户可通过多窗口方式随时观察计算的进程和计算结果 计算结果可以用云图 等直线图 矢量图 XY 散点图等多种方式显示 存储和打印 甚至传送给其他 CFD 或 FEM 软件 FLUENT 提供了用 户编程接口 让用户定制或控制相关的计算和输入输出 从本质上讲 FLUENT 只是一个求解器 FLUENT 本身提供的主 要功能包括导入网格模型 提供计算的物理模型 施加边界条件和材 料特性 求解和后处理 FLUENT 支持的网格生成软件包括 GAMBIT TGrid prePDF GeoMesh 及其他 CAD CAE 软件包 中国矿业大学徐海学院毕业设计 论文 15 第第 1 81 8 节节 本课题的主要研究内容本课题的主要研究内容 本课题采用数值模拟的方法 利用 FLUENT 软件研究旋风分离器 的气相流场特性 气固两相流场特性 颗粒运动轨迹 最后 提出两 种结构改进的旋风分离器 并与普通旋风分离器的性能进行比较 为 旋风分离器的优化设计提供了一定的指导意义 1 研究旋风分离器的数值模拟算法 包括理论模型的选择 数值 计算方法的选择等 2 考察旋风分离器的气相流场 分析其三维速度分布 压力分布 湍流结构特性以及压力损失 3 在单相流场的基础上 考察气固两相流场 对多种颗粒粒径颗 粒组的轨迹进行跟踪 查看分离器的分离能力 4 提出两种结构改进旋风分离器 并将其与普通旋风分离器的性 能进行比较 5 对结果进行分析 总结 中国矿业大学徐海学院毕业设计 论文 16 第第 2 2 章章 旋风分离器数值模拟方法研究旋风分离器数值模拟方法研究 第第 2 12 1 节节 气体相的数值模拟计算方法研究气体相的数值模拟计算方法研究 2 1 12 1 1 湍流模型湍流模型 旋风分离器流场是一种非稳态的湍流流动 但通常作如下假设 1 湍流各向同性 2 流体不可压缩 3 流动是稳态的 在此假设上 建立基本方程如下 将各控制微分方程以直角坐标 系下的张量形式写出 i 1 2 3 分别代表直角坐标下的三个坐标 i x 分量 i 1 2 3 分别代表直角坐标系下瞬时速度的三个分量 i u 连续性方程 中国矿业大学徐海学院毕业设计 论文 17 0 i i u x 2 1 动量方程 i iijijj jjj up uuuuuS txxx 2 2 式中 为未知雷诺应力分量 i j 1 2 3 ij uu 由于方程式 2 2 中出现了新的脉动速度的二阶关联项 即雷诺应 力项 致使它与连续性方程不能封闭 事实上 对项的不同模 ij uu 拟方法 可得到不同的封闭方法 进而就构成了不同的湍流模型 2 1 1 12 1 1 1 标准标准 k 模型模型 标准 k 模型自从被 Launder 等人提出之后 就变成工程流场计算 中主要的工具了 适用范围广 经济 合理的精度 这就是为什么它 在工业流场和热交换模拟中有如此广泛的应用了 它是个半经验的公 式 是从实验现象中总结出来的 主要是基于湍流动能和扩散率 k 方程是个精确方程 方程是个由经验公式导出的方程 k 模型假定 流场完全是湍流 分子之间的粘性可以忽略 标准 k 模型因而只对 完全是湍流的流场有效 该模型是基于各项同性涡粘性的 Boussinesq 假设 k 采用如下的 雷诺应力关联式子 2 3 jj i ijrrij jii uu u uuk xxx 2 3 中国矿业大学徐海学院毕业设计 论文 18 式中 湍流粘性系数 是 Kronecker delta 符号 2 r k C ij 当 i j 时 1 当 i j 时 0 14 ij ij k 和 由以下输运方程确定 i e k ijkj ku kk G txxx 2 4 12 i e k ijj u C GC txxxk 2 5 式中 湍动能生成项 j ik kr kik u uu G xxx 其余系数 0 09 1 45 1 92 1 0 1 33C 1 C 2 C k 2 1 1 22 1 1 2 RNG k 模型模型 RNG k 是在标准 k 模型的基础上 Yakhot 和 Orszag 把重整化 群 renormalization group 方法引入到湍流研究中 发展起来的一种 k 模型的改进形式 它的基本思想是把湍流看作是受随机力驱动的输 运过程 再通过频谱分析消去其中的小尺度涡 并将其影响归并到涡 粘性中 以得到所需尺度上的输运方程 该模型中 k 和 