基于DPM對旋風分離器內固體顆粒運動軌跡的模擬

張 珩，韓志亮，王興福，劉紅姣

(1江漢大學 化學與環境工程學院，湖北 武漢 430056；2.江漢大學工業煙塵污染控制湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430056)

旋風分離器是氣固分離的重要設備，在石油化工、環境保護、燃煤發電等行業應用廣泛[1-2]。雖然旋風分離器結構簡單，內部無運動部件，但其內部氣-固兩相流動復雜，旋風分離器頂部環形空間會產生顆粒聚集[4]，排氣管入口附近有顆粒逃逸現象發生[4]，錐體下部集灰口會有顆粒返混[5]。顆粒的運動狀況都直接影響固體顆粒的分離效果。因此，研究旋風分離器內顆粒運動軌跡對于提高旋風分離器的分離效率具有重要意義。

國內外很多研究人員對旋風分離器內部流場及固體顆粒的運動軌跡進行了研究。何興建、禮曉宇[6]等人在實驗中發現蝸殼型旋風分離器存在周期性變化的“頂灰環”現象。高助威[7]在研究單入口蝸殼式旋風分離器內顆粒濃度分布時發現，當“頂灰環”積累到一定程度后，固體顆粒會沿著排氣管外壁面向下“爬行”。易林[8]探討了螺旋形的旋風分離器在不同流速下內部流場和固體顆粒的分離效率。Marek Wasilewski[9]分別研究了不同進口角度下蝸殼型旋風分離器內部流場、壓力場與渦核的位置及顆粒分離效率之間的關系。

本文針對目前廣泛應用的標準旋風分離器，采用 RSM模型和DPM離散相模型，結合顆粒隨機軌道模型，跟蹤顆粒運動軌跡，模擬不同入口速度和入口角度下，旋風分離器內一定直徑固體顆粒的運動軌跡，探討標準旋風分離器內不同入口速度和角度對顆粒運動軌跡的影響，為提高標準旋風分離器的分離效率以及性能改進提供參考。

1 幾何模型及網格劃分

圖1為單入口標準旋風分離器結構示意圖，其幾何尺寸見表1。為了使進口氣體流動方向與進口管、筒體網格方向一致，防止偽擴散現象，本文選用ICEM軟件對幾何模型進行結構性網格的劃分，并在旋風分離器排氣管插入范圍內，對網格進行了加密，如圖 2所示，網格數為428432個。

圖1 標準旋風分離器

圖2 標準旋風分離器網格模型

表1 旋風分離器幾何尺寸

2 數學模型

旋風分離器內流場為非軸對稱三維強旋轉流場，具有各向異性和旋轉效應[10]。李昌劍[11]等利用 RSM模型對旋風分離器的氣固兩相流場進行數值模擬，模擬結果與實驗結果吻合良好，故本文采用RSM雷諾應力模型。

結合顆粒隨機軌道模型跟蹤顆粒運動軌跡，本文選擇DPM離散相模型，忽略顆粒之間的碰撞，僅僅考慮氣體與顆粒之間的相互作用，交替求解氣相與顆粒之間的控制方程。

3 模擬計算

3.1 邊界條件設置

氣相進口設為速度進口，固體顆粒在進口處設為射流；底部集灰口設為自由出口，固體顆粒在集灰口設置為捕捉，氣流流量為0；頂部排氣管口采用自由出口，氣流流量設置為1，對從排氣管口隨氣體排出的固體顆粒設置為逃逸；將旋風分離器壁面設置為完全彈性。

3.2 初始條件

氣相為常溫常壓下的空氣，入口速度分別設為12，16，20，24，28m/s，入口角度從-30°至+30°，每隔10°取一個變量。為了更清楚看到顆粒運動軌跡，選氣相中固體顆粒直徑50μm，固體顆粒濃度為30 g/m3。固體顆粒在整個進口截面上均勻分布，不同流速下固體顆粒的濃度不變，不同流速下固體顆粒的質量流量如表2所示。

表2 不同流速下的固體顆粒質量流量

3.3 算法與差分格式

旋風分離器內部流場和顆粒運動軌跡模擬采用Fluent商用軟件，壓力速度耦合選擇Simple算法，壓力梯度采用PRESTO！方法進行處理，各方程對流項采用QUICK差分格式，模擬計算采用非穩態耦合求解，時間步長取10-5s。

4 模型的可靠性驗證

采用 RSM模型和DPM離散相模型，結合顆粒隨機軌道模型，跟蹤顆粒運動軌跡，模擬實驗室條件下旋風分離器顆粒的運動軌跡發現，在旋風分離器錐體部分出現明顯的固體顆粒旋流，如圖3所示，即固體顆粒聚集處正好與旋風分離器表面的壁面磨損相吻合，則說明所建立的模型能夠較為準確地跟蹤旋風分離器內部的固體顆粒運動軌跡。

