進口條件對旋風分離器性能影響研究

崔益華 張穎翀 張建輝 王長江 任進勇

南通潤邦重機有限公司 南通 226000

0 引言

旋風分離器作為一種常見的除塵、分離設備，在糧儲、木工、發電和環保等行業運用廣泛[1-3]。旋風分離器雖然結構簡單，但氣固兩相流動規律復雜，運行工況和結構參數的改變都會對流場產生一定的影響，進而影響整體分離性能。

隨著工業的發展和環保的要求，對旋風分離器分離性能要求越來越高。金有海等[4]研究相似放大蝸殼式旋風分離器，發現筒體直徑越小，離心力越強，粒子被分離的效率越高。Yang J X等[5]研究發現旋風分離器入口尺寸對旋風分離器性能有著重要的影響。Li Q等[6]通過改進旋風分離器排氣管的結構，發現在排氣管插入段上開孔，能夠提高旋風分離器分離性能。陳啟東等[7]研究了旋風分離器圓柱段高度對性能的影響，發現增加圓柱段高度，能夠顯著降低壓降，提高分離效率。

國內外學者雖然通過實驗和數值計算等方法對旋風分離器進行了大量研究，但對于不同進口條件的研究較少。因此，對不同進口速度和進口角度下旋風分離器內不同粒徑顆粒的氣固兩相流動特性和分離效率進行數值計算分析，具有重要的工程意義和學術價值。

1 數值計算

利用計算流體力學（CFD）中的分散顆粒群軌跡模型(Discrete Phase Model, DPM)對顆粒的運動軌跡進行仿真計算。

1.1 控制方程

1）連續相 連續方程和動量守恒方程為流體（即連續相）計算的基本方程。

連續方程為

式中：ρ為流體密度，t為時間，ui為在xi方向的流體速度。

動量方程為

2）離散相 顆粒（即離散相）的慣性與受力平衡，運動方程為

式中：fx為單位顆粒質量的力，gx(ρp-ρ)/ρp為單位顆粒質量的重力與浮力的合力，u為連續相速度，up為顆粒速度，ρ為連續相密度，ρp為顆粒密度，x為直角坐標系方向。

1.2 計算模型及網格劃分

如圖1所示，為了保證計算精度，對流體域模型進行六面體網格劃分。以0.1 mm為最外層網格大小，1.1為增大系數的方式對邊界層網格進行加密，總網格數1 217 254個，節點數1 191 602個。對不同網格數同一工況下的旋風分離器進行數值計算，結果相對誤差在0.3%以內，表明網格滿足無關性驗證和計算精度要求。

圖1 模型六面體網格劃分

1.3 參數設置

湍流模型選擇相對于k-ε和k-w能更好地模擬復雜渦、計算各向異性的雷諾應力模型(RSM)。通過有限體積法離散控制方程；對壓力和速度的耦合采用Simple算法作為基本數值方法。對于連續相，入口邊界條件為速度入口，出口邊界條件為壓力出口，壁面邊界條件為無滑移壁面。對于離散相，出口設置為Escape，集塵器底面設置為Trap，壁面設置為Reflect。

2 結果分析及討論

2.1 不同進口速度

對不同進口速度（8 m/s、16 m/s、24 m/s和32 m/s）下旋風分離器對不同粒徑粉塵的分離進行數值計算。圖2為不同進口速度下旋風分離器分離效率對比，可知同一進口速度下，隨著粒徑的增大，旋風分離器分離效率呈增大趨勢；存在臨界粒徑，當粒徑小于臨界粒徑時，分離效率相對較低且粒徑大小對分離效率影響較小；當粒徑大于臨界粒徑時，分離效率迅速增高至100%。

