新型旋流分離器的數值模擬研究

邱良燕 戴石良、3 李貝貝 王昂

1 南華大學土木工程學院

2 核能與核安全國家示范型國際科技合作基地

3 湖南核三力技術工程有限公司

現有的氣固分離裝置按分離原理可分為重力沉降分離，慣性碰撞分離，旋風離心分離，磁分離以及超聲波分離[1]。其中旋風分離器因結構簡單，無其他運動部件等優點，在工業生產中大受推崇，然而其對小粒徑顆粒物分離效率不佳，因此多作為初級分離設備應用于實際工程中[2]。但旋風分離器一般入口為矩形狀，不易融于原有管道，且存在能耗大、分離效率低等缺點，為改善上述缺點，國內外許多學者對旋風分離器的結構及分離原理展開了深入的研究[3]。

現階段工業生產中對分離裝置的要求不僅限于滿足低能耗、高分離效率，更要貼合實際要求，本文基于旋風分離器與渦旋管分離器結構基礎，提出一種全新結構的軸向旋流分離器，在不破壞原有管道的基礎上，能達到對含塵氣流中的絕大部分顆粒物進行初分離，減少顆粒物對主管道的磨損，延長二級分離設備的壽命。

1 新型旋流分離器

1.1 結構及分離原理

新型軸向旋流分離器主要由進氣管、集塵室、排氣管、中心軸、螺旋葉片（4 片）組成，具體幾何結構和固定尺寸見圖1 及表1。其分離原理同樣利用固體顆粒物在圓管內受螺旋葉片的導向作用做離心力運動，從而達到氣固分離，但與旋風分離器不同的是潔凈后的氣體與分離出來的固體顆粒物速度方向垂直，即互不影響，極大程度上能改善旋風分離器中固體顆粒物“二次返流”現象。且集塵室端傾斜、光滑的內壁能加快分離后固體顆粒物的匯集。因此新型軸向旋流分離器無論是從結構上還是分離理論上均作了創新，以期其能達到低能耗及高分離效率要求。

圖1 新型分離器結構示意圖

表1 新型分離器結構參數

1.2 網格劃分

因新型分離器內部結構為螺旋葉片，其結構復雜，因此采用結構適應性強的四面體網格劃分。首先為了減少網格對模擬計算結果的影響，對網格無關性進行檢驗，劃分了4 種數量不同的單元網格：62 萬、85萬、101 萬、120 萬，并對不同網格數量的初始模型進行數值模擬，所得阻力特性曲線如圖2。

圖2 不同網格數對阻力特性的影響

從圖2 中可以看出，當網格數量超過101 萬時，阻力特性曲線幾近重合。模擬數據結果表明：101 萬網格的計算結果與120 萬網格的計算結果相差小于1%。此時可以認為網格數量101 萬對計算結果沒有影響，已經達到網格無關性要求，綜上，最終選擇101 萬的畫法為最佳網格畫法。

1.3 邊界條件設置

氣相參數設置：空氣，溫度為300 K；采用速度入口12 m/s，氣相出口設為outflow。離散相參數設置參照文獻[17]：AC 粗砂，密度為2650 kg/m3。忽略砂塵之間的碰撞影響，選取隨機軌道模型進行計算。Rosin-Rammler 分布，平均直徑為42.4 μm，擴散因子n 為1.0513。

湍流模型的選擇參考文獻[17] 采用標準K-ε 模型，SIMPLE 算法，結合二階格式進行壓力插值，離散相二階迎風格式，提高計算精度。

2 結構參數設計

2.1 響應曲面法

本文擬采用響應曲面法[18]結合CFD 數值模擬方法，對以下3 個結構參數：螺距S，軸徑H 及集塵室上端傾斜高度T 進行最優水平組合，確定各無量綱結構參數的水平取值范圍如表2；對其進行分別建模、數值模擬計算。最終得到結果如表3：

表2 因素取值范圍

表2 計算結果

表3 響應曲面優化設計回歸方程方差分析

采用響應曲面優化設計方法開展多元回歸擬合分析，將表2 中的數據導入Design-Expert 軟件中建立目標函數歐拉數Eu 和分離效率η 分別與A、B、C 的二次多項式響應面回歸方程，如式（1）和式（2）所示，并對回歸方程進行方差分析，結果如表4 所示。

