提高旋風除塵器對微細沙塵除塵效率研究

姚宇涵 降華

摘要：以TX-18鐵路道床吸污裝置中的除塵系統的旋風子作為模型，選用Ansys中CFD模塊模擬了旋風除塵器在吸污過程中對粒徑在5～200μm范圍內的沙塵的除塵效率。通過軸向速度云圖、徑向速度云圖，研究了排氣管插入深度對除塵效率的影響。利用粒子追蹤對沙塵顆粒在旋風除塵器進行分析，探討了不同粒徑的沙塵的運動軌跡。結果表明，當排氣管道插入深度與與吸入口高度之比為0.8時，具有更好的除塵效率，其能夠滿足對粒徑為大于40μm的沙塵在進行氣固分離。

關鍵詞：旋風子;兩相流;流體力學;CFD

中圖分類號：TS210文獻標識碼：A文章編號：2096-6903（2021）12-0043-03

0引言

在鐵路線路，當重載列車運行至坡道較大路段時，需要在機車車輪處灑沙，以增大車輪與鋼軌表面摩擦力，機車灑下的沙子無法自動回收，將散落在鐵路道床的表面及周圍，若長時間得不到清理，將會掩埋鋼軌、堵塞排水溝、破壞道床，危及列車的行車安全。

目前，由中國鐵建高新裝備股份有限公司研制的TX-18鐵路道床吸污裝置利用負壓吸入方式對散落的細沙進行收集，在除塵系統中進行氣固分離，除塵系統的旋風除塵器對細小顆粒的分離起著十分重要的作用。然而，經過碾壓的細沙粒徑較小（通常為70～200μm），難以有效的實現氣固分離[1，2]。

切向入口旋風子由于其結構容易加工，造價成本低，因此作為重要的工業除塵器[3]。通常大顆粒沙塵由于自身體積的原因能夠在離心力的影響下被拋向器壁，并在自身重力和向下氣流的作用下沿筒壁沉降至排塵口，收集于設備底部的儲存區。然而，小顆粒沙塵由于自身重力的因素不能脫離旋轉氣流而隨其一起由于筒壁傾斜而收縮向中心流動，然后形成二次渦流（內漩渦）向上運動，經由排氣管直接排出，從而降低對小顆粒沙塵的除塵效率[4，5]。

本文調節排氣管插入深度來提高除塵效率的方法。通過對原旋風子的流場進行仿真分析，確定外漩渦與內漩渦的邊界、微細沙塵的運動軌跡，從而確定最佳排氣管插入深度，提高氣固分離率，最終提高對微細沙塵除塵效率。

1模型建立

1.1數學模型

旋風模擬常用的模型有三種：k-ε模型、代數應力模型（ASM）和RSM。k-ε模型采用各向同性湍流假設，因此它不適用于具有各向異性湍流的旋流器中的流動[6]。ASM無法預測強旋流中的回流區和朗肯渦。RSM放棄了各向同性湍流的假設，并解決了雷諾應力各分量的遷移方程，它被認為是最適合旋流的湍流模型[7]。

在RSM中，各分量的遷移方程如式（1）所示。

（1）在本文中的建模中，并未引入顆粒之間的相互作

用，僅計算粒子上的重力和氣體阻力。其中氣體阻力被分解為兩個分量：一個是由流體的平均速度引起的，另一個是由流體的分散速度引起的。則環境溫度下兩相流

中顆粒的動量方程可表示為：

（2）

（3）

（4）

此中， 為流體與顆粒之間的動量傳遞系數;vp粒子徑向瞬時速度;wp為切向質點瞬時速度;up軸向粒子瞬時速度;w為質點切向平均速度;rp為粒子半徑;g為氣體;Rep為雷諾數;CD為阻力系數，具體表示為：

（5）

1.2物理模型及網格劃分

為了不失一般性，仿真計算的模型如圖1（a）所示，吸入口高度360mm，寬度240mm;直筒段高度為720mm;排氣管插入深度360mm;直筒段內徑720mm;排氣管的直徑240mm;排塵口直徑180mm;錐段的傾斜角12°。

圖1（b）顯示了包含62429個CFD單元的計算域。整個計算區域由結構化六面體網格劃分。在靠近排塵口、排氣口和吸入口的區域進行了網格細化。入口氣體速度為20m/s，出口除的氣體壓力為1atm。顆粒使用的材料為典型沙塵，其密度為0.65g/cm3。