的输运方程分别为 i keffk ijj kukk G txxx 2 6 2 1 2 i effK ijj uC GC txxxkk 中国矿业大学徐海学院毕业设计 论文 19 2 7 式中 0 0845 1 39 effr 2 r k C C k 1 42 1 68 0 11 3 1 1 CC 1 C 2 C 4 377 0 012 1 2 2 ijij k EE 1 2 j i ij ji u u E xx 0 由此可以看出 RNG k 模型与标准 k 模型的主要区别在于 15 1 RNG k 模型中的常数是由理论推出而不是依靠经验来确定的 其适用性更强 2 可以用于低 Re 流动的情况 甚至对层流也能给出很好的模拟 结果 3 在耗散方程中增加了新的应变项 体现了平均应变率对耗散项 的影响 RNG k 模型可以更好地处理高应变律及流线弯曲程度较大的流 动 因此本文将采用 RNG k 双方程湍流模型 2 1 22 1 2 离散格式离散格式 控制方程定下来以后 就要对流场控制方程进行离散 在流场的 数值模拟中 很多问题都是因为动量方程中的对流项和压力梯度项的 离散处理不当 对控制方程进行离散时 只有正确选择离散格式 才 能得到比较稳定并且准确的计算结果 比较常见的离散格式有 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 QUICK 格式等 中国矿业大学徐海学院毕业设计 论文 20 在 FLUENT 中 对每一个控制方程的对流项的离散格式都可以进 行选择 当使用分离求解器时 在默认的情况下 所有的方程都是使 用一阶迎风离散来解对流问题 当使用耦合求解器时 在默认的情况 下 流动方程是二阶格式解出的 其它方程是用一阶格式解出的 一阶迎风格式只具有一阶精度的截差 它在任何计算条件下都能 保持绝对稳定 收敛性比较好 但是数值耗散比较大 为了克服一阶迎风差分截差较低的缺点 而又要保持一阶迎风差 分收敛性和稳定性好的优点 可以考虑采用二阶迎风差分格式 尤其 是对于复杂流动来说 采用二阶迎风差分格式可以获得更好的结果 但是它仍然有一定的假扩散 QUICK 格式 quadratic upwind interpolation for convective kinematics 是对流相二次迎风插值的缩写 这种差分格式相对于前面 两种差分格式 不但保留了结果的守恒 而且使得结果具有三阶精度 的截差 减小了假扩散 近年来 QUICK 格式得到了广泛的应用 特 别是当流动为强旋转流时 这种格式的优越性更加明显 但是稳定性 与准确性始终是一对矛盾 QUICK 格式不是无条件稳定的 在网格质 量不高的情况下 它比较难达到收敛稳定 通过对各种差分格式的分析 为了保持绝对稳定 得到较好的收 敛 本文将采用一阶迎风格式 2 1 32 1 3 压力插补格式压力插补格式 在数值计算时 对于动量方程的离散还设置了一项补充 通过 修正压力梯度项来控制 它采用非交错网格技术 将标量 速度与压 力用变量储存在同一个网格节点上进行求解 对于具有较大压力梯度 的旋转流场 非交错网格下计算得到的结果比交错网格下计算得到的 中国矿业大学徐海学院毕业设计 论文 21 结果的精度更好 同时减少了计算工作量 在 FLUENT 中 默认的压力插补格式为标准 standard 格式 对于大多数情况 标准格式已经足够了 因此本文也采用这种格式 2 1 42 1 4 压力与速度的耦合压力与速度的耦合 压力与速度的耦合问题是指有关压力梯度项的离散及求解问题 它包括两个方面 一方面是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 另一 方面是压力的一阶导数项以源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 以便于在迭代求解过程中的压力值能得到不断的改善 对于第一方面的问题 也就是不合理压力场的检测问题 通常的 解决方法是采用交错网格 而对于第二方面的问题 也就是假定一个 压力场后的改进方法 目前最著名并且广泛采用的方法是 Patankar 和 Spalding 在 1972 年提出的 SIMPLE 方法 Semi Implicit Method for Pressure Linked Equations 意思为 