不同側向入口旋風分離器流場數值分析

陳啟東，左志全

（1.常熟理工學院，江蘇常熟 215500；2.常州大學，江蘇常州 213016）

不同側向入口旋風分離器流場數值分析

陳啟東1，左志全2

（1.常熟理工學院，江蘇常熟 215500；2.常州大學，江蘇常州 213016）

利用雷諾應力模型（RSM）對直切單入口、直切雙入口、斜切單入口、斜切雙入口、斜切螺旋面單入口、斜切螺旋面雙入口6種不同側向入口旋風分離器內部氣相流場進行了計算分析。結果表明：雙入口結構旋風分離器內部壓力場和速度場具有更好的對稱性與穩定性；僅改變入口斜切角度對旋風分離器內部速度場和壓力場的分布影響不大；當本文中6種分離器內部具有相近的切向速度徑向分布時，斜切螺旋面入口結構分離器壓力損失減少約25%，入口所需總壓降低17%，處理相同氣體量的能耗約下降17%；斜切螺旋面雙入口（XS-L型）分離器是一種綜合性能比較優的旋風分離器。

旋風分離器；側向入口；壓降；入口總壓；能耗

1 前言

旋風分離器現在已經廣泛應用于化工、石油、礦山等工業部門，旋風分離器的結構也呈現出多樣性。結構多樣性體現之一就是入口結構多樣性，很多學者專家對不同入口結構的旋風分離器進行了數值計算分析，王振興等[1]的研究成果表明，矩形入口長寬比為1.5時壓降最低，對粒徑小于2.5 μm的顆粒，圓形入口分離效果最差，梯形入口分離效果最好；錢付平等[2]的研究闡述了不同入口截面角旋風分離器的分離特性，最后得出入口具有一定截面角則有利于顆粒分離；吳彩金等[3]研究了斜切雙入口旋風分離器流場，發現本結構能夠很好地改善單入口旋風分離器流場的不對稱性，同時減小內部局部渦流。

在此基礎上，本文對入口截面為矩形的直切單入口旋風分離器（ZD型）、斜切單入口旋風分離器（XD型）、直切雙入口旋風分離器（ZS型）、斜切雙入口旋風分離器（XS型）、斜切螺旋面單入口旋風分離器（XD-L型）、斜切螺旋面雙入口旋風分離器（XS-L型）等6種不同側向入口旋風分離器在不同入口流速下的流場進行計算，對比分析6種分離器內壓力分布與速度分布，找出不同側向入口結構對流場分布的影響。

2 數值計算模型

根據以往學者研究結果[4～6]可知，由于雷諾應力模型摒棄了各向同性的渦黏假定并且更加嚴格地考慮了流線彎曲、旋渦、旋轉和張力快速變化，能夠很好地預測分離器內部的強制渦與自由渦，計算結果與實驗測量值也最吻合，所以本文計算采用雷諾應力模型（RSM）。RSM模型可以參考文獻[7]。

利用ICEM軟件采用六面體網格對本文中的模型進行網格劃分。借用商業軟件Fluent對旋風分離器內部氣相流場進行數值計算。求解器選擇基于壓力的求解器，采用非穩態計算[8]，時間步長1E-4 s[9]，計算方法采用SIMPLIC算法，壓力采用PRESTO離散格式，動量采用二階離散格式，湍動能、湍動能耗散率采用QUICK離散格式，其他采用默認格式。

3 幾何模型與邊界設置

3.1 幾何模型

本文計算采用的物理模型，雙入口旋風分離器的入口高度是單入口旋風分離器入口高度的一半，排氣管底端與入口底端對齊，不同單入口分離器入口高度和寬度分別相同，不同雙入口分離器入口高度和寬度分別相同，其他尺寸都相同。本文中ZD型模型采用參考文獻[10]中模型，結構尺寸如下（單位：m）：D=0.19，a=0.038，b=0.095，de=0.064，s=0.095，h1=0.285，h2=0.475，d0=0.072 5。旋風分離器的物理模型如圖1所示。

