進口高寬比對旋風分離器內流動行為影響的數值模擬研究

周龍，寧長春，辛汶錦，遲譽，李壯*，高姿喬

工藝與裝備

進口高寬比對旋風分離器內流動行為影響的數值模擬研究

周龍1，寧長春1，辛汶錦1，遲譽1，李壯1*，高姿喬2

（1. 遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001；2. 中油遼河工程有限公司，遼寧 盤錦 124000）

以單入口旋風分離器為研究對象，采用數值模擬方法對不同進口高寬比條件下旋風分離器內的流體流動行為進行模擬研究，得出旋風分離器內氣體流動、壓力分布及顆粒運動情況，分析和討論了入口流速和進口高寬比對分離器內流動行為的影響。

旋風分離器；流動；數值模擬

旋風分離器是工業過程中使用最廣泛的氣體凈化裝置。旋風分離器具有設計簡單、無運動部件、維護成本低等優點[1-5]。在圓柱形和圓錐形的旋風分離器內，氣體由入口高速切向進入旋風分離器，形成高速旋流運動。旋風分離器內部的流動是高度湍流和復雜的。為了研究不同幾何結構對旋風分離器內氣體流動的影響，很多學者已經進行了相關數值模擬研究[6-10]。楊志勇[11]等研究了旋風分離器在催化裂化工藝中的應用，分析討論了入口速度對催化劑跑損的影響。Elsayed和Lacor[12-14]采用數值模擬方法研究了不同旋風分離器幾何形狀對氣體流動行為的影響。研究結果表明，旋風分離器內最大切向速度和壓降隨著分離器直徑的減小而增大。分離器錐體下部直徑對氣體流動影響不明顯。El-Batsh[15]等研究了溢流管長度對分離器內氣體流動行為的影響，研究結果表明溢流管的長度不會顯著影響壓降或最大切向速度。Wang[16]等采用實驗的方法研究了溢流管形狀對分離器性能的影響，結果表明倒錐形的溢流管有利于提高收集效率和壓降。李杰[17]等針對灰斗的返混現象，采用數值模擬方法研究了防返混圓臺位置及其底面積對旋風分離器性能的影響。

本文以單入口旋風分離器為研究對象，采用數值模擬方法對不同進口高寬比條件下旋風分離器內的氣體流動、壓力分布及顆粒運動行為進行研究，以期為旋風分離器的設計和分離效率的提高提供依據。

1 數學模型的建立

1.1 旋風分離器幾何模型及網格劃分

旋風分離器物理模型如圖1(a)所示。其中分離器入口為氣體入口，上部出口為氣體出口，下部出口為灰塵顆粒出口。本文考慮了3種入口寬度，分別為40 mm、50 mm和60 mm。表1給出了旋風分離器的幾何參數及數值模擬過程中的相關參數。

表1 物理模型和數值模擬參數

圖1(b)給出了旋風分離器內流體區域網格劃分。

圖1 旋風分離器幾何模型及網格劃分

本研究采用六面體非結構網格對分離器內流體區域進行劃分，不同入口寬度條件下網格數量分別為42.6萬、46.8萬和46.8萬。

1.2 控制方程、求解方法及邊界條件設置

本文通過求解連續性方程、動量方程和DPM模型來獲得分離器內流體流速、壓力以及顆粒軌跡分布。數值模擬求解過程中，湍流模型選擇模型[2]。壓力速度耦合方法采用SIMPLE算法，當收斂殘差值小于10-4時，求解收斂。分離器入口設置為速度入口，分離器的氣體和灰塵出口設置為Outflow，各物理量沿該截面的法向導數為零。對于灰塵顆粒，分離器入口和出口設置為“Escape”邊界條件，壁面設置為“Reflect”邊界條件。

2 分析討論

圖2給出了入口寬度為60 mm條件下，不同入口流速對分離器內壓力分布的影響。

圖2 入口速度對分離器內壓力分布的影響

由圖2可知，氣體流經分離器入口直管段時，入口部分的壓力分布相當均勻。當氣體進入旋風分離器時，受到旋風分離器內圓形溢流管的影響而產生旋流，旋流使得分離器壁面處的壓力很高。隨著入口氣體流速的增加，分離器壁面處產生的壓力最大值逐漸增加。圖3給出了不同入口寬度條件下分離器壁面處壓力云圖。由圖3可知，當入口氣體流速相同時，增加進口寬度，分離器壁面壓力顯著增加，由480 Pa增加至730 Pa。

