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环流式旋风除尘器的流场测试与湍流度分析 摘要 本文采用p 1 v 实验和f l u e n t 数值模拟两种方法，研究环流式旋风除尘器内 的流场和湍流特性，为抑制除尘器内流体湍动和内构件优化提供理论依据。本文 主要研究工作如下： ， 采用先进的粒子匿像测速技术( p ) ，测量环流式旋风除尘器的二维瞬时速 度场，计算湍流强度等湍流特征系数；利用f l u e n t 前处理软件g a m b i t 画出 环流式旋风除尘器的模拟模型，根据环流式旋风除尘器色身结构特点和器志流体 流动情况，划出质量较高的六面体网格；使用f l u e n t 提供的r e y n o l d s 应力模 型( r s m ) 对环流式旋风除尘器内的流场进行数值模拟。 p i v 实验结果表明：切向速度在分离区内大致呈m 型分布，在兰= o 3 5 左右 k 出现最大值，锥体内切向速度在兰= o 2 棚。3 处达到最大值；环隙上部截面切向速 文 度8 m s 高于其它区域的速度( 2 5 m s - - 4 5 m s ) 。轴向速度在内筒及环隙内基本呈 轴对称分布，其最大值( 1 l r r d s ) 在轴心附近，沿径向向终逐渐减小。轴向速度在 锥体壁面附近先出现负值，然后略有增加。湍流度在除尘器不同截面上呈倒u 型 分布，具有较好的轴对称性，且变化相对平稳，基本不随轴向高度的改变而变化。 f l u e n t 模拟结采表磺：静压和总压呈v 型分布，有较好的轴对称性，在中 心涡核处较低。静压在旋风分离器排气管的下端中心处最低。环流式旋风除尘器 特殊的流路设计，避免了内外旋涡的相互干扰，增强了旋转速度，规整了流形， 消除了旋风除尘器易产生的短路流和二次返混，但在直筒段与锥体的连接处气流 湍动剥烈，入口处流型紊乱，除尘器内还存在少量纵向旋涡，这些旋涡童接影响 除垒器性能。 将r s m 得到的速度预测值与p i v 实验结果进行比较，二者基本吻合，说明 r s m 能够准确地预测旋风分离器内的强旋流。 关键词：环流式旋风除尘器p i v 流场f l u e n tr e y n o l d s 应力模型 f l o wf i e l dt e s ta n d 薹n t e n s n yo f t u r b u l e n c ea n a l y s i si n c i r c u m f l u e n tc y c l o n es e p a r a t o r a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h ef l o wf i e l d sa n dt h ev o r t e xc h a r a c t e r i s t i c so fc i r c u m f l u e n t c y c l o n es e p a r a t o r ( c f c ) w e r es t u d i e db ym e a n so fp e x p e r i m e n ta n df l u e n t n m e r i 蕊s i m u l a t i o n i tp r o v i d e dt h et h e o r yg i s tt or e s t r a i nt h ev o r t e xi nc y c l o n ea n d t h eo p t i m i z a t i o no fr e c t i f i e r ，n l em a i nw o r k si nt h i st h e s i sa sf o l l o w s ： u t i l i z i n ga na d v a n c e dm e a s u r e m e n tt e c h n i q u e - - - p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y0 i v ) ， t h ei n s t a n t a n e o u st w o d i m e n s i o n a lv e l o c i t yd i s t r i b u t i o n sa ts o m es e c t i o n so ft h ec f c w e r eo b t a i n e d s o m et u r b u l e n tc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha si n t e n s i t yo ft u r b u l e n c eo ff l o w f i e l d ，w e r ea l s oc o m p u t e df r o mt h ei n s t a n t a n e o u sv e l o c i t i e sm e a s u r e m e n tb yp i v u t i l i z i n gt h ep r e p r e p a r a t i o ns o f t w a r eo ff l u e n t 1 g ：a m b i r t h ep h y s i c a lm o d e li n t h es i m u l a t i o nw a se s t a b l i s h e d 。