旋風分離器內流場特征的數值模擬

田秀山，張宏偉

（浙江浙能技術研究院有限公司，杭州 310013）

旋風分離器內流場特征的數值模擬

田秀山，張宏偉

（浙江浙能技術研究院有限公司，杭州 310013）

為了優化旋風分離器結構和操作條件，采用數值方法分析了旋風分離器進口速度變化對其內流場特征的影響。計算模型為直段直徑300 mm的旋風分離器，常溫常壓下進口空氣速度范圍為15～30 m/s，模擬結果與文獻數據吻合良好。分析可知分離器壓降主要由排氣管口、排氣管內和排塵管口等部位的高湍動能損失組成。一定軸向距離上，不同進口速度時的切向速度分布和軸向速度分布分別具有相似性特征。切向速度最大值和最小值的徑向位置在r≈0.6R1和r≈0處。軸向速度兩種分布形態的過渡發生在軸向距離Z≈-500 mm處。進入分離器氣體的運動軌跡和停留時間與氣體在進氣管的進入位置和氣體速度相關。基于上述研究結果，可對旋風分離器進行定性或定量的優化設計，并為分析旋風分離器多相流的流場特征和分離特征奠定了基礎。

旋風分離器；壓降；速度分布；流線；數值模擬

0 引言

在眾多多相分離設備中，旋風分離器具有結構簡單、成本低廉、操作方便和分離效率高等諸多優勢。因此該設備在化工[1]、電力[2-4]、環保[5]等領域的氣-粒混合物分離中被廣泛應用。

旋風分離器雖然結構簡單，但其內部流場卻具有強旋流動、多相混合、高度湍動的復雜特性，其流場特征、壓降特性和分離效率不僅受操作條件的影響，而且與分離器結構尺寸緊密相關，因此較多研究者對該設備進行了研究。Kaya等[6]、曹晴云等[7]和陳雪莉等[8]對旋風分離器內速度分布特征進行了研究。Karagoz等[9]、Hoffmann等[10]和王德耕[11]對分離器內局部和整體的壓降特征進行了分析。Zhao等[12]、李丹等[13]及吳小林等[14]分析了分離器內的多相分離特征。

旋風分離器是多相分離設備，但其宏觀流場特征主要由作為連續相的氣體決定，加載液滴或顆粒離散相后，流場會受到一定程度的影響，但整體形態不會發生本質變化。在此以空氣作為連續相介質，對旋風分離器內的壓降特點、速度分布及流線特征進行了數值分析。

1 計算模型及驗證

1.1 計算模型

數值計算的旋風分離器為切向進氣管結構，排氣管插入深度L1和進氣管高度b相等，以排氣管入口中心為坐標原點，分離器結構尺寸的標示和數值如圖1及表1所示。

圖1 旋風分離器幾何結構

旋風分離器內的三維強旋流場，具有很強的各向異性。王海剛等[15]研究發現反映湍流各向異性的RSM（雷諾應力模型）在旋風分離器流場模擬時具有較好的效果，因此本次研究選擇RSM作為湍流模型。采用有限體積法（finitevolumemethod）對控制方程進行離散，壓力梯度項采用PRESTO進行處理，各方程對流項均采用QUICK差分格式，壓力-速度耦合計算采用PISO模型，時間離散采用二階隱式法（second order implicit）。

流體介質為空氣，常溫常壓，進口氣速ui=15～30 m/s。氣相進口邊界條件為速度進口（velocityinlet）， 排氣管出口為壓力出口（pressure-outlet），其他皆為無滑移壁面條件（wall）。共劃分156 936個六面體結構化網格，并在速度梯度較大處進行網格加密，最小網格尺寸約1.6 mm，如圖2所示。

圖2 旋風分離器計算網格，右圖為Z=84 mm截面

1.2 模型驗證

為檢驗計算模型的可靠性，將模擬結果與魏耀東等[16]的研究結果進行對比，如圖3所示。在截取的2個軸向距離上，以R2=D2/2和進口速度將徑向位置r和速度量綱1化，由圖3可知量綱1切向速度ut和軸向速度ua的模擬數據和文獻數據均吻合良好，表明所采用的計算模型可較好地預測旋風分離器內流場，有較好的可靠性。

