旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)顆粒分離性能的影響

戚 晶，朱為國(guó)，李 祥，邱 威，張 峰

（淮陰工學(xué)院 機(jī)械與材料工程學(xué)院，江蘇 淮安 223000）

0 引言

旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、維護(hù)成本低，運(yùn)行穩(wěn)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(jìn)入旋風(fēng)分離器后在分離空間產(chǎn)生旋流運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)，把分離到器壁的顆粒或液滴帶到旋風(fēng)分離器的底部，氣體反向向上運(yùn)動(dòng)，形成內(nèi)部旋流，從溢流管上部排出[1]。本研究針對(duì)旋風(fēng)分離器的筒體高度、錐體高度、錐體轉(zhuǎn)折角度進(jìn)行研究，找出最優(yōu)的分離效果。

1 旋風(fēng)分離器國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外旋風(fēng)分離除塵器有各式各樣，組成結(jié)構(gòu)不盡相同，根據(jù)其不同的類(lèi)型，在除塵性能上會(huì)有所差異。許多研究表明，流體的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)產(chǎn)生渦，渦使得旋風(fēng)分離器的流場(chǎng)不穩(wěn)定，產(chǎn)生旋進(jìn)渦核，導(dǎo)致能量耗散，顆粒的分離效率降低。所以，旋風(fēng)分離器中渦結(jié)構(gòu)的研究至關(guān)重要。Yoshida[2-4]等實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，圓錐形穩(wěn)渦器的軸向安裝位置會(huì)改變排塵結(jié)構(gòu)的實(shí)際通流面積，高助威5等認(rèn)為穩(wěn)渦器應(yīng)位于排塵口之上的錐形分離空間，而Kosaki[6-8]等則認(rèn)為穩(wěn)渦器位于排塵之下更有益處。可見(jiàn)，在穩(wěn)渦器的排布位置研究方面并沒(méi)有統(tǒng)一答案，而且前人的研究多側(cè)重于穩(wěn)渦器在不同位置時(shí)的性能表現(xiàn)，并未對(duì)分離器內(nèi)的氣流流動(dòng)機(jī)制進(jìn)行充分分析，再加上所研究的旋風(fēng)分離器的基本構(gòu)型各具特色，尺寸不盡相同，研究結(jié)論囿于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，難以保證在新的結(jié)構(gòu)形式和尺寸中普遍適用。

2 旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于分離性能的模擬分析

利用數(shù)值模擬軟件FLUENT對(duì)Solidworks所建立的三維模型進(jìn)行模擬分析。采用雷諾應(yīng)力模型對(duì)旋風(fēng)分離器的分離顆粒的效率進(jìn)行模擬分析，從而確定分離器的主要的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)：筒體高度H1、轉(zhuǎn)折角度θ、錐體高度H2。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化后的分離器進(jìn)行內(nèi)部流場(chǎng)分析，結(jié)合多種工況數(shù)值模擬分析的結(jié)果，設(shè)計(jì)了一種新型的分離器，并對(duì)比分析優(yōu)化前后的流場(chǎng)，得出結(jié)論，優(yōu)化后的分離器分離效率有提升。

2.1 旋風(fēng)分離器的模型建立

建立分離器的物理模型，其中H1為筒體高度，θ為轉(zhuǎn)折角度；H2為錐體高度。筒體高度H1選取為20 cm、24 cm、28 cm；錐體高度H2選取為20 cm、24 cm、28 cm；錐體轉(zhuǎn)折角度θ選取為70°、75°、80°。入口氣體為常溫空氣，入口邊界條件為速度入口，入口速度設(shè)為20 m/s。出口邊界條件設(shè)置為充分發(fā)展出口，采用無(wú)滑移邊界條件。顆粒粒徑為1μm，顆粒密度設(shè)置為2700 kg/m3，顆粒的入口速度與氣相入口速度相同，入口顆粒的質(zhì)量濃度為10 g/m3。

2.2 數(shù)值求解

旋風(fēng)分離器的氣體相流域采用N-S方程和應(yīng)力輸運(yùn)方程采用雷諾應(yīng)力模型（RSM）求解，具體計(jì)算基本方程如下：

連續(xù)性方程：

動(dòng)量方程：

式中:，為平均速度分量：xi=（x1，x2，x3）為笛卡爾坐標(biāo)；平均壓力，ρ為流體密度，μ為流體動(dòng)力黏度，t為時(shí)間，u為氣體速度。