a c c o r d i n gt ot h ec o n f i g u r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e f l u i df l o wo fc f c ，t h eh e x a h e d r a le x c e l l e n tg r i d sw e r eg e n e r a t e dw h i c hc o u l ds a t i s f y t h ec o m p u t a t i o n & m a n d so ff l u e n t 。u t i l i z i n gr e y n o l d ss t r e s sm o d e l 承s 的o f f l u e 】卅o n eo ft h ec o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) ，t h eg a sf l o wf i e l di n c f cw a ss i m u l a t e d 强ep e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h ed i s t r i b u t i o n so ft h et a n g e n t i a l v e l o c i t yw e r ep e r f e c t l ya x i s - s y m m e t r i c a li nt h es e p a r a t i n gf i e l d s ，p r e s e n t i n gi nm s h a p ea n dw h e nr rw a sa b o u t0 。3 5 ，w eg o tt h em a xv e l o c i t y a n dw h e nr 原w a sf r o m0 2 t o0 3 ，w ec o u l dg e tt h em a x v e l o c i t yo ft a n g e n t i a li nt h ec o n e t a n g e n t i a lv e l o c i t ya tt h eu p p e r s e c t i o nw a sb i g g e r ( 8 m s ) t h a no t h e rs e c t i o n si nt h ec i r q u e0 。5 m s - - 4 。5 m s ) t h e d i s t r i b u t i o n so ft h ea x i a lv e l o c i 哆w e r eb a s i c a l l ya x i s s y m m e t r i c a li nt h ei n n e ra n dt h e c i r q u eo ft h ec f c ，a n dt h em a xa x i a lv e l o c i t y ( 11 m s ) w a sa p p e a r e di nt h ev i c i n i 哆o f a x e s ，i td e c r e a s e dw i t ht h ea c c r e t i o no ft h er a d i u s 。i nt h ea r e a sn e x tt ot h ew a l lo ft h e c f c ，t h ea x i a lv e l o c i t yw a sn e g a t i v ef i r s t l y ，t h e ni ti n c r e a s e ds l i 曲t l y t h ei n t e n s i t yo f t u r b u l e n c ew a sp r e s e n t e di ni n v e r s eus h a p e ，a n dt h ed i s t r i b u t i o n sw e r ep e r f e c t l y a x i s - s y m m e t r i c a la tt h ed i f f e r e n ts e c t i o n so ft h ec f c t h ei n t e n s i t yo ft u r b u l e n c ew a s s t e a d i l yc h a n g e d ，a n ds e l d o mc h a n g e d 研mt h ea x i a lh e i g h t t h es i m u l a t i o nr e s u l t sr e v e a l e dt h a tt h ed i s t r i b u t i o n so ft o t a lp r e s s u r ea n ds t a t i c p r e s s u