從表3 可知，葉片螺距對新型分離器歐拉數和分離效率的影響極為顯著，為進一步得到各因素對目標函數的影響規律，繪制曲面圖3、4。可以看出，歐拉數與分離效率均隨葉片螺距S 的增大而下降。隨著軸徑H 增大，分離效率提高，歐拉數也增高，這是因為軸徑變大，管內流域減小，同等流量下，管內局部速度增大，歐拉數增高。而集塵室上端的傾斜高度T 越大，則會導致分離效率下降，歐拉數增大，這是因為傾斜高度的增大，集塵室端空間變大，氣流從進氣端進入集塵室時速度衰減變大，阻力損失增大。

圖3 不同因數對歐拉數Eu 的響應曲面

在進行分離器結構參數設計時既要考慮其分離效率也要考慮其壓降損失最低，根據以上響應曲面結果分析可得出最優水平組合為A=1.5，B=0.25，C=0.20；此時分離效率為95.24%，歐拉數為3.58。

圖4 不同因數對歐拉數η 的響應曲面

2.2 設計前后對比

優化前后尺寸詳見表4，進一步將最佳模型與初始模型進行對比分析，得表5：

表4 優化尺寸參數（D=200 mm）

表5 模型預測值與CFD 模擬值

由表5 可知：Design Expert 軟件的預測值與CFD的模擬值的誤差在6%以內，說明基于響應曲面法的模型預測值與CFD 模擬值吻合度較高；相比于初始模型尺寸，優化模型犧牲了小部分能耗來提高分離效率，使得分離效率與阻力損失兩者平衡。

3 最終模型特性分析

3.1 氣相流場研究

對優化后的模新型分離器模型進行氣相模擬，并截取Y=0 mm 中分面處及Z=195 mm 葉片處的速度及總壓等值線分布云圖，如圖5～8。

圖5 Y=0 mm 截面處總壓等值線分布圖

由總壓分布云圖5 和圖7 可知，進氣管葉片處的總壓分布云圖呈中心軸有很好的對稱性。越靠近葉片中心處的總壓越大，即氣流在葉片處收到擠壓，壓力增大。且新型分離器內總壓的衰減處在葉片處，還有集塵室與排氣管的起始段，這些都是引起壓力損失的主要部件。從速度分布云圖6 及圖8，可以明顯看出，總壓分布于速度分布云圖有一定的對應性，新型分離器內壓力大的地方，其氣流速度也大。且由于新型分離器集塵室端為異形管，不規則，導致其壓力及速度分布不均勻，引起與排氣管段連接處有小渦流出現。

圖6 Y=0 mm 截面處速度等值線分布圖

圖7 Z=195 mm 截面處總壓等值線分布圖

圖8 Z=195 mm 葉片處速度等值線分布圖

3.2 分離效率的研究

進一步對新型分離器的分離性能分析，首先分析不同氣流速度下，新型分離器阻力損失與分離效率的變化趨勢，得到圖9。從圖9 中可以看出：總壓損失隨著進氣速度的增加而增加，總體趨勢呈二次曲線增加。新型分離器對AC 粗塵的分離效率也隨進氣速度的增加而增大，這是由于隨著入口速度的增大，粉塵顆粒受到的離心慣性力逐漸增大，更容易甩向壁面達到氣固分離的效果。當進氣速度大于10 m/s 時，分離效率增加的趨勢變緩。

圖9 速度對新型分離器的性能參數影響

選取氣流速度12 m/s 時，新型分離器對于不同粒徑顆粒物的分離效率，得到圖10。從圖10 中可以看出：隨著粒徑的增大，起初新型分離器的分離效率效率迅速增加。新型分離器對小粒徑顆粒物的分離效率至少能達到50%以上，對于10 μm 分離效率能達到74.52%。其對于大粒徑顆粒物（20 μm 左右）的分離效率能達到95%以上，即新型分離器作為一初級分離裝置，對于一般的顆粒物分離效率滿足基本要求。

圖10 新型分離器的分級效率曲線

4 結論

1）葉片螺距增大，新型分離器的歐拉數與分離效率均減小。軸徑增大，新型分離器的歐拉數與分離效率均增大。集塵室傾斜高度增大，新型分離器的歐拉數增大，分離效率反而減小。

2）優化設計得出最佳水平組合為：A=1.5，B=0.25，C=0.2，分離效率為95.24%，歐拉數為3.58。

3）新型分離器對20 μm 以上的顆粒物基本能達到完全分離器，分離效率高達95%。對于1 μm 的顆粒物其分離效率也至少能達到50%以上，作為初級分離設備基本能夠分離氣流中大部分顆粒物，極大地減輕了二級分離設備的負擔。

4）綜上，基于該新型分離器的結構及分離原理的創新均具有參考意義，對之后分離器的設計創新，提供了新思路。