[机械模具数控自动化专业毕业设计外文文献及翻译]【期刊】气旋的形状和除尘器对气固流场和性能的影响-中文翻译

气旋的形状和除尘器对气固流场和性能的影响 Kyoungwoo 帕克等著 ,王杰译 摘要 一个高效旋风除尘器已经完成了分离效率和流动特性的数值分析。在观察了几个实验模型的基础上，提出了一种设计目的。然而，这些模型只是在估计气旋的性能有限的情况下，对于所有类型的气旋很难获得一个通用的模型。本研究的目的是找出流动特性和分离效率的数值模拟。雷诺兹应力模型（ RSM） ，不是一个标准的 k-或 k-模型，它适用于各向同性湍流，并且可以很好地预测压力降和兰金涡 。 对于小颗粒，有三个重要的粒子分离组件（升气管入口、锥、除尘器）。在目前的工作中，用了相当长的时间观察粒子从除尘器到旋风体的再夹带现象。这个再夹带现象退化的分离效率，是旋风给除尘器的分离效率的一个重要因素。 引言 旋风除尘器可以从空气中分离出颗粒流，已被广泛用于许多工业过程，如空气污染控制和环境清洗过程，由于其能适应恶劣条件，设计简单，成本低，操作和维护方便。旋风除尘器的设计根据使用的目的，一般可分为直通式，单向流和反向流的旋流器。其中，已知切向进口和反向流动是最常使用的旋风设计方式。 由于上述旋风除尘器的诸多优点，过去几十年 1-3在气旋流域已测试的实验和数值模拟的方法备受关注。旋风除尘器的性能特征一般在于颗粒的收集效率和通过旋流器的压力降。许多研究表明，旋风除尘器的高度，直径，形状（即，圆柱形或矩形），涡旋测距仪的形状和直径以及进气口几何形状大大影响了旋流器的性能。 在 2006 年， 4通过使用商业包装分析了影响气旋的气流特性和收集性能的圆筒形状。他们观察到长锥体旋风除尘器有一个不稳定的流域和这些特性的结果，在短的循环流动的涡流探测器开口流动产生了不利于颗粒的收集效率的影响。 5评估涡流探测器的形状和直径对旋风除尘器的性能和流场数值的影响。为了预测粒子跟踪的气旋，采用欧拉 -拉格朗日方法。他们发现，再切向速度和分离效率降低时，旋风涡流探测器直径增大。 最近， 6对流动模式的旋流器入口尺寸进行了数值研究，采用雷诺兹应力湍流模型（ RSM）影响旋风除尘器的性能。他们发现，随着旋流入口尺寸减小，旋流器的切向速度减小。他们还发现，改变入口宽度比改变进口高度对定点直径的影响更大，最优入口宽度高度的比例为 b/a，是从 0.5 到 0.7。 气固相互作用在旋风除尘的流场和性能中起着重要的作用。有两种类型的方法来预测，即单向和双向耦合的做法。单向耦合方法的建立在颗粒的存在剂量不影响流场的假设之上的，因为在旋风除尘器的颗粒负载是很小 7。与此相反，一个双向耦合效应 8被认为是粒子在气体流上的作用。在这个模型中，颗粒源模型一般用于解决粒子两相流的动量方程。 在本研究中，推断颗粒的大小对旋风除尘器的流场的特点和性能的数值影响，是通过分析雷诺兹应力（ RSM）和欧拉 -拉格朗日方法来预测粒子的运动。单向耦合效应不受气体流粒子的存在影响，是用来估计气固相互作用的。计算模型可以准确预测二相流的存在，并提供设计除尘器存在的概念。 图 1:电路图的气旋及其网格系统 二、物理模型 在本工作中旋风除尘器的原理图和所生成的网格系统如图 1，其几何尺寸如表 1 所示。在表 1 中可以看出，所有的尺寸均采用正规化的旋风体直径（ D=290毫米） 。根据旋风除尘器的高度，他可分为三个部分，比如 ,涡流探测器（环形空间） ，分离空间和灰尘收集部分。入口管安装切到与旋风体的圆柱部分无关的一侧，工作流体（气体和颗粒）通过此处的速度为 VIN=25 米 /秒。出口管，被称为涡流探测器，固定在旋风筒的顶部。 三、理论分析 A.控制方程 气旋被假定为湍流涡旋流和不可压缩流体，它可以用雷诺兹应力模型（ RSM）进行合理的预测。气体的湍流流动是可以用雷诺兹的 N-S（ RANS）方程和连续性方程描述的均值运动。他们的张量符号表示如下： 其中 Ui 为平均速度， xi 为坐标系统， t 为时间， p 为平均压力， r 为气体密度， n 为运动粘度。 uiuj（ =Rij）代表雷诺兹应力张量， ui=ui-Ui 是第 i 个流体的脉动速度分量。如式（ 2） ，雷诺应力在目前的工作中使用各种模拟假设，它由（ RSTM）直接计算。 