r ew e r es i m i l a r ，b o t hp r e s e n t i n g i nvs h a p ea n d t h e yw e r er e l a t i v e l y a x i s s y m m e t r i c a li nt h es e p a r a t i n gs p a c e s t h et o t a lp r e s s u r ea n ds t a t i cp r e s s u r e a p p e a r e da tt h ec e n t r a lv o r t e xw e r el o w ，a n dt h el o w e s tp o i n to fs t a t i cp r e s s u r e a p p e a r e da tc e n t e ro ft h eu n d e r s i d eo fv e n t - p i p ei nc f c t h es p e c i a lf l u i dp a t hd e s i g n o ft h ec i r c u m f l u e n tc y c l o n es e p a r a t o rs h o r t e n e dt h em o v i n gd i s t a n c eo ft h ef l u i d ， a v o i d e dt h ed i s t u r b a n c eb e t w e e nt h ei n n e ra n do u t e rf l o w , a n de l i m i n a t e dt h e s e c o n d a r yv o r t e xa n ds h o r tc i r c u i tf l o we x i s t i n gi nc o n v e n t i o n a lc y c l o n e s b u tt h e l i q u i dm o v e da c u t e l yb e t w e e ni n n e rp i e c ea n dt h ec o n e ，t h ef l o wf i e l dw e r ev e r y c o n f u s i o na n dal i t t l ep o r t r a i tv o r t i c e sl i e di nc f c t h e s ee d d i e sw o u l dd i r e c t l ye f f e c t t h ep e r f o r m a n c e so fc f c c o m p a r e dt h e f o r e c a s t e dv e l o c i t yo b t a i n e df r o mr s mm o d e lt ot h ep e x p e r i m e n t a lr e s u l t ，t h e yw e r eb a s i c a l l yc o i n c i d e n t i ts h o w e d 廿l a tr s m m o d e lc o u l d e x a c t l yp r e d i c tt h es t r o n gr e v o l v e si nc f c k e yw o r d s ：c i r c u m f l u e n tc y c l o n es e p a r a t o rp i vf l o wf i e l df l u e n t r e y n o l d ss t r e s sm o d e l 青岛科技大学硕士研究生学位论文 符号说明 声音速度，m s 曳力系数 旋风除尘器筒体直径，m 水力直径，m 发射频率 旋风除尘器总高度，m 湍流强度 压力，p a 处理风量，m 3 s 雷诺数 声源相对于接收器的速度，m s 切向速度，m s 轴向速度，m s 径向速度，m s 旋风除尘器轴向高度，m 进气口高度，m 进气口宽度，m 排气管直径，m 排灰口直径，m 临界粒径，m 排气管直径，m 旋风除尘器简体高度，m 湍流脉动动能，j 水平沉降室的长度，m 常数 气流质点的旋转半径，m 平均速度度，m s 脉动速度，m s x 方向上气相流体瞬时速度，m s c岛d腑风h i p qv耽z a b m 也m 如h k 。 