圖2 不同進口速度下旋風分離器分離效率對比

隨著進口速度的增大，當進口速度由8 m/s增加到24 m/s時，顆粒所受離心力增大，旋風分離器能夠完全分離的最小粒徑逐漸減小；當進口速度為8 m/s時，完全分離的最小粒徑約為10 μm；當進口速度為24 m/s時，完全分離的最小粒徑約為6 μm。當進口速度由24 m/s增加到32 m/s時，旋風分離器能夠完全分離的最小粒徑不變，約為6 μm；小粒徑顆粒分離效率減小。

圖3為不同進口速度下旋風分離器內4 μm顆粒軌跡圖。可以看出，流體由進口切向進入筒體內，沿四周旋轉下行至排塵口附近后，向中心聚集并旋轉上升，從排氣管排出。不同進口速度下，顆粒旋轉下行所轉圈數基本相同，約為6圈。當進口速度較小（8 m/s和16 m/s）時，顆粒速度小，所受離心力小，在到達排塵口附近時容易被卷入旋轉上升流，從排氣口排出，分離效率減小。當進口速度較大（32 m/s）時，排塵口附近旋轉上升流速較大，顆粒被卷入，分離效率降低。

圖3 不同進口速度下4 μm顆粒運動軌跡

圖4為進口速度24 m/s的旋風分離器內不同粒徑顆粒的體積分布。顆粒進入旋風分離器后靠近壁面運動，隨著行程的增加，離心力作用下，顆粒逐漸貼近壁面。粒徑越大，顆粒貼近壁面所需行程越短。

圖4 不同粒徑顆粒體積分布

2.2 不同進口角度

進口角度是影響旋風分離器分離效率的重要影響因素之一。對進口速度為32 m/s、進口角度為0°、2.5°、5°和10°的旋風分離器進行仿真對比分析。圖5為不同進口角度下分離效率對比，可以看出，進口角度為0°和10°時，旋風分離器對小粒徑顆粒分離效率較低；進口角度為2.5°和5°時，旋風分離器對小粒徑顆粒分離效率相對較高。當進口角度為0°時，旋風分離器分離粒徑約為6 μm；當進口角度為2.5°時，旋風分離器分離粒徑約為4.5 μm；當進口角度為5°時，旋風分離器分離粒徑約為5 μm；當進口角度為10°時，旋風分離器分離粒徑約為6 μm；對比發現，隨著進口角度的增大，旋風分離器分離粒徑先減小后增大。

圖5 不同進口角度下分離效率對比

圖6為2.5°和10°進口角度下3 μm顆粒的運動軌跡圖。從圖中可以看出，當進口角度由2.5°增加到10°時，顆粒進入筒體的豎直方向的軸向速度增大；運動的行程減少，顆粒的受離心力時間縮短，分離作用效果降低。

圖6 不同進口角度下3 μm顆粒運動軌跡圖

圖7為2.5°和10°進口角度下旋風分離器進口截面軸向速度云圖。結合圖4，當進口角度為2.5°時，流體進入筒體后軸向速度先增大后減小；當進口角度為10°時，流體進入筒體后軸向速度逐漸減小。這是由于當進口角度為2.5°時，流體的軸向速度主要由自身壓縮造成的壓力提供動力；當進口角度為10°時，流體的軸向速度為初始速度的分量，由于沿程阻力作用，逐漸減小。

圖7 不同進口角度下進口截面軸向速度云圖

3 結論

1）存在臨界粒徑，當粒徑小于臨界粒徑時，分離效率相對較低且粒徑大小對分離效率影響較小；當粒徑大于臨界粒徑時，分離效率迅速增高至100%。

2）進口速度對旋風分離器分離性能有較大影響。隨著進口速度的增大，旋風分離器分離性能先增強后減弱。

3）旋風分離器存在最佳進口角度。小于最佳進口角度，隨著角度的增大，提供一定初始軸向速度，減小部分自身壓縮問題，分離效率提升。大于最佳進口角度，隨著角度的增大，顆粒的運動的行程減少，受離心力作用減少，分離效率降低。