2 結果與討論

2.1 壓降特征

由于流場的強旋流特性，對旋風分離器局部和全局的壓降測量存在較大難度[10]。旋風分離器的壓降由局部損失和摩擦損失組成[10，17，18]，局部損失包括入口的膨脹損失ΔP1，排氣管與排塵管入口的收縮損失ΔP2，摩擦損失包括由氣流與器壁之間的摩擦造成的旋流損失ΔP3，排氣管內的氣相動能耗散損失ΔP4。流場的湍動能分布可以間接地表示能量損失的大小，亦即壓降大小。圖4為旋風分離器內湍動能流場的分布，可知進氣管內因流動空間的突然膨脹而造成的湍動能變化很小，僅在分離器器壁表面因摩擦而產生較為明顯的湍動能分布；而分離器內部，在突縮的排氣管入口、排氣管內部和漸縮的排塵管入口湍動能均較大，且遠大于進氣管的湍動能；并且分離器筒體直段和錐段的湍動能也大于進氣管中的湍動能。因此在上述4項壓降分量中，入口膨脹壓降最小，相比其他壓降可忽略，Hoffmann等[10]也得出了相似的結論。

表1 旋風分離器尺寸

圖3 旋風分離器內速度計算值與文獻值的對比，ui=20 m/s

圖4 旋風分離器內部湍動能分布，ui=25 m/s

2.2 速度特征

旋風分離器除進氣管處外，整體呈軸對稱的結構特征，流體發生旋流運動并實現多相分離的過程主要在軸對稱筒體中完成。因此分析軸對稱筒體中流場就具有重要意義。由于分離器內存在中心區域的上升流動和邊壁區域的下降流動，因此以排氣管邊壁的延伸線來初步劃分不同流動的2個區域，即圖5中虛線，其中水平線為不同軸向距離截面。

圖5 旋風分離器軸向截面示意

分離器內多相分離的動力來自不同相之間的離心力差異，即切向速度ut的特征。圖6為不同入口速度ui時，不同軸向距離上ut的分布，可知同一軸向距離上，不同ui時的ut分布呈高度相似性，整體上為“M”形的分布形態。從分離器邊壁到r≈0，ut先單調遞增后單調遞減，且當不同軸向距離和不同ui時，切向速度最大值utmax和最小值utmin的徑向位置近似相等，Iozia等[19]也得到了相似的結論，此處數據統計如圖7。因此在徑向位置r≈0.6R1處達到最大值utmax，在r≈0處達到最小值utmin，即ut的最大值和最小值均落在排氣管延伸區域內。由圖6可知，不同ui時，（ut/ui）max之間差別較大，而（ut/ui）min則差別很小。同一徑向和軸向位置處，ut/ui的大小與ui呈反相關關系，而以相似結構的旋風分離器為研究對象時，文獻[8，20]數據顯示ui對ut/ui的影響很小，文獻[16]顯示ui與ut/ui呈正相關關系，因此有關ui與ut/ui相互關系的確定還需開展進一步的工作。經統計，相同ui時，除排塵管外，隨著軸向距離的增大，utmax緩慢減小，而utmin則呈明顯減小趨勢；不同 ui時， （ut/ui）max間差異明顯， 而（ut/ui）min差別較小，如圖6及圖8所示。

圖6 不同軸向距離上ut分布

圖7 不同軸向距離上utmax的徑向位置

圖8 utmax及uimin隨軸向距離的變化特征

圖9 不同軸向距離上ua分布

軸向速度ua是反映分離器內流體停留時間的重要參數之一。圖9為不同入口速度ui時，不同軸向距離上ua的分布。可知同一軸向距離上，ua分布形態具有相似性，但uamax大小與ui無明顯相關性。從分離器邊壁到r≈0，當軸向距離較小時，ua先緩慢變化后在排氣管延伸區域單調增大并在r≈0處達到最大值uamax，ua分布形成類似倒“V”的形態；而當軸向距離較大時，ua先緩慢變化，然后在排氣管延伸區域先增大后減小并形成“M”形的分布形態，文獻[16，21]中也出現了類似的分布形態，高翠芝等[22]研究發現ua分布形態與排氣管直徑有關。從倒“V”形向“M”形的轉變發生在軸向距離Z≈-500 mm處。

2.3 流線特征

進氣管入口為（a×b）的長方形，將入口劃分為（5×21）的均勻方格，每個方格可視作一個入口點，入口點流線按顏色區分，從白色到黑色漸變，如圖10所示，故不同入口位置的坐標（X，Y， Z）可定義為（Xa， Yconst， Zb）， 其中-199≤Xa≤-115， Yconst=-400， 0≤Zb≤176，單位為 mm。