n r 甜矿 环流式旋风除尘器的流场测试与湍流度分析 “z 希腊字母 0 【i 、岛 p m 地 6 q o p p c 、i ， y 方向上气相流体的瞬时速度，m s z 方向上气相流体的瞬时速度，m s 粒子像素的灰度值 空气的动力粘度，p a s 湍流粘性系数 湍动粘度，p a s “k r o n e c k e rd e l t a ”符号 湍流耗散率 旋转角速度 湍流耗散率的p r a n d t l 数 流体密度，k g m 3 尘粒密度，k g m 3 g a u s s i a n 自由准数 2 青岛科技大学硕十研究生学位论文 声明 本人声明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中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请 的论文或成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了 明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：丝羔谣易 日期：呀年月，7 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解青岛科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人离校后发表或 使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为青岛科 技大学。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 本学位论文属于： 保密口，在 年解密后适用于本声明。 不保密r - i 。 ( 请在以上方框内打“寸) 日期：矽年乇，夕日 日期：) 书年石月，7 日 谚，k 荫伽 级盈 名名签登人师本引 青岛科技大学硕士研究生学位论文 _ 上j l _ 刖舌 旋风除尘器( 也称旋风分离器) 是利用含尘气体旋转所产生的离心力将固体 粉尘从含尘气体中分离出来的一种静止机械设备。它具有分离效率高、结构简单、 占地面积小、操作维护方便等优点，广泛应用于轻工业和重工业，既可以设计成 分级器，也可以设计成分离器，亦可用于各种工艺过程中除雾以及洗涤与液液分 离。 自1 8 8 6 年第一台圆锥形旋风分离器问世以来，国内外学者对分离器的结构、 尺寸、流场特性等进行了大量的研究，对旋风除尘器内部的气流状态与固体颗粒 的运动规律有了一定的了解，并开发出了性能较好的旋风除尘器。但因旋风分离 器内的流场是极复杂的三维强旋转流场，人们对其内的基本力学过程研究不够， 致使旋风分离器的设计、操作仍带有十分浓厚的经验性质。环流式旋风分离器( 专 利号：z l 0 2 2 7 0 0 7 6 5 ) 是青岛科技大学化学工程研究所在研究普通型旋风分离器 原理的基础上，对旋风分离器进行结构优化开发出的一种新型高效气一固分离设 备。它解决了国内气、固相分离过程中存在的许多工程技术难题。 环流式旋风分离器以导流整流措施使流体按设定流路流动，抑制流体湍动， 使除尘器性能大幅度提高，但亟待研究内部流场规律，以进一步优化内部构件。 近年来随着实验技术的不断更新、发展，流体力学的实验研究取得了很大进 展，尤其是在流动显示和流场测量上，l d v 、p i v 已经取代了传统的流体接触式 测量。同时随着计算机技术的发展，数值模拟己成为研究流体动力学特性的有效 途径，并在很大程度上促进了实验研究和理论的发展。 本文拟在对已有机理的认识基础上，采用先进的p i v 实验方法和f l u e n t 数值模拟工具对环流式旋风分离器内流场和湍流度作深入的研究。弄清楚环流式 旋风除尘器流场的相关理论机理，从而为改进倒流整流件及优化结构系数提供实 验和理论依据。 3 环流式旋风除尘器的流场测试与湍流度分析 第一章文献综述 旋风分离器是最有效的工程设备之一，该设备没有运动部件，基本不需要维 护，但可把流速为1 5 m s 。3 0 m s 的气体所含的微米级颗粒分离出来，而且压降不 高。因此，旋风分离器在生产过程中的应用非常广泛。 1 1 旋风除尘器发展简介 旋风除尘器自1 8 8 6 年m o r s e 1 】申请专利投入使用到今天，在工业上的应用已有 百余年历史。在它出现的前半个世纪里，人们对其性能和机理并未进行深入的分 析研究，一直处于按经验设计的阶段，因此分离的最小粒径也一直停留在4 0 - 6 0 i ，t m 的水平上。上世纪二十年代末至六十年代初，是对旋风类除尘器进行全面试 验和研究的阶段。1 9 2 8 年波罗克( p r o c k a c t ) 第一次对旋风器的性能进行t n 定。 1 9 4 9 年荷兰人特兰登( t e r l i n d e n ) 对旋风除尘器内的流场进行了较系统的研究，为 旋风除尘器理论的发展奠定了基础。罗辛( r o s i n ) 等人于1 9 3 2 年提出的转圈理论和 巴特( b a r t h ) 于1 9 5 0 年提出的筛分理论是这一阶段的主要理论成果。从六十年代初 开始，旋风除尘器进入了一个新的发展阶段。人们在对旋风除尘器内部流场及浓 度场进行大量测试的基础上，对旋风除尘器内部流场及除尘过程有了更加全面的 认识，这就为旋风除尘器捕集微细颗粒打下了基础。使旋风分离的捕集能力有了 很大的提高。1 9 6 3 年，西德研制出d e l 旋风除尘器，此装置把捕集分离空间移到 旋涡叠加的流场内，这种类型的旋风除尘器可捕集0 4 x m 的尘粒。1 9 7 5 年，东德 的一些科研部门采用电算的方法，把无量纲的量编成计算机程序，以力求达到最 佳的捕尘效果。此后，各种能捕集微细粉尘的旋风除尘器相继问世。例如，美国 的c o l l e c t r o n ，同本的j e l c l o n e 以及r o l c l o n e 等等，这些都说明，人们已把旋风除尘 器的捕集分离能力推向超微细粒子【硝】。 