求解压力耦合方程组的半隐式方 法 它是一种主要用于求解不可压流场的数值方法 它的核心是采用 猜测 修正 的过程 在交错网格的基础上来计算压力场 从而达 到求解动量方程的目的 后来又出现了 SIMPLEC SIMPLE Consistent 和 PISO Pressure Implicit with Splitting of Operators 等方法 SIMPLEC 方 法意思是协调一致的 SIMPLE 算法 它是 SIMPLE 的改进方法 对于许 多问题 尤其是可以应用增加的亚松弛迭代时 使用 SIMPLEC 可能会 得到更好的结果 对于相对简单的问题 其收敛性已经被压力速度耦 合所限制 通常可以用 SIMPLEC 方法很快得到收敛解 对于包含湍 流的复杂流动 只要用压力速度耦合做限制 SIMPLEC 同样会提高收 中国矿业大学徐海学院毕业设计 论文 22 敛性 PISO 方法意思是压力的隐式算子分割算法 PISO 方法起初是 针对非稳态可压流动的无迭代计算所建立的一种压力速度计算程序 后来在稳态问题的迭代计算中也较广泛地使用了该方法 PISO 方法与 SIMPLE SIMPLEC 方法不同之处在于 SIMPLE 和 SIMPLEC 方法是 两步算法 即一步预测和一步修正 而 PISO 方法增加了一个修正步 包含一个预测步和两个修正步 在完成了第一步修正得到速度压力值 后寻求二次改进值 目的是使它们更好地同时满足动量方程和连续方 程 PISO 算法由于使用了预测 修正 再修正三步 从而可加快单个 迭代步中的收敛速度 考虑到旋风分离器内部流体流动的复杂性 综合分析这几种算法 的优缺点 本文将采用 SIMPLE 算法进行求解 第第 2 22 2 节节 颗粒相的数值模拟计算方法研究颗粒相的数值模拟计算方法研究 由于湍流的影响 流体在不同时刻 各个方向上都存在着脉动速 度 颗粒在流场中的速度 位置等都会由于受到这种脉动速度而发生 变化 因此必须要考虑湍流脉动的影响 这时候可以采用随机轨道模 型 假定颗粒为稀相 不考虑颗粒间的相互作用 只考虑颗粒的曳力 重力 离心力及边界层处的速度梯度力 颗粒的运动方程见式 2 8 2 8 2 1 1 1 ppp p r pp psaff r p p r duu v uuu dtr dvu vvvF dtr dw wwwg dt 中国矿业大学徐海学院毕业设计 论文 23 式中 和分别为颗粒的切向速度 径向速度和轴向速度 p u p v p w 为颗粒弛豫时间 考虑到气流 r 2 18 rpp df 24 Re D fC 脉动 文献给出了湍流脉动下的颗粒阻力系数 2 9 0 287 0 62 Re24 1 0 19Re1 0 095 Re b D f C 式中 为脉动主频率 为频谱拟合参数 b f 式 2 8 中 为 Saffman 力 其表达式如下 saff F 1 2 1 2 0 9 66 saffgp du Fuu dy 2 10 按式 2 8 算出颗粒运动速度后 即可按式 2 11 求颗粒的轨迹 p p p p p p dr v dt d ru dt dz w dt 2 11 由于 和均是r Z的函数 还受位置不同的 p u p v p w p u p w 影响 所以 上述运动方程是耦合的非线性微分方程组 尚无法求得 其解析解 只有靠计算机进行数值求解来获得颗粒的运动轨迹 L X Zhou F Boysan J P Minier 等对此进行了大量的研究 提出 了随机轨道法来求解上述方程 并提出了考虑气流与颗粒相互作用的 模型 即决定涡的特性即涡与颗粒相互作用的时间 常用的方法是在 假设涡的内部是均匀的基础上 定义涡的特征长度和生存时间分 e l e 中国矿业大学徐海学院毕业设计 论文 24 别为 3 43 2 e lCK 1 2 23 ee lK 而颗粒穿越涡团的时间及颗粒的弛豫时间分别为 t p 4 3 pp p gDgp d C VV ln 1 e tp gp l VV 式中 连续相瞬时速度由颗粒所在位置的连续相流场的平均速 g V 度及局部湍动能来确定的 假定速度脉动是各向同性和局部均匀 p V 可取 1 2 1 21 21 2 2 2 2 2 3 uvwk 并认为速度脉动符合当地高斯分布的概率密度分布 当颗粒穿过 某湍流涡团时 对速度脉动分量 和可作随机取样 即取 p u p v p w 1 2