2結果及討論

2.1排氣管插入深度對氣固分離效率的影響

首先對旋風除塵器進行幾何優化并探究旋風除塵器內部氣體流動情況。圖2（a）～（c）為不同排氣管的插入深度與入口高度之比分別為0.1、0.8及1.8時軸向速度云圖。從圖2（A—A）中可以發現，高速氣體從入口進入，并在C點處被加速，并隨著氣體沿著壁旋轉。之后，氣流在進入旋風式除塵器下方之前，會與后續進入的氣流發生碰撞，并在排氣管外壁附近（點D）形成混沌流，使得氣體速度在點D發生急劇下降，這將導致氣體在流動過程中發生能量損失產生短路流。重要的是，從圖2中可以看出向上流動和向下流動氣體之間存在明顯的分界線，且向上流動氣體的中心與旋風式除塵器的幾何中心不一致。這是由于旋風除塵器中存在偏心渦流，擾亂了向上流動的氣體。然而，從圖2（a）及（c）中可以發現，向上流通的氣體與排氣管的幾何中心發生了嚴重的偏移，這將導致排氣難以順利進行，大量的氣體有可能從排塵口直接排出。

圖3為排氣管的插入深度與入口高度之比分別為0.1、0.8及1.8時的y軸速度云圖。從圖3（a）中可以發現，雖然排氣管插入深度較低，也能產生內外漩渦，但是內漩渦空間過大。通常，外漩渦才是沙塵進行分離的主要空間，內漩渦空間過大將導致排氣管排氣不暢，以至于使沙塵直接從排氣管排出[8]。此外，如圖3（a）中A點中可以發現，入口處上有部分氣體直接進入了排氣管，即我們所說的短路流。這部分氣體所攜帶的沙塵將完全不進行離心力分離，直接逃逸。其次，從圖3（c）中可以發現，容易在排氣管外壁形成回路，而這一部分氣體所攜帶的沙塵將沿排氣管外壁下滑后到達排氣管底部時，隨其內部的上升氣流而逃逸，如圖3（c）中B點所示。

因此，插入深度與入口高度之比為0.8時，具有更好的氣固分離效率。

2.2沙塵顆粒粒子追蹤

為了進一步驗真改良旋風子的工效，需要對不同粒徑的沙塵在排氣管道插入深度與與吸入口高度之比為0.8的旋風除塵器中的運動，進行粒子追蹤。圖4顯示了多個直徑的沙塵在0.4s內的位置隨時間的變化。從該圖可以看出，隨著時間的增加，不同直徑的沙塵從吸入口進入，之后沿旋風除塵器的邊壁逐漸進入至排塵口。較小直徑的沙塵（藍色部分）與較大直徑的沙塵（紅色部分）同時從吸塵口進入，較大直徑的沙塵首先從排塵口排出，而較小直徑的經過多次旋轉后從排塵口排出[9]。

根據圖5，直徑大于40μm的沙塵可以旋轉到旋風除塵器的錐形部分并從排塵口排出，經過碾壓后的沙塵通常為70～200μm，因此改良后的旋風子能夠達到良好的除塵效果。

如果沙塵直徑小于40μm，沙塵首先向下旋轉，然后在即將進入錐形部分附近一定高度處繼續旋轉。這可能是因為，當微細沙塵向下移動到圓錐體時，旋風分離器的半徑減小，但是顆粒的切向速度變化不大，粒子上的離心力增加，從而使得微細沙塵難以進入排塵口。

3結論

（1）通過對排氣管的排氣管道插入深度與與吸入口高度之比分別為0.1、0.8及1.8的旋風除塵器進行了兩相流流體仿真。研究結果表明，排氣管插入深度為0.8時，能夠有效的遏制短路流的出現，減少沙塵直接從排氣口排出，具有良好的除塵效果。

（2）通過對不同粒徑的沙塵進行粒子追蹤可以發現，改良后的旋風子能夠滿足對車輪碾壓后的沙塵具有良好的氣固分離效果，實現除塵。

參考文獻

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[9]李強.旋風除塵器優化設計及分離特性研究[D].長沙：中南大學，2008.

ResearchonImprovingtheDustRemovalEfficiencyofCycloneDustCollectorforFineSand

YAOYuhan1，JIANGHua2

（1.ChinaRailwayConstructionHigh-techEquipmentCo.，Ltd.，KunmingYunnan650215;

2.ChinaRailwayLanzhouBureauGroupCo.，Ltd.，LanzhouGansu730000）

Abstract：TakingthecycloneofthedustremovalsystemintheTX-18railwaytrackbedsewagesuctiondeviceasa

model，theCFDmoduleofAnsysisselectedtosimulatethedustremovalofthedustintherangeof5～200μmin

thecyclonedustcollectorduringthedirtsuctionprocessefficient.Throughtheaxialvelocityclouddiagramand

theradialvelocityclouddiagram，theinfluenceoftheinsertiondepthoftheexhaustpipeonthedustremoval

efficiencyisstudied.Particletracingisusedtoanalyzethedustparticlesinthecyclonedustcollector，andthe

movementtrajectoriesofsanddustwithdifferentparticlesizesarediscussed.Theresultsshowthatwhenthe

ratiooftheinsertiondepthoftheexhaustpipetotheheightofthesuctionportis0.8，thedustremovalefficiency

isbetter，whichcansatisfythegas-solidseparationofdustwithaparticlesizeofmorethan40μm.

Keywords：cyclone;two-phaseflow;fluidmechanics;CFD