1 2 旋风除尘器的研究概况 1 2 1 旋风除尘器结构及工作原理 常规旋风除尘器结构见图1 - 1 ，主要由( 1 ) 排气管、( 2 ) 进口、( 3 ) 简体、 ( 4 ) 锥体及( 5 ) 排灰口等组成。整个流动过程如图1 2 所示，气固两相流由切 向入口进入分离器之后，首先沿筒壁、锥壁旋转向下至灰斗入口形成下行流，在 4 青岛科技人学硕士研究生学位论文 此过程中，固相物质受离心力作用，绝大部分被浓缩至器壁，在自身重力及下行 气流带动下进入排灰管而被排出；其后气相保持相同旋转方向反转向上( 反转过 程实际上在整个高度上是随时进行的) ，至排气管入口断面，进入排气管排出分 离器。 2 1 r i 卜 图1 - 1 常靓飙除尘器结构示意 f i g 1 1t h ec o n f i g u r a t i o no fc o n v e n t i o n a l c y c l o n es e p a r a t o r 1 2 2 旋风除尘器的内气体流动 图1 - 2 常规旋风除尘器内流动示意 f i g 1 - 2t h ef l o wo fc o n v e n t i o n a l c y c l o n es e p a r a t o r 旋风除尘器内的流场是一个相当复杂的三维紊流场。气体在器内作旋转运动 时，任一点的速度均可分解为切向速度v t 、轴向速度v z 和径向速度v f 。 在旋风除尘器内，切向速度产生离心加速度v 。2 r ，使颗粒在径向产生由内向 外的离心沉降速度，把颗粒推向筒壁，在外旋流的轴向力和重力作用下落到灰斗， 对粉尘颗粒的捕集与分离起着主导作用。切向速度增大，分离效率会提高。旋风 流场由内、外两层旋流组成，中心部分的旋转气流，其切向速度v t 随着半径的增 大而增大，是类似于刚体旋转运动的准强制涡，称为“内涡旋；外部的旋转气 流，其切向速度v t 则随着半径的增加而减少，称“外涡旋，是准自由旋涡，在 内、外旋流的交界面上，切向速度达到最大值。对于不考虑粘性摩擦损失的理想 流体，切向速度的分布可用兰金涡模型；对于实际流体，由于气流和壁面、气流 5 环流式旋风除尘器的流场测试与湍流度分析 微团间的摩擦及湍流涡旋耗散等的影响，一般用下式表示【6 】： 外旋流( 准自由涡) ：v d r = t o = c o n s t ( 1 - 1 ) 内旋流( 准强制涡 ) ：v t i j l = c o n s t ( 1 2 ) 卜瓶轴心距离；瞒转角速度；n 常数：n - 1 时为自由涡；n - - 0 5 加9 时 为外旋流中的实际流动状态；r = 0 时，v t 常数，即处于内外旋流交界面上；行= 一1 时为强制涡。 向心的径向速度会把颗粒沿径向推到中心涡核，使颗粒随上升气流从排气管 排出。它是影响旋风除尘器性能的重要因素。通常，径向速度v r 远小于切向和 轴向速度。径向速度大部分是向心的，即“汇流 ；只有在中心涡核处才有小部 分的向外径向流，即“源流 。在理想情况下，平面旋转流动可以近似的看成平 面势流( 自由涡) 与平面点汇所组成。且假设径向速度沿轴向分布均匀，于是有径 向速度分布： v = 等 ( 1 - 3 ) 式中，q 为进入旋风分离器的气流量，m 3 s ；r 为旋转半径，m ：h 为假想筒 体高度( 从排气管下端一直向下延伸到锥体) ，m 。 但是在实际流动中，由于粘性等条件的影响，径向速度分布比较复杂，而且 又不容易测准。目前，学者认为旋风除尘器内的径向速度分布是非轴对称的，尤 其在锥体下部靠近排尘口附近，有明显的“偏流 。此外，沿轴线方向，径向速 度也分布不均匀。在排气管下口附近，径向向心速度较大，有时甚至高达5 。l o m s ， 易形成短路流现象。这些较大的向心气流会将颗粒拽带至排气管中的向上气流 中，直接排出，这对分离非常不利。 轴向速度v z 的分布也很复杂，这不仅表现在沿径向分布比较复杂，而且沿轴 向的变化很大，轴对称性不如切向速度，至今尚无可靠的计算方法。在分离空间 内，一般将气流分为外侧下行流和内侧上行流两个区域，上、下行流的交界面形 状与旋风除尘器的形状相似。在简体部分，此分界面也大致呈圆柱状。外测下行 流的气体流量沿轴向向下逐渐变小，约有1 5 - 4 0 会进入灰斗( 视排尘口大小而 定) ，把捕集的颗粒沉降于灰斗内后再从中心返回到旋风除尘器内。这时总会夹 带一部分细颗粒进入中心向上的气流中，对分离很不利。外测下行流的轴向速度 远大于颗粒的终端沉降速度，所以旋风除尘器不垂直放置也可以顺利排灰。 在强旋流中，一般静压主要取决于切向速度，可近似表达为：一d p ：堕。静 d r， 压一般随半径的缩小而急剧降低，中心涡核处静压远低于入口处静压，而且也低 于排气管内平均静压。灰斗内的平均静压亦低于入口处静压。当旋风除尘器在负 6 青岛科技人学硕上研究生学位论文 压下操作时，如灰斗密封不好，将有气体漏入，增大了向上的气速，使分离效率 急剧下降。 所以，对切向、轴向、径向速度和静压的研究是研究旋风除尘器分离机理的 基础。 1 2 3 旋风除尘器内的次流 旋风除尘器除上述主流以外，还有对效率提高起重要作用的非主流流动，称 之为“次流 ( 如图1 3 ) 。