圖3 下灰環現象與實際生產中壁面的磨蝕吻合

5 模擬結果分析

5.1 入口速度對固體顆粒運動軌跡的影響

本文研究入口角度為0°時，五種不同進口速度下：12,16,20,24,28m/s，旋風分離器內固體顆粒運動軌跡(見圖4)。

圖4 不同進口速度下固體顆粒運動軌跡

觀察固體顆粒運動動畫時發現，固體顆粒隨氣體從進口順著壁面運動60°后，在切向運動的同時，先沿軸向向下運動一小段高度，向上運動到旋風分離器頂部。圖4為不同進口速度下固體顆粒運動軌跡，當入口速度為12m/s時，固體顆粒在頂部沒有累積。當入口速度為16m/s時，由于旋風分離器內部氣流流動的不對稱，促成了環形空間內二次渦的形成，頂部氣流渦流湍動加強，對顆粒產生的上行拉力較大，導致固體顆粒向上運動的趨勢明顯，固體顆粒逐漸累積而形成“頂灰環”，固體顆粒在頂部沿壁面一直旋轉，形成連續的“頂灰環”。當固體顆粒累積到一定厚度時，顆粒會隨著上升的內旋流逃出旋風分離器，“頂灰環”減弱直至消失，然后顆粒再次累積，重新形成“頂灰環”，周而復始；當速度達到24m/s時，“頂灰環”最厚，停留時間最長。當入口速度達到28m/s時，“頂灰環”現象開始減弱。

當入口速度從12m/s增大到28m/s時，固體顆粒除了會在頂部形成“頂灰環”，同時也會在圓錐體中部不同位置形成固體顆粒高濃度環狀區，即“下灰環”。速度不同，“下灰環”的位置不同，形狀也有所不同。這主要是由于固體顆粒曳力軸向分量和重力合力從上至下逐漸增加，離心力與徑向曳力的合力逐漸減小，使固體顆粒在豎直方向受力處于動態平衡中。

5.2 水平入口角度對固體顆粒運動軌跡的影響

本文選取旋風分離器水平入口角從-30°至+30°之間變化，將-30°～+30°每10°為一個變量，分成7個角度進行建模，進口速度取24m/s，固體顆粒粒徑為50μm。

通過圖5可以明顯的看到，入口水平角度度對“頂灰環”和“下灰環”的形成有明顯的影響。當水平入口角度為0°時，旋風分離器上部環狀區域內有非常密集的固體顆粒軌跡線，其形成的“頂灰環”厚度最大，水平入口角度為±10°時，固體顆粒在頂板環形空間運動一段時間，然后沿筒壁向下運動被分離出來，沒有形成明顯的“頂灰環”，但是在圓錐體中上部會形成“下灰環”，且長時間內不會消失。當水平入口角度為±20°時，會在旋風分離器頂部形成一個“頂灰環”，不會消失，但“下灰環”一直不明顯。當水平入口角度為±30°時，顆粒運動過程中并未發現明顯的“頂灰環”，水平進口角度為+30°時，在圓錐體中部會形成一個“下灰環”，而當角度為-30°時既沒有形成“頂灰環”，也沒有形成“下灰環”，且顆粒運動軌跡基本遵循外螺旋運動。由此可見，-30°為最佳入口角度，此角度既不會形成“頂灰環”，也不會形成“下灰環”。

圖5 不同水平入口角度下固體顆粒的運動軌跡圖

6 結論

本文討論不同氣相入口速度與入口角度下，標準旋風分離器內顆粒運動軌跡，研究“頂灰環”和“下灰環”形成、發展和消失的基本規律，主要結論如下。

(1)當入口速度從12m/s增大到24m/s時，旋風分離器內先會出現“頂灰環”現象，且“頂灰環”的厚度與停留時間隨著流速增加而增加，當入口流速達到24m/s時，“頂灰環”達到最厚，當入口流速為28m/s時逐漸減弱；同時，入口氣流速度不同，固體顆粒在旋風分離器錐體不同位置，形成不同形狀和厚度的“下灰環”。

(2)當水平進口角度為0°時，旋風分離器上部環狀區域內有非常密集的固體顆粒軌跡線，其形成的“頂灰環”厚度最大，當角度為-30度時既沒有形成“頂灰環”也沒有形成“下灰環”，且顆粒運動軌跡基本遵循外螺旋運動，利于氣固分離。

(3)旋風分離器的氣-固分離過程是持續操作的動態平衡過程，只有當顆粒受力平衡時，才能形成“頂灰環”和“下灰環”。入口角度和入口速度發生變化時，顆粒受力會發生變化，“頂灰環”和“下灰環”的位置和厚度也會發生變化。