圖1 旋風分離器物理模型Fig.1 Geometry of cyclone

3.2 邊界條件設置

1）入口采用速度入口（velocity-inlet）。

2）排氣口采用壓力出口（pressure-outlet）[11]，靜壓為0。

3）壁面采用無滑移邊界，近壁采用標準壁面函數處理。

4 計算結果分析

4.1 計算模型和設置適用性驗證

為了驗證數值計算模型和設置的合理性以及計算結果的可靠性，本文利用前述數值計算模型和設置計算文獻[10]中所給模型3個橫截面上的切向速度和軸向速度，并與文獻[10]中實驗所測結果進行比較，如圖2所示。比較結果顯示，運用本文數值計算模型和設置計算出來的切向速度和軸向速度能夠較好地吻合文獻[10]中實驗測得的數據。在切向速度徑向分布上捕捉到了切向速度隨徑向距離增加而增大的內部強制渦以及切向速度隨徑向距離增加而減小的外部自由渦的Rankin組合渦的分布特點，除此，在軸向速度徑向分布上還捕捉到了旋風分離器內壁面附近下旋流、中心區域上旋流的雙渦運動結構，并且內外旋流的交接面位置與實驗測得的結果基本一致。上述比較結果說明，本文采用的數值計算模型及相關設置適用于后面旋風分離器內部流場計算。

4.2 不同入口斜切角XD型分離器分析

對比了入口斜切角分別為5°、10°、15°、20°、25°的分離器在進口為7.5 m/s的流速下的切向速度和軸向速度的徑向分布。隨著入口斜切角的增大，切向速度在強制渦區域內徑向分布幾乎沒有變化，在自由渦區域，切向速度隨著入口角度增大而減小；軸向速度隨著入口斜切角度的增大而增大，在靠近壁面的下旋流中，軸向速度徑向分布相差不大，在中心區域的上旋流中，入口角度越大，軸向速度徑向分布相差越大。靠近壁面的軸向速度小一點，有利于延長顆粒的分離時間，靠近中心附近的上旋流軸向速度對顆粒分離的影響不明顯，如圖3所示。

圖2 旋風分離器內不同軸向位置上切向速度、軸向速度CFD計算結果與文獻[10]中LDA測量結果比較（從上到下橫截面為z=0.26 m，0.56 m，0.635 m）Fig.2 Comparison of the time averaged tangential and axial velocity between the RSM simulations and LDA measurements[10]at different axial sections（from top to bottom：sectionz=0.26 m，0.56 m，0.635 m）

圖3 不同入口斜切角XD型分離器3個橫截面上切向速度、軸向速度徑向分布（r為徑向位置，R為筒體半徑；從上到下橫截面為z=0.26 m，0.36 m，0.56 m）Fig.3 The radial profile for the time averaged tangential and axial velocity at different sections for different inlet angle cyclone XD（r is the radial distance，R is the cyclone radius；from top to bottom：sectionz=0.26 m，0.36 m，0.56 m）

圖4給出了分離器入口總壓及壓降隨著入口斜切角度增大的分布。從圖4可得出，隨著入口斜切角度的增大，入口總壓和壓降都在減小。與入口角度為5o的分離器相比，入口斜切角為10o的分離器內切向速度分布曲線與之相差很小，兩者幾乎重合，入口總壓低0.7%，壓降低1%；入口角度為25°的分離器內自由渦區域切向速度分布曲線比之要低0.5～1 m/s，占入口角度為5°的分離器內切向速度峰值的6%左右，入口總壓低7.3%，壓降低8.8%。綜合對比得出，增大入口斜切角度有利于減阻，降低壓降，但效果有限，與此同時會減小自由渦區域切向速度，減弱分離效果。因此，本文所列的幾個入口傾斜角度中，入口傾斜角為10°的入口結構相對較優。

圖4 不同入口斜切角XD型分離器入口總壓、壓降Fig.4 The inlet total pressure and the pressure drop for different inlet angle cyclone XD

4.3 不同側向入口分離器對比分析

本節對ZD型、XD型（入口斜切角為10°）、ZS型、XS型（入口斜切角為10°）、XD-L型、XS-L型6種不同側向入口結構分離器內壓力場與速度場進行分析討論。

4.3.1 壓力分布分析

圖5給出了6種分離器在入口流速為7.5 m/s下的兩個橫截面（z=0.26 m，0.56 m）上的靜壓徑向分布圖。觀察圖5中6種分離器靜壓徑向分布圖發現，靜壓在徑向上由壁面往中心逐漸減少，由于中心處氣流高速旋轉，中心區域形成了半徑很小的負壓區柱。從圖5還可看出，沿著徑向方向上壓力梯度最大。單入口結構的分離器內靜壓分布出現了擺動現象，ZD型擺動幅度最小，XD-L型擺動幅度最大。靜壓分布的不均衡會導致分離器內氣體流動不均勻，出現氣體撞擊壁面現象，從而引發筒壁震動。而雙入口結構的分離器內靜壓分布呈現出很好的對稱性。分離器內部對稱的靜壓分布減少了因氣流擾動而損耗的能量。對比后還可以得出，XD-L型、XS-L型分離內部負壓氣柱要短于其他分離器，并且負壓區在排塵口上游區域就消失了，避免了負壓氣流將灰斗內顆粒重新卷揚。在同樣的入口流速下，ZD型、XD型、ZS型、XS型4種分離器內部靜壓徑向分布很接近，XD-L型、XS-L型分離器內部靜壓徑向分布比較接近，并且在中心區域靜壓分布曲線要高于前四者，而在外部區域要低于前四者。