次流主要由轴向速度v z 和径向速度v r 相互作用而形成。 对于次流的流型，认识尚未统一，而次流对旋风除尘器的性能，尤其对微小颗粒 的分离和压降损失影响很大，这些次流主要有【6 】： ( 1 ) 短路流：处于旋风除尘器的项盖、排气管和筒体内壁间。由于旋转气 流的摩擦，导致壁面边界层中的气体旋转速度大为降低，从周边到中心的静压依 次降低，迫使顶盖内壁面边界层中的气体由周边沿径向向中心“汇流，气体流 至中心管时沿排气管外表面向下流动，至排气管底部受入口气体的带动该向壁面 流动，形成循环。但入口气体波动时，这部分气体会携带微细粉尘直接进入排气 口，造成“短路 。从实验结果得出，短路流可达总流量的1 5 。因此如何设计 排气管使得短路流减少对提高效率至关重要。 ( 2 ) 纵向旋涡流：当排气管中的有效流通截面远小于排气管底端面以下内 旋流的截面时，排气管入口处将发生“节流效应”，导致“节流区”部分流体在旋 风除尘器内作纵向循环运动。其结果加大了排气管入口附近气流的径向速度，易 造成内外旋流的“短路，影响了旋风分离器的分高性能。 ( 3 ) 外层旋涡中的局部涡流：旋风除尘器内壁表面的突起、焊接等不光滑 会造成局部涡流，其流动方向往往与主流动方向垂直，涡流速度值可达主流速度 的五分之一。这种涡旋可以将壁面附近或者已经达到壁面的颗粒再次甩到远离壁 面的气流中去，降低了旋风除尘器的分离能力，尤其是大颗粒的分离效率，因此， 提高旋风除尘器的内表面制造质量是十分重要的。 ( 4 ) 底部夹带：外层旋涡在锥体底部向上返转时产生局部涡流，能把一部 分已经分离下来的颗粒重新卷走。据s t a n m a n d 报道：底部央带的颗粒可占从排 气管逸出量的2 0 一3 0 ，这样就大大降低了分离效率。因此，合理的结构设计， 减少底部夹带是改善旋风除尘器捕集效率的重要方面。 次流对旋风除尘器的分离效率影响很大，尤其是粒级效率。但是，次流是无 法避免的，我们可以通过改进旋风除尘器的结构型式、合理设计结构尺寸、选择 合适的入口速度和提高制造旋风除尘器内表面的制造精度等措施减少其产生。因 此分析其形成原因可为提高旋风除尘器的结构优化提供理论依据。 7 环流式旋风除尘器的流场测试与湍流度分析 图1 - 3 旋风除尘器内典型涡流 f i g 1 - 3t r a d i t i o n a le d d yi nt h ec y c l o n e 1 2 4 旋风流场的试验研究 旋风分离器内含颗粒流体的流动属于低浓度流体力学，所以可先分析纯气体 流场，再考虑颗粒在其中的运动。 旋风除尘器内气流呈三维旋转运动，同时存在流体旋转和流线弯曲，还有回 流现象，内部湍流具有强烈的非均匀性和各向异性。颗粒与气相的作用复杂，运 动轨迹多种多样川。由于流场的特性是旋风除尘的基础，所以流场一直是各国研 究者致力研究的问题。为了探索其规律，研究者在各自的模型上做了大量的实验 测定，所得的结果为研究气固两相分离机理提供了数据。代表性的流场测定结果 有： 1 a j t e rl i n d e n t 8 】1 9 4 9 年给出的流场测定结果如图1 4 所示：其分离器模型 进口位于风机出口正压段且分离器出口直接通大气。所获流场为：流场遵循轴对 称分布，气流全速度与切向速度相差不大，所以流体的切向速度起主导作用。从 边壁到中心切向速度逐渐增加，并在0 6 5 d e ( d e 为排气管直径) 处达到最大值，然 后随着半径的减小而逐渐下降。切向速度的最大值将分离器流场分为内外两个涡 旋，其中在外涡旋中，切向速度随半径的分布指数n = 0 5 2 ；轴向速度分为上、下 行流。在下行流，即靠近外壁面部分，轴向速度方向向下，使得携带粉尘粒子的 气流进入狄斗，而在上行流部分，轴向速度方向向上，在每个断面上轴心处，存 在“滞留”现象；径向速度象预计的那样，在旋风分离器的大部分区域向心，有 携带粉尘到中心的趋势，但在湍流核心部分，径向速度向外，压力场的分布呈轴 对称分布，在轴心处达到最小值。 8 青岛科技大学硕士研究生学位论文 2 木村典夫和长谷川善哉等【9 】于1 9 7 2 年报告了他们的流场测定结果，其实 验分离器模型为二次循环式，结果表明：切向速度、轴向速度及静压的分布规律 与a j t e rl i n d e n 的结论基本相同，但径向速度分布与之恰恰相反。 3 柳绮年和贾复等f l o l 于1 9 7 8 年给出了流场测定结果，认为：前人将切向速度 分布分为核心部分的刚性旋转以及外部沿半径负幂次律v t = 蚶的“准自由涡 两部分的做法是一个较好的近似，推荐使用的n = 0 5 5 4 ) 6 5 ；径向速度一般较切 向速度小一个数量级，与1 、2 明显不同的是流场的非轴对称性，轴向速度有一波 谷形分布最低点，接近于零，个别断面出现负值( 倒流) ；静压与全压的分布规律 与前人相同。 ， 彳空向速度全压轴向速度 韧向速度静压 图1 _ 4 丸j t e rl i n d e n 流场测试图 f i g 1 - 4t h ef l o w 舶mo fe x p e r i m e n to f a j t e rl i n d e n 4 许宏庆【1 1 】于1 9 8 4 年用双色激光多普勒测速仪( l d v ) 和热线风速仪进 行了旋风分离器开环( 分离器出口直接通大气) 和闭环两种情况下的流场测定。 