B.湍流模型 准确的预测一个强大的湍流涡旋流通常要使用湍流模型。另外，在目前的工作中，雷诺应力湍流模型（ RSTM）通过使用差分传输方程解决了个体的雷诺应力项（ -uiuj） 。传输方程的雷诺应力可写为 方程右边的分别代表应力扩散、应力应变、生产压力、耗散条件，分别定义如下； 这里 nt 是湍流粘度， p 为波动动能， k 为湍流动能（ =（ 1/2） uiuj）和 k的耗散率 e。证实常量 K=1， C1=1.8， C2=0.69。 传输方程湍流耗散率（ e）被表示为 常量的值是 SE=1.3， CE1=1.44， CE2=1.92。 C.粒子运动方程 在目前工作的基本假设模型中粒子的运动如下；固体（颗粒）完全以球形的形状分散在气相中，气固相互作用，因为这样，所以分散颗粒的体积分数对气相的影响很小。一般来说，在旋流器中的粒子载荷小（ 3-5%） ，因此，可以假定，粒子不影响流场（即，单向耦合） 。此外，颗粒和旋流器的壁之间的碰撞被认为是完全弹性的相互作用，由于流量小，颗粒之间的作用是被忽视的。为了得到旋风除尘器中的粒子的运动模型，离散相模型（ DPM） ，定义为初始位置的速度和大小的单个颗粒。通过对粒子的结合力平衡，由欧拉 -拉格朗日方法10， 得到了粒子的运动方程，这里包括非线性阻力和重力的影响。 这里 ui 和 upi 分别为气体和粒子的速度和方向， xpi 是粒子的位置， Pp 为粒子密度， Dp 为粒子的直径， gi 是重力加速度的方向。 R,M 是气体的密度和粘度。 RER 表示相对的雷诺数，它被定义为 CD 是环形颗粒的风阻系数，通过使用希德 11提出的相关性对球形颗粒进行计算。 式（ 9）右侧的第一项（ RHS）是每单位质量的粒子的阻力，由于粒子和流体之间的相对滑动，它一般是占主导地位的。 D.数值方法 通过解决 RNS 方程与湍流模型，气相被看作连续的，而固相（或分散）的相位是通过跟踪大量的颗粒计算出来的。分散相是可以交换质量、动量和能量的流体相。在这项工作中进行数值模拟 STAR-CCM+12，这是一般商业用途的S/Ws 手段。压力速度耦合是通过简单的算法 13解决问题的。该非稳态的 RSTM用时为 0.0001S。由于难以达到的收敛模拟标准，首先使用 K-E 模型计算湍流的属性，然后通过 RSTM 取得最终结果。当正规的剩余总和少于 0.00001 时，解决方案被视为聚集的。 在不同入口速度，气旋气流速度在边界入口处被假设为均匀的。在出口应用压力边界条件。在旋风除尘器的壁上采用无滑移边界条件施加速度。 四、结果与讨论 A.旋风除尘器在 CFD 模型中的验证 图 2 给出旋风除尘器压力降在不同的入口速度，通过比较实验数据和计算结果 14验证目前的 CFD 模型。如该图所示，在目前的工作中，计算压降与实验数据显示良好的协议。这也可以看出，随着入口速度的增加，压力下降是与泵功率密切相关的。 B.湍流模型的比较 比较使用 RSTM 和标准 K-E 模型图 3 中在 y=-0.4 米的切向速度，可以看出，RSTM 相比其他模型更好预测。高涡流，在一般情况下，生成一个很强的各向异流，使标准的 K-E 模型提供预测的两个位置的最大速度不准确，兰金漩涡是由一个强制涡（内区域附近的旋风轴）和自由涡（壁附近的）组成的。它明确的显示了 RSTM 模型能非常好的预测 rankin 类型的切向速度。 C.分离效率 分离效率（） ，这是一种旋风分离器的性能，被定义为如下 15， Tres 是在旋风除尘器中的停留时间，并且包括以下两个部分： 在方程（ 15）的右边，第一项和第二项分别代表入口区和外旋流的气体平均停留时间。 VIN 是低于入口管和 Q 的中心线，整个区域的体积表示气体体积。特别是， VS 事实上表示大约 90%的整个进气气体体积流量从外涡涡核到气旋内壁涡核核心。在目前的工作中，粒子滞留时间为三种情况，用于预测分离效率，入口速度为 25 米 /秒。 图 6 给出入口的分离效率的速度。如图 6 所示， h 的增加与入口速度。 它还可以从图中看出，多种多样的粒子直径。 其中 VT， CS 是内部核心半径处的气体的切向速度， HT 代表旋流器总高度。 五、结论