圖4給出了不同進口寬度條件下旋風分離器=0截面內壓力云圖。由圖可知分離器內氣體旋流運動使得壁面的靜壓很高，并且壓力由分離器壁面向分離器中心逐漸減小。因此在旋風分離器的中心區域存在大范圍的負壓區域。沿徑向的壓力梯度最大，這是由于氣體較高的旋轉速度產生了高強度的渦流。同時可以發現，隨著進口寬度的增加，分離器內沿徑向分布的壓力梯度逐漸增大。

圖3 高寬比對分離器內壓力分布的影響

圖4 高寬比對Z=0截面內壓力分布的影響

圖5(a)和(b)分別給出了不同進口寬度條件下，分離器內筒體高度中心線處壓力和速度分布。由圖5(a)可知，分離器內壓力由外向內逐漸降低，在分離器中心位置處產生負壓。隨著入口寬度增加，分離器壁面處壓力逐漸增大。由圖5(b)可知，分離器內速度由壁面到中心呈先增加后減小趨勢，在分離器中心位置處速度值降低至最小。同時可以看出，分離器內速度分布具有一定對稱性，且速度最大值隨著進口寬度增加而逐漸增大。

圖6和圖7分別給出了不同入口速度和進口寬度條件下旋風分離器內顆粒軌跡分布。由圖6可知，當進口寬度保持不變時，隨著入口氣體流速增加，由溢流管逃逸的顆粒數量顯著減少。這是因為氣體流速較高時，顆粒受到的離心力較大，因此由溢流管逃逸的顆粒數量減少。

圖5 高寬比對分離器內壓力和速度分布的影響

圖6 入口速度對顆粒分布的影響

圖7 高寬比對顆粒分布的影響

由圖7可知，當進口氣體流速保持不變時，隨著進口寬度增加，由溢流管逃逸的顆粒數量顯著增加。這說明當進口氣體流速不變時，增大進口寬度將不利于提高分離器的分離效率。

3 結 論

本文采用數值模擬方法對不同進口高寬比條件下單入口旋風分離器內的氣體流動、壓力分布和顆粒運動行為進行研究，得到以下結論：

1）入口氣體流速和進口寬度的增加，可以顯著增加分離器壁面處壓力。分離器進口寬度的增加，可導致分離器內沿徑向分布的壓力梯度增大。

2）入口氣體流速相同時，隨著分離器進口寬度的增加，分離器壁面處壓力增大，徑向速度最大值也隨之增加。

3）本文研究條件下，保持進口高寬比不變，增大氣體流速有利于提高分離器的分離效率；保持入口氣體流速不變，增大進口寬度不利于提高分離器的分離效率。

致謝

本文作者感謝大學生創新創業訓練計劃項目（2020101480067，2021101480084）的資助。

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Numerical simulation of the Effect of Inlet Height-width Ratio on the Flow Behavior in Cyclone Separator

11111*2

（1. College of Petroleum Engineering, Liaoning Petrochemical University, Fushun Liaoning 113001, China;2. PetroChina Liaohe Petroleum Engineering Co., Ltd., Panjin Liaoning 124000, China）

Numerical simulation was conducted to study the fluid flow behavior in a single-inlet cyclone separator. The behavior of gas flow, pressure distribution and particle movement in the cyclone separator were obtained, and the effects of inlet velocity and inlet height-width ratio on the flow behavior in the separator were analyzed and discussed.

Cyclone separator; Flow; Numerical simulation

TQ028.2

A

1004-0935（2022）04-0559-04

大學生創新創業訓練計劃項目（項目編號：2020101480067，2021101480084）。

2021-10-09

周龍（2000-），男，遼寧石油化工大學能源與動力工程專業。 E-mail：2513736638@qq.com。

李壯（1983-），男，副教授，博士，研究方向：多相流相關數值模擬。E-mail：lizhuang@lnpu.edu.cn。