其流场测定结果为：对闭环情况仅给出了切向速度分布，旋风分离器的几何中心 与旋转气流的几何中心是不一致的，在不同高度的平面上，气流旋转中心的位置 不同，非轴对称流动对径向速度分量的测量影响很大，即使两个中心仅有一点偏 差，也会导致径向速度的很大误差，这是因为径向速度比切向速度小得多；沿着 不同的几何半径测量得到的径向速度是不同的。一般来说，在旋风分离器流场的 外部区域，径向速度比切向速度小得多，在中心区域，它们是同量级的，同前人 的结论一样，切向速度的分布由两部分组成，外部区域近似于自由涡流场，内部 9 环流式旋风除尘器的流场测试0 湍流度分析 区域近似于固体的旋转运动，内外涡旋交界面直径开环时d = 0 6 2 d e ，闭环时d = 0 7 7 d e 。 5 周力行等人【1 2 1 于1 9 9 0 年报告了利用激光多普勒测速仪( l d v ) 和三孔探针 进行的旋风离器内速度场和压力场的测量结果：轴向速度在上行流区的最大值远 大于在下行流区的最大值；旋转运动使靠近轴线的区域压力很低，此区域类似刚 体的旋转运动，所以最大轴向速度不是恰好在中心线位置，而是离中心线有一定 的距离；试验和数值计算结果都表明，强旋情况下轴向速度在近轴区可能出现倒 流，因而在z - r 平面内形成双循环流动区域，也就是轴向速度呈s 形分布；切向速 度分两部分，近轴核心区的强制涡及外部的自由涡。除靠近锥体底部外，切向速 度最大值的半径位置与高度无关，这是流体角动量守恒的结果；压力分布规律与 前人相同。 6 王连泽和叶龙【”1 1 9 9 4 年针对径向速度的研究报告甚少且相互矛盾，专门进 行了径向速度分布的实验研究，结果是：在简体和锥体的上一半高度上，径向速 度外部向外，内部向心；在锥体的下一半高度上，全部向心。 1 2 5 旋风除尘器流场的数值模拟 关于旋风除尘器内部流场的数值模拟，只是近几十年随着计算机技术的发展 才初步得到了一些成果。由于旋风除尘器内的流动是强旋转的湍流运动，其数值 模拟极具挑战性。这就需要研究者一方面在物理模型上尽量的进行简化假设，另 一方面在湍流模式上进行改进。旋风除尘器流场数值模拟的代表性结果有： b o y s a n 和a y e r s 1 4 1 ( 1 9 8 2 ) 采用k - 模式与代数应力模式( a s m ) 相结合的 一种各向异性模式，给出了轴对称假定下的切向速度及其脉动速度和压力损失的 计算结果。与实验结果对比发现切向速度和压力损失与实验吻合较好，脉动速度 吻合一般。 周力行和s o o l l 2 】( 1 9 9 0 ) 利用标准k - 模式给出了二维流动时切向速度、轴向 速度、压力分布及压力损失的计算结果，并与实验结果进行了比较。切向速度吻 合较好，其他物理量存在较大的误差，再次说明标准k - e 模式不适合于强旋流场的 计算。 张建等【1 5 l ( 1 9 9 2 ) 提出了一种新的代数应力模式模拟了旋转流场的流动，并 与k - e 模式和原始代数应力模式的计算结果同实验结果进行了对比。结论表明这种 新的代数应力模式所得计算值更接近实验值。 f r a s e r 等【1 6 j ( 1 9 9 6 ) 将标准k 模式进行改进，求解了旋风分离器内部的切向 和轴向速度的分布，与标准k - e 模式的计算结果一起同实验进行了比较。这种改进 的k - e 模式取得了较好的结果。 1 0 青岛科技大学硕十研究生学位论文 上海理工大学的林玮和王乃宁在1 9 9 6 年【”l 采用一种适合于强旋流的代数应 力湍流模型对旋风分离器内的流场进行了数值模拟，其代数应力模型采用l a u n d e r 和r o d i 推荐的雷诺应力表达式，利用湍流局部平衡的假设，并结合强旋流的特 点进行简化。控制方程采用有限体积法离散及用非交错网格下的s i m p l e 算法进 行求解。结果显示代数应力模型适于模拟具有强烈旋转的旋风分离器内的流动， 且显示出的强旋流具有湍流各向异性的特点。此后二人又于1 9 9 9 年【1 8 】采用修正的 k - 湍流模型对旋风分离器内的三维两相流场进行了数值模拟，控制方程在三维贴 体坐标系下用非交错的s i m p l e 算法求解，得到了分离器内的速度场和压力场， 计算表明旋风分离器进气形式的非对称性决定了其流场的三维性，且轴向速度在 中心处有滞流、回流现象。 石油大学的刘云龙等【1 9 】在1 9 9 9 年用有限差分法对旋流器内流场进行了数值 模拟，采用修正的各向异性的k - 模型，计算采用s i m p l e 算法对控制方程迸行迭 代求解。结果表明各向异性的湍流模型能够正确模拟旋流湍流流场。 h o e k s t r a 等1 2 0 l ( 1 9 9 9 ) 采用r e y n o l d s 应力模式( r s m ) 计算了旋风分离器 中的强旋流场，并与标准k 模式和r n g k _ 模式的计算结果同l d v 实验结果进 行了比较，显示了r s m 在求解各向异性尤其是旋转流场方面的突出优势。文中还 对脉动速度的计算结果与实验进行了对比。 北京理工大学魏志军和张平【2 1 】( 2 0 0 0 ) 分别采用标准的k - e 模式和c h e n k i m 模式对旋风分离器内部流场进行了三维的数值模拟，主要针对切向速度的结果和 实验进行了比较。