喉管直徑對旋風分離器性能影響的仿真研究

（蘭州大學 資源環境學院，蘭州 730000）

0 引言

旋風分離器結構簡單，制造、維護成本低，運行穩定，廣泛用于多相流中顆粒和液滴的收集。其原理是流體切向進入旋風分離器后在分離空間產生旋流運動，顆粒或液滴在離心力作用下被甩向壁面。在旋流的外部，氣體向下運動，把分離到器壁的顆粒或液滴帶到旋風分離器的底部，氣體反向向上運動，形成內部旋流，從溢流管上部排出［1］。

許多研究表明，流體的旋轉流動產生渦［2］，渦使得旋風分離器的流場不穩定［3］，產生旋進渦核［1］，導致能量耗散［4］，顆粒的分離效率降低［5］。所以，旋風分離器中渦結構的研究至關重要。Iozia等［6］提出了渦核直徑擬合方程，又基于顆粒平衡理論預測分割粒徑d50。結果表明，渦核直徑受入口面積和溢流管直徑影響很大。Peng等［7］的研究指出外旋渦的體積對顆粒所受的離心力起決定性作用，故渦核直徑對旋風分離器的性能影響顯著。Hoekstra等［8］采用激光多普勒測速技術測量具有不同溢流管直徑旋風分離器內部的切向速度分布，表明溢流管直徑減小，渦核直徑減小。Brar等［9］減小溢流管直徑使得顆粒收集效率提高，但壓降增加明顯，多位學者［10-13］得到了相同的結果。Kumar等［14］設計了錐形溢流管旋風分離器，增加錐形溢流管的錐角使得分離效率增加，同時壓降顯著增大。以上學者的研究顯示溢流管的直徑和形狀會顯著影響旋風分離器的渦核直徑，進而影響其性能。

總而言之，許多學者通過改變旋風分離器溢流管直徑和形狀來研究其對渦核直徑的影響，但是通過在溢流管上部氣流出口處外加結構控制渦核直徑的研究甚少。本研究在普通Lapple型（d/D=0.5）旋風分離器氣流出口處外加了d/D=0.1，0.2，0.3，0.4四種不同直徑的喉管結構，確定相應的渦核直徑大小，以及切向速度、軸向速度、徑向速度、渦核偏心等流場特性和旋風分離器壓降、分離效率的變化。

1 數值模擬

1.1 模擬方法及邊界條件

雷諾應力模型消除了各向同性湍流的假設，適用于旋風分離器內部氣相流場的模擬，因此本文采用雷諾應力模型（RSM）模擬氣相流場的湍流［15］，得到不同喉管直徑的旋風分離器內部流場分布。在穩定流場基礎上注入顆粒，假設顆粒相為稀相流，可利用LPT模型［15］進行追蹤，獲得分級效率曲線和顆粒分布。

本研究在普通Lapple型（d/D=0.5）旋風分離器氣流出口處外加d/D=0.1，0.2，0.3，0.4四種不同直徑的喉管結構，具體尺寸及結構如圖1（a）所示。測 量 截 面 選 擇 x=0，z=-1.0D，z=-1.5D，z=-2.0D，z=-2.5D，如圖1（b）所示。為提高計算精度，所有的網格均為ICEM 17.0繪制的正六面體網格，見圖1（c）。求解器采用商業計算軟件FLUENT 17.0，氣相流體為空氣，密度為1.225 kg/m3，黏度為 1.79×10-5Pa·s，顆粒相為碳酸鈣，密度為 2 800 kg/m3。邊界條件設置見表1。

圖1 旋風分離器的幾何圖、測量截面和網格Fig.1 Schematic，measured sections and grid representation of the cyclone separator

表1 邊界條件設置Tab.1 The settings of the boundary conditions

1.2 模型驗證

為了驗證模擬結果的合理性，本研究選取截面z=-0.625D，-2.0D和-2.5D處數值模擬的切向速度Vt和軸向速度Va結果與Hoekstra的試驗結果［16］進行對比，結果如圖2所示。從圖可以看出，趨勢擬合較好，因此可以認為數值模擬的結果是合理準確的。在Hoekstra的試驗中，截面z=-2.0D和-2.5D的中心軸處軸向速度曲線平緩，原因可能是因為渦核偏心現象的空間平均效應，即由于渦核進動和激光多普勒測速儀測定的體積有限，使得試驗測定的速度曲線變得平滑［16］。

圖2 模擬結果與試驗結果對比Fig.2 The comparison between the simulation results and the experimental results