雷諾應(yīng)力模型輸運(yùn)方程

式中：Di，j為擴(kuò)散相；Pi，j為應(yīng)力產(chǎn)生項(xiàng)；Gi，j為浮力產(chǎn)生項(xiàng)；?ij應(yīng)力應(yīng)變?cè)俜峙漤?xiàng)；εij為離散相，F(xiàn)ij為旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生項(xiàng)，r為自定義源項(xiàng)，Suser;下標(biāo)i，j，k為通用坐標(biāo)方向[3]。

2.3 旋風(fēng)分離器模擬結(jié)果分析

（1）筒體高度H1對(duì)分離效率的影響。圖1展示了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)筒體高度對(duì)分離器效率的影響。從圖中可知，當(dāng)流速保持不變時(shí)，分離器效率隨著筒體高度的增大而減小，當(dāng)筒體高度在20 cm時(shí)，分離器的效率要明顯高于筒體高度24 cm、28 cm時(shí)的除霧效率，因此將分離器的筒體高度設(shè)置為20 cm。

圖1 不同的筒體高度H1對(duì)分離性能的影響圖

（2）轉(zhuǎn)折角度θ對(duì)分離效率的影響。圖2示出不同轉(zhuǎn)折角度下旋風(fēng)分離器的分級(jí)效率曲線(xiàn)。從圖中可以看出，轉(zhuǎn)折角度越大，分級(jí)效率曲線(xiàn)越陡，說(shuō)明分離器的分離性能越好。其中縮口角從70°增加到75°時(shí)，旋風(fēng)分離器的分離性能提升明顯；而從75°增大到80°時(shí)，分離性能提升較小。綜合壓力損失的分析可知，旋風(fēng)分離器的最佳轉(zhuǎn)折角度為75°。

圖2 不同的轉(zhuǎn)折角度θ對(duì)分離性能的影響圖

（3）錐體高度H2對(duì)分離效率的影響。圖3展示了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)錐體高度對(duì)分離器效率的影響。從圖中可知，當(dāng)流速保持不變時(shí)，分離器效率隨著錐體高度的先增大厚后減小，當(dāng)錐體高度在24 cm時(shí)，分離器的效率要明顯高于筒體高度20 cm、28 cm時(shí)的除霧效率，因此將分離器的錐體高度設(shè)置為24 cm。

圖3 不同的錐體高度H2對(duì)分離性能的影響圖

綜上所述，分離器的最終參數(shù)：筒體高度為20 cm，轉(zhuǎn)折角度為75°，錐體高度為24 cm。

3 對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化后的分離器進(jìn)行流場(chǎng)分析

如圖4所示為分離器內(nèi)部的粒子運(yùn)動(dòng)圖。在筒體下部以及錐體中容易受縱向渦流和偏心環(huán)流的作用，從而在內(nèi)外旋流間交替運(yùn)動(dòng)，呈現(xiàn)出較為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡。

如圖5所示為分離器內(nèi)部的壓力分布云圖，在分離器內(nèi)部，筒體的內(nèi)壁的壓力較大且分布均勻，筒體內(nèi)壁往下與錐體內(nèi)壁接觸的位置開(kāi)始，壓力開(kāi)始逐漸下降，并且壓力由內(nèi)壁向中心部位逐漸減小，這就使得分離器對(duì)分離顆粒的數(shù)量大大減少，從而導(dǎo)致最終分離器分離效率的下降。

圖4 分離器內(nèi)部的粒子運(yùn)動(dòng)圖

圖5 分離器內(nèi)部的壓力分布云圖

如圖6所示為分離器內(nèi)部的速度分布云圖，圖8為入口上端的速度分布云圖，速度在入口處最大，然后螺旋的經(jīng)過(guò)筒體內(nèi)壁速度略有下降，在經(jīng)過(guò)筒體與錐體的轉(zhuǎn)折角時(shí)，速度增加，加速顆粒的分離，提高分離器的分離效率。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）在L/H=1的標(biāo)準(zhǔn)下，旋風(fēng)分離器筒體高度為20 cm、錐體高度為24 cm、錐體轉(zhuǎn)角角度為75°時(shí)旋風(fēng)分離器的分離性能最優(yōu)。

圖6 分離器內(nèi)部的速度分布云圖

（2）旋風(fēng)分離器在工作中分離效率下降的原因：在分離器內(nèi)部，筒體的內(nèi)壁的壓力較大且分布均勻，筒體內(nèi)壁往下與錐體內(nèi)壁接觸的位置開(kāi)始，壓力開(kāi)始逐漸下降，并且壓力由內(nèi)壁向中心部位逐漸減小，這就使得分離器對(duì)分離顆粒的數(shù)量大大減少。