入口速度ui不同時，旋風分離器內流場存在明顯差異，見圖11。當速度較小時，從進氣管較小處進入的氣流更易形成較大的徑向和軸向位移，隨著進口氣速的增大，從進氣管較大處進入的氣流逐漸形成較大的徑向和軸向位移。

圖10 進氣管流線區分

為了進一步分析不同入口位置進入氣體的流動特征，現取從第15行（50.28lt;Zblt;58.67）進入分離器的氣體進行流線分析，如圖12所示。可知隨著ui的增大，較小處進入的氣體流線的軸向和徑向位移逐漸減小，而較大處進入的氣體流線的軸向和徑向位移逐漸增大，即不同徑向位置處進入的氣體運動軌跡隨著入口氣速的增大發生了轉換，并且于較大處進入的氣體流線的徑向位移也較于較小處進入的流體徑向位移更大。

圖11 ui不同時的流場特征

多相流體在旋風分離器內的分離效率與停留時間正相關，流體運動的軸向位移間接表示了停留時間。由上述分析可知，在入口軸向距離Zb一定時，不同徑向距離處進入的流體停留時間與入口速度相關，ui較小時，較小處進入的流體停留時間較長，而ui較大時，較大處進入的流體停留時間較長；隨著入口軸向距離的增大（Zb減小），流體逐漸從短路流發展到較大的軸向位移，即停留時間逐漸延長。

圖12 ui不同時的流線特征

圖13 入口位置不同時的流線特征，ui=30 m/s

3 結論

（1）旋風分離器的總壓降主要由突縮的排氣管入口和排氣管內部，以及漸縮的排塵管入口的壓降組成。

（2）不同進口氣速時，分離器內同一軸向距離上的切向速度和軸向速度分布分別具有相似性。進口氣速一定時，切向速度最大值和最小值隨軸向距離的增大而減小，且前者減小趨勢更緩慢。

（3）不同進口速度時，一定軸向距離上的切向速度整體上呈“M”形分布，且切向速度最大值和最小值的徑向位置在r≈0.6R1和r≈0處；當軸向距離較小時，軸向速度分布類似倒“V”的形態，在r≈0處達到軸向速度最大值；而當軸向距離較大時，軸向速度先增大后減小并形成“M”形的分布形態，軸向速度從倒“V”形向“M”形的過渡發生在軸向距離Z≈-500 mm處。

旋風分離器是常見的氣-液（固）分離設備，充分掌握內部流場特征，有助于進行分離器結構和操作條件的優化，后續將在以上研究結果的基礎上分析加載固體顆粒（液滴）后的流場特征、分離特征。

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2017-09-22

田秀山（1985），男，工程師，從事煤炭清潔利用方面的研究工作。

（本文編輯：陸 瑩）

Numerical Simulation on Flow Field Characteristics in Cyclone Separators

TIAN Xiushan，ZHANG Hongwei
（Zhejiang Energy Group Ramp;D Co.， Ltd.， Hangzhou 310003， China）

In order to optimize the structure and operating condition of cyclone separators，the effect of inlet gas velocity on the flow field characteristics in cyclone separators was investigated by numerical simulation.The diameter of the modeling cyclone is 300 mm，and the inlet gas velocity range is 15～30 m/s under normal temperature and pressure.The simulation result is in consistency with file data.The analysis shows that overall pressure drop is mainly attributed to the high turbulent flow in the gas exhaust pipe outlet，gas exhaust pipe and dust exhaust pipe.Tangential velocity and axial velocity in cyclone for different inlet velocities have similar characteristics at constant axial distance.The radial positions of the maximum and the minimum tangential velocity lie at r≈0.6R1and r≈0.The transition point of different distribution shape for axial velocities lies at Z≈-500 mm.The trajectory and residence time of gas is related to the inlet velocity and the inlet position.Based on the above results，the cyclone can be optimized and designed qualitatively and quantitatively,which pave the way for flow field characteristics and separation characteristics analysis on multiphase flow of cyclone separator.

cyclone separators； pressure drop； velocity distribution； flow line； numerical simulation

10.19585/j.zjdl.201711004

1007-1881（2017）11-0023-07

TM621

A