2 結果與討論

2.1 喉管直徑對速度場的影響

切向速度分布與顆粒的離心力密切相關，對旋風分離器的分離效率影響很大，圖3示出不同喉管直徑旋風分離器內切向速度的分布。切向速度沿幾何中心軸呈對稱分布，徑向方向上沿器壁向幾何中心軸先非線性增大后線性減小，呈類似M型分布，為標準的蘭金組合渦結構［17］，即內旋渦為準強制渦，外旋渦為準自由渦。對于給定的喉管直徑，切向速度在軸向方向上的分布類似；隨著喉管直徑減小，在徑向方向上最大切向速度的位置向中心移動，且數值增加。

圖3 x=0截面和z=-1.0D測量直線上的不同喉管直徑切向速度分布Fig.3 The tangential velocity of different hollow throat diameters in the x=0 section and z=-0.1D measured line

最大切向速度是內外旋渦分界線［18］，圖4（a）示出不同喉管直徑旋風分離器測量截面的平均渦核直徑和平均最大切向速度。由圖可知，喉管直徑可以控制內旋渦的大小，隨著喉管直徑減小，渦核直徑先逐漸減小，當喉管直徑與筒體直徑比值為0.3時，渦核直徑趨于穩定。內旋渦體積減小，分離空間增大，且切向速度增加，離心力增大，有利于顆粒的收集。

圖4 不同喉管、筒體直徑旋風分離器的平均渦核直徑和平均最大切向速度Fig.4 The average vortex diameter and the average maximum tangential velocity of the cyclone separators in different hollow throat diameters and cylinder diameters

普通Lapple型旋風分離器筒體的直徑D=200 mm，考慮到筒體直徑放大后渦核直徑與筒體直徑的比值可能也會放大，改變筒體直徑，D1=2.5D=500 mm，D2=4D=800 mm，確定筒體直徑放大后旋風分離器的最大切向速度和渦核直徑，如圖4（b）所示。筒體直徑增加，喉管直徑仍然可以控制渦核直徑的大小，且渦核直徑與筒體直徑的比值幾乎不變，不存在放大效應。喉管結構喉口位置與溢流管下口間的距離可能會影響渦核直徑，喉管直徑與筒體直徑比值為0.3時渦核直徑趨于穩定，此條件下改變喉管位置如圖5所示，最大切向速度的位置并未發生改變，渦核直徑大小幾乎沒有變化。

圖5 x=0截面和z=-1.5D測量直線上的不同喉管位置切向速度分布Fig.5 The tangential velocity of different hollow throat locations in the x=0 section and z=-1.5D measured line

不同喉管直徑的軸向速度分布如圖6所示，軸向速度在分離空間大致呈對稱分布。由圖6可知，隨著喉管直徑減小，軸向速度最大值由溢流管內壁向中心軸線位置移動，與Elsayed等［19］的研究結果一致。當喉管直徑與筒體直徑的比值減小至0.3時，軸向速度由倒w變為倒v分布，由負壓力梯度產生的中央回流區被破壞。回流的產生與旋流強度密切相關，而旋流強度的大小一般由旋流數來表示［20］，由旋流數定義可知，喉管直徑減小使得旋流數減小，當旋流數減小到一定程度時回流消失。

圖6 x=0截面和z=-0.25D（溢流管內）測量直線上的不同喉管直徑軸向速度分布Fig.6 The axial velocity of different hollow throat diameters in the x=0 section and z=-0.25D （inside the vortex finder） measured line

圖7示出不同喉管直徑徑向速度分布，由圖可知，旋風分離器的筒體段和錐體段的準自由渦區，徑向速度分布均勻，數值幾乎為0，但由于渦核偏心現象的存在，準強制渦區徑向速度沿中心軸呈現一正一負交替分布。氣流自旋風分離器的筒壁流向溢流管外壁，沿著外壁下行，并直接從溢流管下端逃逸，這種現象被稱為短路流［21］。小顆粒容易被短路流攜帶，從而導致小顆粒的收集效率降低；隨著喉管直徑減小，短路流量略有增加［22］。

圖7 不同喉管直徑徑向速度分布和短路流量占比Fig.7 The radial velocity and the ratio of the short circuit flow of the different hollow throat diameters

2.2 渦結構及偏心現象

1988年Hunt等［23］提出了Q準則用于渦區域的判定，Gao等［24］利用Q準則對旋風分離器進行等渦面的識別。Q的大小代表了單位體積單位質量的渦具有的能量，圖8示出Q=10 000 s-2的三維等值面。由圖可知，隨著喉管直徑減小，三維等值面的當量直徑不斷減小，能量損失增加。事實上，渦核中心并不是與幾何中心完全重合的，而是偏離幾何中心，呈現一種準周期性轉動，稱為旋進渦核［20］。旋風分離器中渦的不穩定性引起流場的不穩定，進而產生旋進渦核［23］，不利于顆粒的分離。

