循環流化床旋風分離器改造設計

劉云峰

(華電鄭州機械設計研究院有限公司，鄭州 450046)

循環流化床旋風分離器改造設計

劉云峰

(華電鄭州機械設計研究院有限公司，鄭州 450046)

利用Gambit軟件建立了旋風分離器的模型，對旋風分離器模型進行網格生成。運用數值模擬技術分別對旋風分離器內部的氣相流場和氣固兩相流場進行模擬，觀察數值模擬的結果發現，氣體進入旋風分離器后速度先增大后減小，之后圍繞旋風分離器外部向下運動，運動到旋風分離器底部之后開始沿著相同方向向上運動。此外，旋風分離器內小直徑顆粒比大直徑顆粒湍動度更大，運動的混亂程度更大，同時分離的難度也在增加。

旋風分離器；數值模擬；氣固兩相流；分離效率

1 研究背景及意義

旋風分離器是利用離心力分離氣流中固體顆?；蛞旱蔚臋C械設備，由于它具有結構簡單、維護方便、制造安裝投資費用少、耐高壓高溫、分離效率高等優點已經被廣泛地應用到環保、石油、冶金、煤電等眾多領域[1]。

近年來，隨著技術的發展和人類社會的進步，人們也越來越重視環境保護，旋風分離器等除塵設備逐步發展，在消除大氣粉塵污染，保護人體健康和維護生態穩定等方面發揮著極大的作用。

2 旋風分離器基本結構與工作原理

普通旋風分離器的結構簡圖如圖1所示，一般都是由筒體、進氣管、圓錐體、中心筒及排灰口組成。

圖1 旋風分離器結構

含有粉塵顆粒的氣體從旋風分離器進口進入旋風分離器后，氣體會因為結構的限制導致運動軌跡改變。當氣體進入到旋風分離器的圓柱段后，因為具有一定的初速度，并且圓柱段為圓形，氣體會由初速度和圓柱面的限制做圓周運動。氣體做貼壁旋轉運動時，氣體中的粉塵顆粒受到離心力的作用運動到旋風分離器器壁，從而失去之前運動時所擁有的能量，會因旋風分離器的結構被分離排出。當向下運動的氣流運動到旋風分離器的底部后，會因受力的原因向旋風分離器中心靠攏，向旋風分離器頂部運動。因為固體顆粒和氣體為無滑移運動，所以部分顆粒也會伴隨著氣流向上運動，導致一部分顆粒從排氣管逃逸，使粉塵顆粒不能從旋風分離器的排灰口被分離出來[2]。

3 旋風分離器內氣相流場的數值模擬

旋風分離器內部是復雜的氣固兩相流場，但是如果直接對旋風分離器內部的固體顆粒進行模擬會比較困難和抽象。所以先對旋風分離器內部的氣相流場進行模擬，理解旋風分離器內氣體的流動狀態對理解旋風分離器的工作過程以及內部流場有很大的幫助。當了解旋風分離器內氣體的流動情況，也就可以知道旋風分離器的結構對氣體流動的影響，從而通過一系列的分析探索，這樣就可以對旋風分離器的結構做相對應的改善，通過提高氣相流場的一系列條件的穩定性調高旋風分離器的分離效率。

3.1 幾何模型的建立與網格的劃分

利用Gambit軟件對旋風分離器進行建模，首先建立了旋風分離器的下部錐體段，然后是旋風分離器的上部筒體段，對兩者進行合并，之后又建立中心筒筒體段，對兩者進行處理組合，最后建立的是旋風分離器的進氣段，對進氣段和已建立好的模型進行處理合并，最后旋風分離器的整個模型建立完成。此時，包含兩個體，一個是中心筒，另一個是包含進氣管在內的筒體灰斗組合體。

要使用FLUENT軟件進行數值模擬，必須對模型進行網格的劃分。網格劃分的質量直接影響計算結果的準確性和收斂性，如果網格過多會導致后期計算速度降低，計算時間增長，同時占用的存儲空間也會較大。