圖5 不同側向入口分離器不同截面上靜壓分布（從左到右為截面z=0.26 m，0.56 m）Fig.5 The contours plots for the time averaged flow variables of static pressure（from left to right：sectionz=0.26 m，0.56 m）

4.3.2 壓降分析

壓降又叫壓力損失，引起壓力損失的因素有很多[12]，但主要是由于氣體與旋風分離器內壁摩擦所引起的能量損失和氣體因旋轉而產生的能量損耗。計算不同入口流速下流場，根據計算結果繪制不同分離器各自壓降、入口總壓隨入口流速平方的分布圖以及各自壓降隨入口總壓分布圖，見圖6、圖7。

圖6 6種分離器壓降、入口總壓與入口流速平方關系Fig.6 The relationship between the pressure drop and the inlet velocity squared as well as the inlet total pressure and the inlet velocity squared

圖7 6種分離器壓降與入口總壓關系Fig.7 The relationship between the pressure drop and the inlet total pressure

由圖6a可知，在相同入口流速下，ZD型、ZS型、XD型、XS型4種分離器內部壓降高于XD-L型和XS-L型分離器內部壓降，并且隨著入口流速的增大，壓降的差值也變得越來越大；ZD型、ZS型、XD型、XS型4種分離器壓降隨速度平方分布曲線幾乎重合，XD-L型和XS-L型分離器內部壓降隨速度平方分布曲線幾乎重合，這說明僅僅改變進口結構的傾斜角度并不能有效地降低分離器內壓降，而旋風分離器頂部為螺旋面結構能很好地起到減小壓降作用，當入口切入形式確定時，分離器是相差180°的雙入口還是單入口結構對分離器壓降影響很小。觀察圖6b發現，入口總壓與入口流速平方分布趨勢和壓降與入口流速平方的分布趨勢相同，在同樣的入口流速下頂部為螺旋面結構的分離器入口總壓要小于其他4種分離器入口總壓，根據N=PQ可知，其所消耗的能量也越小。

表1 旋風分離器性能參數表Table 1 Cyclone performance parameters

從圖7中可以看出，旋風分離器壓降與入口總壓成線性關系，把壓降與入口總壓的比值定義為壓降率，用來衡量壓力損耗程度。4種旋風分離器各自壓降率不隨入口流速的變化而變化，為一定值。各自分離器壓降率列于表1。從表1中可以得出，XD-L型、XS-L型兩種分離器壓降率要低于其他4種分離器，差值約為0.07。

4.3.3 速度分析

圖8為6種分離器在入口流速為7.5 m/s下縱截面（Y=0）上的切向、軸向和徑向速度分布云圖。

圖8 從上到下為6種分離器縱截面（Y=0）切向速度、軸向速度、徑向速度云圖Fig.8 The contours plots for the time averaged flow variables at Y=0 from top to bottom：the tangential velocity，axial velocity and radial velocity

從圖8切向速度云圖可以看出在軸向上切向速度徑向分布具有一致性，單入口結構分離器內切向速度分布具有擺動性，并且在排塵口下方中心軸附近出現了切向速度數值為負的現象，說明這里出現了二次渦，而二次渦容易引起顆粒返混，相反地，雙入口結構分離器內切向速度徑向分布呈現了很好的對稱性，并且沒有出現二次渦現象。從云圖中也可以直觀地看出切向速度最大值分布在與排氣管直徑相近的圓柱面上。從圖8軸向速度云圖可以看出壁面附近軸向速度為向下的下旋流，中心區域軸向速度為向上的上旋流，并且軸向速度最值出現在排氣口下端處。下旋流能夠將壁面附近的顆粒輸送到灰斗內，上旋流將氣體排出分離器。單入口分離器內軸向速度分布也呈現擺動現象，而雙入口分離器呈現出很好的對稱性。從圖8徑向速度云圖可以看出單入口分離器在中心軸兩邊出現了正負對應的徑向速度分布，說明氣體在這些地方出現了左右擺動的流動狀態，而雙入口分離器呈現出較好的對稱性。

圖9 6種分離器不同橫截面上不同入口流速下切向速度徑向分布Fig.9 The radial profile for the time averaged tangential velocity at different sections for different inlet velocity

