基于CFD的旋風(fēng)分離器短路流計(jì)算方法分析

摘要：為了研究短路流計(jì)算方法，借助STAR-CCM+軟件對旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場進(jìn)行了模擬分析，發(fā)現(xiàn)排氣管外沿正下方存在一個(gè)軸向速度零點(diǎn)，該點(diǎn)至排氣管下端之間流過的氣流較為接近真實(shí)的短路流，并基于這個(gè)軸向速度零點(diǎn)提出了一個(gè)旋風(fēng)分離器短路流計(jì)算方法。

關(guān)鍵詞：旋風(fēng)分離器;短路流;CFD

中圖分類號：TQ051.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1007-9416（2019）09-0056-02

0 引言

旋風(fēng)分離器短路流是指由旋風(fēng)分離器頂板附近的二次流現(xiàn)象引起的，一股沿著排氣管外壁向下流動(dòng)，并最終流入排氣管口的氣流。這股氣流是從旋風(fēng)分離進(jìn)氣口流入旋風(fēng)分離器后，并未經(jīng)過旋風(fēng)分離器的分離區(qū)進(jìn)行氣、固或者氣、液分離，直接從旋風(fēng)分離器上部流入排氣管口，因此這股氣流會(huì)直接攜帶其中的顆粒或者液滴進(jìn)入排氣管，其大小對旋風(fēng)分離器的分離性能有重要影響。由于短路流與其它氣流同處一個(gè)流動(dòng)空間，氣流速度大，流態(tài)處于湍流狀態(tài)，且存在渦旋流動(dòng)，因此短路流與其它氣流沒有明顯的邊界，要想精確計(jì)算短路流非常困難。本文借助計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件STAR-CCM+對旋風(fēng)分離器內(nèi)部的流場進(jìn)行模擬分析，并在分析基礎(chǔ)上建立旋風(fēng)分離器短路流計(jì)算方法。

1 三維模型及網(wǎng)格

本文研究的旋風(fēng)分離器為逆流式筒椎型結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖[1]如圖1所示。攜帶固體顆粒或者液滴的氣體從旋風(fēng)分離器入口進(jìn)氣，主流氣體沿著壁面旋流轉(zhuǎn)向下流動(dòng)，同時(shí)流向旋風(fēng)分離器的中心，旋風(fēng)分離器中心則從底部逐漸形成一股逆向旋轉(zhuǎn)并向上流動(dòng)的氣流，向上旋流過程中逐漸匯集外側(cè)流向中心的氣流，最終從排氣管排出。

模擬計(jì)算的旋風(fēng)分離器各尺寸參照相關(guān)文獻(xiàn)[2]，為提高計(jì)算效率，采用多面體網(wǎng)格，生成網(wǎng)格如圖2所示，并進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。

2 計(jì)算模型和條件

相關(guān)研究已表明[3，4]，旋風(fēng)分離器內(nèi)部有較強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，湍流模型選用RSM模型比較適合。由于這里只針對短路流進(jìn)行計(jì)算，因此可以不考慮離散相的模型選擇和相應(yīng)參數(shù)設(shè)置，其它具體邊界條件和參數(shù)的輸入?yún)⒄諈⒖嘉墨I(xiàn)[2]設(shè)置，這里不再贅述。

3 短路流計(jì)算方法

3.1 計(jì)算依據(jù)

旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場圖3所示，圖中排氣管口附近的外側(cè)有兩股氣流流入管口，分別標(biāo)注為氣流1、氣流2。其中氣流1為從排氣管口上方流下并流入排氣管口的氣流，通過流場分析追溯其來源，可以發(fā)現(xiàn)這股氣流來自旋風(fēng)分離器進(jìn)口，并沿著頂板回流或直接向內(nèi)側(cè)流入排氣管口，這股氣流未經(jīng)過分離空間進(jìn)行氣固或者氣液分離，因此這股氣流可以認(rèn)為是短路流。而氣流2來自排氣管下方的分離空間，是已經(jīng)過氣固或者氣液分離的氣流。

由于這兩股氣流在同一空間內(nèi)流動(dòng)且未嚴(yán)格分層，要計(jì)算出完全真實(shí)的短路流，幾乎不可能實(shí)現(xiàn)。但是放大排氣管口下方的區(qū)域見圖4所示，可以看出，向下和向上流動(dòng)的氣流相互沖擊，流向逐漸改變，并在排氣管口外沿正下方某個(gè)位置（圖4中打叉的位置）流向變?yōu)樗较嗲校S向速度變?yōu)榱恪Ｒ虼丝梢远x排氣管外沿正下方軸向速度等于零的位置為上下流動(dòng)兩股氣流的分界點(diǎn)，分界點(diǎn)以上流入排氣管的氣流為短路流。雖然分界點(diǎn)以上流入排氣管的氣流并不是真實(shí)的短路流，但是通過上述分析可以看出該氣流已比較接近真實(shí)的短路流，并且該分界點(diǎn)在流場中可以精確計(jì)算得出。