為了提高計算精度，保證網格的質量，對旋風分離器采用了分區生成網格的方法，把整個旋風分離器模型分成了4個部分：筒體的下半部分和灰斗、筒體的上半部分、進氣管道、中心筒。旋風分離器共劃分為88 958個網格，276 788個面，96 892個節點。

3.2 計算模型的選擇及邊界條件的設定

FLUENT選擇三維單精度求解方式，氣體在旋風分離器內流動為不可壓縮流動，選擇壓力求解器，采用默認的隱式定常流求解方式，并且設置為漩渦流為主。

僅對旋風分離器內的氣體流場進行數值模擬，探索未攜帶粉塵的氣體在旋風分離器內部的運動狀態以及運動規律，所以旋風分離器流場里面介質只有空氣，同時也忽略溫度等效果的影響。空氣的物性參數見表1。

表1 空氣物性參數表

由于只研究旋風分離器內氣相的流動，關于邊界條件設置很方便。在劃分網格時已經對旋風分離器的各個邊界進行了設置，這里只需要對各個邊界條件稍作改整:(1)進氣管為速度進口，設置進口速度大小為30 m/s；(2)灰斗捕集口為自由出流，設置流量為0(這里設置為自由出流是為氣固兩相流模擬做鋪墊的，出口流量設置為0是相當于壁面的)；(3)中心筒出口為自由出流設置流量為1；(4)使旋風分離器筒體與出氣筒相連，形成了通流； (5)其余各面均設置為無滑移壁面。

因為旋風分離器內部氣體流場的運動狀態為湍流狀態，這就需要通過規定旋風分離器進口的條件來約束及確定湍流狀態。

3.3 設置求解控制參數

完成了旋風分離器模型的建立、網格的生成、計算方法的選用以及各個進出口邊界條件的約束等工作，之后需要選擇離散格式、設置欠松弛因子等條件，就可以使用FLUENT自帶的求解器對旋風分離器模型進行計算求解了。

我們對旋風分離器劃分網格時采用的六面體網格，耦合方程和動量方程之間速度壓力產值格式選擇速度壓力產值格式(PRESTO)格式。求解器中其他參數不做改變，保持默認即可，設置迭代步數為3 000，開始對旋風分離器模型進行計算。

4 數值模擬結果分析

通過數值模擬可以觀察出旋風分離器內各個平面內的流動情況，如圖2所示。旋風分離器在錐體段的速度分布云圖為一個個圓環，在同一個圓環上速度相等，圓環分布相間距離在外部距離大說明速度梯度較小，在中間部分圓環之間距離小說明在旋風分離器中間部分速度梯度較大。通過看速度分布云圖和計算結果可以看出氣流在旋風分離器后速度先增大，在中心筒附近達到最大。由圖2可看出在旋風分離器下部中心軸線處速度較低，在中心軸線到旋風分離器器壁之間速度逐漸增高。

圖2 不同高度截面上的速度等值線

圖3所示箭頭方向為氣體運動方向，當氣體進入旋風分離器后因為受到旋風分離器結構的約束，箭頭方向偏向下，說明氣體除了做圓周運動以外還有偏向下的分速度。另外通過速度矢量圖可以知道旋風分離器中心處的提起箭頭方向與外部箭頭方向相同，說明內部氣流旋轉方向與外部氣流旋轉方向相同，只不過內部氣流有豎直向上的分速度，與外部氣流相反，并且隨著截面高度的增加，向上運動的速度分量越大，其中中心筒進口速度最大。

圖3 不同高度橫截面上的速度矢量

速度分布圖中有許多小圓圈的存在，如圖4所示。這是旋風分離器內部存在的二次渦，其中最主要的二次渦發生在旋風分離器器壁附近，此渦會把部分附著在旋風分離器器壁上的顆粒帶到旋風分離器上部為使其無法分離，另外可以看到y=0截面圖中中間部分速度有“擺尾”現象。

圖4 y=0截面速度

4.1 軸向速度分布

如圖5所示，在0 m處左右兩側軸向速度相等。在0.4 m處軸向速度為零，并且軸向速度大部分為正值，而有一小部分為負值。其中在左右0.4 m兩側為下行流，而在左右0.4 m之間為上行流。從圖中可以直觀地看出上行流被左右兩側的下行流包圍，這也是旋風分離器內部存在二次流的原因。另外可以看出軸向速度在靠近旋風分離器中心上部達到最大值。