根據之前切向速度云圖分析中得到的旋風分離器內部切向速度徑向分布在軸向上具有一致性的特點，圖9給出了分離器直筒部分一個橫截面z=0.56 m和錐形管部分一個橫截面z=0.26 m上在不同入口流速下的切向速度徑向分布，通過比較發現，不同分離器在相同位置的橫截面上切向速度分布趨勢相近。表2和表3統計了兩個橫截面上不同入口流速下切向速度峰值與入口流速的比值以及峰值所在的位置，由表2和表3可以發現，入口流速增加，各個分離器內橫截面上峰值所在的位置幾乎沒有變化，直筒部分切向速度峰值所在圓柱面半徑小于錐形管部分，但差值很小，并且各個分離器間橫截面上峰值所在位置偏差較小。隨著入口流速的增加，切向速度峰值與入口流速比值變化很小，故可用兩個橫截面的均值來表示分離器內流場切向速度與入口流速的比值，vZDτmax/v=1.73，vXDτmax/v=1.75 ， vZSτmax/v=1.76 ， vXSτmax/v=1.71 ，vXD-Lτmax/v=1.44 ，vXS-Lτmax/v=1.48 ，結合表1，可得到壓降、入口總壓與分離器內最大切向速度最大值平方的比值，結果列于表4。從表4中可以發現，ZD型、XD型、ZS型、XS型4種分離器壓降、入口總壓與切向速度峰值的比值很接近，XD-L型、XS-L型兩種分離器壓降、入口總壓與切向速度峰值的比值很接近。結合圖10和之前所論述，當6種分離器具有相同的切向速度峰值的時候，切向速度徑向分布也很相近，并且后兩者入口流速約是前四者入口流速的1.2倍。結合表4可得如下結論，當分離器內部具有相近的切向速度徑向分布的時候，螺旋面入口結構分離器壓力損失減少約25%，入口所需總壓要低17%左右，處理相同氣體量的能耗約減少17%。

表2 橫截面z=0.26 m上切向速度最大值與入口流速比值及最大切向速度位置Table 2 Comparison between the maximum tangential velocity value and ratio of inlet velocity and its position at sectionz=0.26 m

表3 橫截面z=0.56 m上切向速度最大值與入口流速比值及最大切向速度位置Table 3 Comparison between the maximum tangential velocity value and ratio of inlet velocity and its position at sectionz=0.56 m

表4 分離器壓降、入口總壓與切向速度峰值平方比值Table 4 The ratio between the pressure drop and the maximum tangential velocity squared as well as the inlet total pressure and the maximum tangential velocity squared

圖10 具有相同切向速度峰值的切向速度徑向分布Fig.10 The radial profile for the time averaged tangential velocity at different sections with same maximum tangential velocity

5 結語

1）雙入口結構旋風分離器內部壓力場和速度場具有更好的對稱性與穩定性。

2）僅改變入口斜切角度對旋風分離器內部速度場和壓力場的分布影響不大。

3）當本文中6種分離器內部具有相近的切向速度徑向分布的時候，螺旋面入口結構分離器壓力損失要減少約25%，入口所需總壓要低17%左右，處理相同氣體量的能耗要下降17%左右。

4）XS-L型分離器是一種綜合性能較優的旋風分離器。

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Numerical analysis on different lateral inlet cyclone flow field

Chen Qidong1，Zuo Zhiquan2
（1.Changshu Institute of Technology，Changshu，Jiangsu 215500，China；2.Changzhou University，Changzhou，Jiangsu 213016，China）

Numerical simulation and calculation were performed on the gas-phase flow field of the straight tangential cyclone with single entry，straight tangential cyclone with double entries，bias tangential cyclone with single entry，bias tangential cyclone with double entries，bias tangential helicoidal cyclone with single entry，bias tangential helicoidal cyclone with double entries by using RSM model.Results showed that，the pressure field and velocity field of the cyclone with double entries had better symmetry and stability；only changing the inlet angle had a limited influence on the pressure field and velocity field.When the tangential velocity distribution were similar in the six kinds of cyclone studied in this article，compared with other cyclones’，the pressure drop of the bias tangential helicoidal cyclone decreased about 25%；the inlet total pressure needed was about 17%lower；the energy consumption dropped about 17%.Moreover，bias tangential helicoidal cyclone with double entries（XS-L type）had a better energy efficiency ratio，and its performance was the most excellent.

cyclone；lateral inlet；pressure drop；inlet total pressure；energy consumption

O355；TH48

A

1009-1742（2014）02-0058-10

2013-08-29

陳啟東，1962年出生，男，江蘇無錫市人，教授，長期從事機械振動、流體機械的教學和研究工作；E-mail：cqd666@163.com