3.2 具體計(jì)算方法

根據(jù)上述原理，計(jì)算旋風(fēng)分離器短路流需找出排氣管口外沿正下方的上下流動(dòng)兩股氣流分界點(diǎn)（后面簡稱分界點(diǎn)），然后根據(jù)上下氣流分界點(diǎn)設(shè)置環(huán)形柱面，最后計(jì)算流過環(huán)形柱面的氣流量大小，下面依次展開說明。

（1）需要找出排氣管口外沿正下方上下兩股氣流的分界點(diǎn)，即排氣管口外沿正下方第一個(gè)軸向速度等于零的位置。之所以強(qiáng)調(diào)“第一個(gè)”，是因?yàn)樵谂艢夤芡庋卣路酱嬖诙鄠€(gè)軸向速度等于零的點(diǎn)，但經(jīng)過流場對比，發(fā)現(xiàn)只有離排氣管下端最近的那個(gè)軸向速度等于0的位置對應(yīng)的才是分界點(diǎn)。因此在排氣管外沿正下方設(shè)置一系列監(jiān)測點(diǎn)，用以監(jiān)測軸向速度，如圖5所示，為提高計(jì)算精度，可適當(dāng)加密監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量。

設(shè)置完監(jiān)測點(diǎn)后，將這些監(jiān)測點(diǎn)的軸向速度值導(dǎo)出，在表格數(shù)據(jù)中找到第一次穿越零軸向速度線的對應(yīng)兩個(gè)Z軸坐標(biāo)數(shù)值，對這兩個(gè)Z軸坐標(biāo)值關(guān)于零軸線速度線插值，得出零軸線速度對應(yīng)的Z軸坐標(biāo)值，該坐標(biāo)軸值與排氣管下端的Z軸坐標(biāo)的差值的絕對值便是分界點(diǎn)與排氣管下端的距離。為消除氣流不對稱對計(jì)算結(jié)果的影響，可以在排氣管外沿下方周向均勻布置多列監(jiān)測點(diǎn)，并用上述方法找出各列監(jiān)測點(diǎn)的分界點(diǎn)，并對它們的軸向位置進(jìn)行幾何平均。

（2）設(shè)置短路流所流過的環(huán)形柱面。由于在軟件中暫時(shí)設(shè)置不了一段柱面，只能設(shè)置整個(gè)計(jì)算區(qū)域的柱面，因此這里以旋風(fēng)分離器軸心為柱面中心，以排氣管外徑為直徑，作一個(gè)柱面。由于短路流是流過排氣管下端到分界點(diǎn)之間這一段柱面的氣流，若直接用流量函數(shù)與前面所作的柱面做積分，則所計(jì)算出來的結(jié)果是錯(cuò)誤的。為解決這個(gè)問題，可以通過定義函數(shù)的形式，強(qiáng)制定義排氣管下端到分界點(diǎn)之間以外的區(qū)域流量函數(shù)為0。如本文所設(shè)置的函數(shù)形式為“[$Density*$$Velocity[0]*（$$Position[2]>-0.00173？1：0），$Density*$$Velocity[1]*（$$Position[2]>-0.00173？1：0），0]”，其中“-0.00173”即分界點(diǎn)的Z軸坐標(biāo)。

（3）設(shè)置面積分運(yùn)算，積分曲面選擇所定義的柱面，積分函數(shù)選擇自定義的流量函數(shù)，設(shè)置完成之后運(yùn)算面積分即可計(jì)算出短路流大小。

4 結(jié)語

本文采用CFD技術(shù)，對旋風(fēng)分離器的短路流計(jì)算方法進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)旋風(fēng)分離器排氣管外沿下方存在一個(gè)軸向速度零點(diǎn)，該點(diǎn)至排氣管下端之間的氣流較為接近真實(shí)的短路流，在此基礎(chǔ)上提出了一個(gè)基于CFD計(jì)算短路流的計(jì)算方法，并詳細(xì)闡述了借助STAR-CCM+實(shí)現(xiàn)該方法的具體步驟。

參考文獻(xiàn)

[1] 霍夫曼（Alex C. Hoffmann），斯坦因（Louis E. Stein）著.旋風(fēng)分離器——原理、設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用[M].彭維明，姬忠禮，譯.化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[2] 滿林香.基于STAR-CCM+的旋風(fēng)分離器數(shù)值模擬方法的研究[J].大眾科技，2019（6）：59-61.

[3] 魏新利，張海紅，王定標(biāo).旋風(fēng)分離器流場的數(shù)值計(jì)算方法研究[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2005（1）：57-60.

[4] 金向紅，金有海，王建軍，等.改進(jìn)氣液旋流器排氣管結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)及CFD模擬研究[J].高校化學(xué)工程學(xué)報(bào)，2011（02）：205-211.

Abstract：In order to study the short-circuit flow calculation method， the internal flow field of the cyclone separator was simulated and analyzed by STAR-CCM+ software， it is found that there is an axial velocity zero point directly below the outer edge of the exhaust pipe， the airflow flowing between the point to the lower end of the exhaust pipe is closer to the true short-circuit flow， and based on this a method of calculating the short-circuit flow of cyclone separator is proposed.

Key words：cyclone separator; short circuit flow; CFD