圖8 Q=10 000 s-2三維等值面Fig.8 The three-dimensional iso-surface of Q=10 000 s-2

前期研究表明，渦核偏心現象的改善有利于小顆粒的分離［24］。本文以壓力最小值點作為渦核的中心點，研究了喉管直徑對渦核偏心的影響。圖9（a）（b）分別示出了不同喉管直徑渦核中心的偏心距在軸向方向上的分布和平均值的變化。由圖可知，喉管直徑減小，渦核中心的偏心距減小，當喉管直徑與筒體直徑的比值減小為0.3后，渦核中心的偏心距基本保持穩定。

2.3 喉管直徑對分離器性能的影響

壓降和分離效率是評價旋風分離器性能的2個重要參數。前者代表能量消耗，后者代表顆粒收集效果。如圖10（a）所示，外旋渦區域為高壓區，但壓降變化相對較小，內旋渦則是旋風分離器產生壓降的主要區域，靜壓沿徑向方向由器壁向中心軸逐漸減小。如圖10（b）所示，靜壓壓降隨著喉管直徑減小呈幾何數增加，原因在于切向速度增加需要更多的靜壓轉換為動壓來維持；而總壓壓降隨著喉管直徑的減小增幅不大，原因可能是筒體部分的結構幾乎未發生改變，因此筒體內部能量損失的差異主要來源于速度場的不同，而本研究已證實了喉管直徑的改變對于旋風分離器內部整體速度大小影響不大。

圖9 喉管直徑對渦核偏心的影響Fig.9 The influence of hollow throat diameters on the vortex core eccentricity

圖10 不同喉管直徑z=-1.0D測量直線上的靜壓分布和壓降Fig.10 The static pressure of z=-1.0D measured line and the pressure drop of the different hollow throat diameters

圖11（a）示出不同喉管直徑的分級效率，由圖可知，隨著喉管直徑減小，收集效率增加，原因主要是喉管直徑減小，內旋渦體積減小，分離空間增加，切向速度的數值增大，且流場穩定性提高，但當喉管直徑與筒體直徑比值為0.1時，短路流量增加明顯，如圖6（b）所示，收集效率反而有所降低。喉管直徑改變主要增加較小顆粒（圖中A段）的收集效率，當喉管直徑與筒體直徑的比值為0.2時，與普通Lapple型（d/D=0.5）旋風分離器相比0.5 μm的顆粒收集效率增加高達8%，中等粒徑顆粒（圖中B段）的收集效率變化較小，2 μm顆粒收集效率僅增加3%左右，當顆粒粒徑達到6 μm后（圖中C段），收集效率達到100%。選取粒徑 0.8，1，1.5，2.5，6 μm 的顆粒。隨著顆粒粒徑增加，離心力增加，顆粒越容易被甩向器壁，從而被收集。由圖11（b）可知，顆粒沿中心軸對稱分布，粒徑越大的顆粒分布區域越靠近壁面，且溢流管、喉管和出口處均無大粒徑顆粒分布。隨著喉管直徑減小，如圖3所示，切向速度不斷增加，此時顆粒所受的離心力增加，更易被甩向器壁，使得同粒徑顆粒在喉管直徑更小的旋風分離器的分離區域更靠近壁面分布。

圖11 不同喉管直徑分級效率和顆粒分布Fig.11 The grade efficiency and the particle distribution of the different hollow throat diameters

3 結論

（1）喉管直徑可以控制渦核直徑的大小。隨著喉管直徑減小，渦核直徑先逐漸減小，流場穩定性提高，當喉管直徑與筒體直徑的比值減小到0.3時，渦核直徑趨于穩定。同時喉管直徑減小，渦核中心的偏心距減小，當喉管直徑與筒體直徑的比值減小為0.3后，渦核中心的偏心距基本保持穩定。

（2）隨著喉管直徑減小，最大切向速度向中心位置移動，數值增加；軸向速度最大值由溢流管內壁向中心軸線位置移動，由負壓力梯度所產生的中央回流區被破壞，但短路流量略有增加。

（3）總壓壓降隨著喉管直徑減小增幅不大。隨著喉管直徑減小，較小顆粒的收集效率得到明顯提升，當喉管直徑與筒體直徑的比值為0.2時，0.5 μm的顆粒收集效率與普通Lapple型（d/D=0.5）旋風分離器相比增加8%。存在一個較優的喉管直徑與筒體直徑的比值范圍0.2～0.3，在此范圍內，旋風分離器分離效率較高，同時壓降較低。

總體而言，本研究有助于進一步了解旋風分離器內的復雜流場及性能，并為其結構改善提供指導。