圖5 Y=0軸向速度分布

4.2 徑向速度分布

如圖6所示，徑向速度以中心線為分界線，左側為正，右側為負。徑向速度的最大值出現在中心筒和剛進入下部椎體的部位。當徑向速度較大時，粉塵顆粒受到的干擾也會增大，可能會導致粉塵顆粒進入內旋流區域，降低旋風分離器的分離效率。而且在圖中可以發現，徑向速度除了在中心軸線附近成對出現之外，在其他部位的徑向速度接近于零，這說明處徑向速度在旋風分離器的其他部位運動并不明顯。由于上文說出有氣流短路現象，此現象是因為中心筒的限制導致徑向速度變化劇烈產生的。

圖6 Y=0徑向速度分布

4.3 流場的湍流結構

旋風分離器內部流場是強旋轉湍流流場，湍流流體的流動很不規律，雷諾數較大，湍動度很大，這樣會使流體的能量損失增大。因為旋風分離器內部流場較混亂，會使流動產生很多阻力，通過數值模擬可以觀察旋風分離器各個部位所對應的能量損失，會對旋風分離器的改造提供一些信息。

4.3.1 湍動能

湍動能是指在湍流流動中單位質量流體由于湍流脈動所獲得的能量,是通過雷諾應力做功獲得能量的。

如圖7所示，在同一水平截面中從中心向外處湍動能先增大再減小。在0.3 m處湍動能變到最大，最大值為160 m2/s2。之后開始減小，到器壁處減到最小值，不同截面的最小值不同。另外從圖中可以看出，在中心區域湍動能變化較快，導致這個區域內能量損失加大?？梢钥闯鲈诒诿嫣幫膭幽茏兓缺容^小，這個區域內氣流損失的能量也就少。

圖7 湍動能分布

4.3.2 湍動能耗散率

湍動能耗散率指脈動黏性應力與脈動應變率的乘積，湍動能耗散率表示湍流動能與分子動能之間發生轉換，最終這些能量以熱量的形式消耗。

湍動能耗散度的分布也是在旋風分離器的圓柱段較大，在旋風分離器下部較小，如圖8所示。這個特點和湍動能分布一樣。說明在圓柱段氣流湍動最為強烈，運動規律性較低，損失的能量也越多，與湍動能的結論一致。湍動能耗散度的值在中心筒與旋風分離器內的地方值比較大。

圖8 湍動能耗散率分布

流場的湍流結構能將湍流能量的分布以及損失情況都反映出來，當做一些適當的改造能夠減少湍動能和湍動能耗散度時，也就能相應的提高旋風分離器的分離效率，降低旋風分離器的能耗。

5 結束語

(1)氣體在分離器內速度可以分解為3個，其中氣流的切向速度對運動的影響最大。旋風分離器內靜壓和總壓的分布基本一樣，會在中心處的值比較小，在兩側的值比較大，并且在軸線兩邊左右分布一樣。

(2)從模擬處理后的結果可以看出，顆粒在旋風分離器內做旋轉運動，通過旋轉到達排灰口排出，10 μm的顆粒轉的圈數比3 μm顆粒的少，在其內部停留的時間也短。另外可以看到有一部分顆粒直接從中心筒逃跑了，3 μm的顆粒比10 μm的顆粒更容易發生這種情況。

[1]魏新利,張海紅,王定標,等.旋風分離器內顆粒軌跡的數值模擬[J].鄭州大學學報(工學版),2004,25(3):14-17.

[2]Yang W Q，Liu S. Role of tomography in gas/solids flow measurement[J].Flow Measurement and Instrumentation，2000，11(3)：237-244.

(本文責編：齊琳)

劉云峰(1986—)，男，河南周口人，助理工程師，從事機電研究方面的工作(E-mail:412697294@qq.com)。

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1674-1951(2017)11-0022-04

2017-10-11；

2017-11-15