结果表明c h e n k i m 模式的模拟结果与实验结果吻合较好。 清华大学的彭维吲2 2 】在2 0 0 1 年用介于a s m 和r s m 之间的一个混合模型对切 向旋风分离器内部流场进行了数值模拟和实验研究，得到的流场分布结果与实验 吻合较好。 、 毛羽等【2 3 】( 2 0 0 2 ) 采用标准的k - 模式和r e y n o l d s 应力输运模式( r s m ) 对 单蜗入口旋风分离器内的流场进行了计算，并与实验结果进行了对比。结果表明 r s m 更能反映旋风分离器内部的强旋流动特性。 2 0 0 4 年，胡璨元等人【z q 针对强旋流动采用雷诺应力模型i p c m + w 甜l 的线性模 型模拟流场，通过数值计算对除尘器参数进行优化和改进。模拟结果表明在分离 空间和灰斗内，预测值与实测值吻合较好，在排气管内与实验值有一定距离有待 改进。 2 0 0 5 年，薛小虎【冽采用胡璨元优化了模型常数的雷诺应力模型，对旋风分离 器上部空间各种二次涡进行了数值模拟，重点分析了顶板和排气管附近的局部二 次涡，数值模拟结果对器内流场有很好的预报精度。 2 0 0 6 年，b e m a r d os 和m o r im 等闲采用s l a t e r r yjc 所改进的雷诺输运模型， 1 1 甄漉式旋风豫尘器麴流场测试，滚流凌分辑 模型常数用各项同性方程中的系数代替，模拟了不同入口角度的蜗壳式旋风分离 器内全空间非对称三维时均流场，取得与实验结果比较一致的预报效果，特别在 总的分离效率方面，误差仅为0 0 7 。 1 2 6 湍流度的研究 在充分发展的湍流中，脉动速度是空间和时间的极其复杂的函数。从统计观 点出发，某一点的脉动速度随时闻的变化可以作为衡量湍动程度的一种标准，而 脉动速度与平均速度的比值，例如就x 方向而言，：玩可视为x 某方向上该点 流体质点的脉动程度。毽是由予秘：有时为正值，有时为负值，撑：。0 ，新以搿：缄不 好作为量度湍流强度的尺度，比较合理的办法是采用x 、y 、z 三方向上速度脉 动分量嚣：、u ：、甜：的乘方值得算术平均值，而艨再取其方根值，这一方根脉动速 度对时均速度的比值称为流体质点的湍动强度i ( i n t e n s i t y o f t u r b u l e n c e ) ，也称湍 厅7 了= - 天 流度，即湍动强度的定义式为：f 。型至! ! ：! 二! ! 三! 聪工一 不同湍流状态，湍动强度数值有很大差异。例如，流体在餍管中流动时，湍 动强度i 的数值范围为1 1 0 ，而对于尾流、自由喷射流这样的高湍动流动，i 的数值可达钧。 对普通型旋风除尘器，湍流度l 卅在排气管以下的主分离空间内，呈较好的轴 对称性。湍流度在外旋流区沿径向分布基本均匀，平均在4 1 0 之间，弱在内 旋流区沿径向向内逐渐加大，中心部位可达3 0 以上，这时相当于脉动速度可达 3 - 5 m s ，与短路流区的时均径向速度相当，加剧了细颗粒湍流扩散，对分离不利， 同时内旋流较高的湍流度意味着能量耗散也大。 在湍流度方面，姬忠礼等利用热线风速仪的测量表明，在外旋流区及上部环 形空闻内，湍流度与湍流脉动速度均方根值较小，并显沿径向只有微小交化，湍 流度约为2 5 。而在内旋流区，尤其在排气管末端和排灰口附近，脉动速度和湍 流度檩当大，湍流度讶高达3 0 ，脉动速度均方根值可达6 9 m s 。在这些部位， 脉动速度与径向速度相近，流场极不稳定。 石油大学时铭显院士对蜗壳式旋风分离器内的湍流度进行了研究，结果表明： 在分离器的分离空闻的筒段，湍流度变化相对平稳，基本不随轴向高度丽变化， 而且被内外旋流的交界面分为两区，外区与脉无关，基本是一定值，约为9 左 右；内区的湍流强度划随征的减小逐渐增大，到中心轴线附近达到最大，轴向 湍流度约为2 7 左右，切向湍流度约在2 7 圳之间，在外区边壁处的切向湍 青岛科技人学硕上研究生学位论文 流度陡升，说明浓集在边壁的颗粒很容易被二次扬起，影响了分离效率。在排尘 口返混段，两个分量的湍流度沿轴向都逐渐变为不分内外区，均随腿的减小而 增大，切向湍流度沿轴向逐渐增大，从外向内陡升，比上段的值大得多。在排尘 i ：i 附近，由于返混较严重，湍流度特别大【绷。在蜗壳入口和排气管所形成的上部 环形空间，湍流度随轴向的变化不大，两端近壁处都上升，中间随r r 的增大而 有所上升，环形空间的轴向湍流度在数值上与分离空间外旋流的轴向湍流度数值 相当，两侧近壁处轴向湍流度较大。切向湍流度几乎与轴向高度无关，而且沿轴 向分布较平坦，但在靠近器壁和排气管边壁处急剧增大，与轴向湍流度类似。切 向湍流度沿轴向变化较大，呈非轴对称性，在环形空间中下部，切向湍流度沿轴 向高度不化不大【2 9 1 。 1 3 环流式旋风除尘器简介 1 3 1 环流式旋风除尘器的开发思路 常规旋风除尘器内流体的流动先沿边壁自上而下，然后沿轴心自下而上运 动，流体流动路线长，两个相反流动方向的流体旋涡，导致了流体剪应力大，压 降大；对于大直径的旋风除尘器，由于剪应力大，器内流体易产生剧烈的湍动， 不易形成分离所必须的稳定流型，随直径增大，分离效率急剧下降，放大效应显 著；由于气体在