一種高效低阻旋風(fēng)分離器的數(shù)值模擬研究

張愛琴 朱敬 郭偉

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2015.36.147

摘 要：針對(duì)旋風(fēng)分離器芯管內(nèi)強(qiáng)旋湍流造成的動(dòng)能損失，提出了將旋風(fēng)分離器芯管下端改為漸擴(kuò)錐形結(jié)構(gòu)。比較了改進(jìn)結(jié)構(gòu)旋風(fēng)分離器與基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)旋風(fēng)分離器的流場(chǎng)。結(jié)果表明：改進(jìn)結(jié)構(gòu)的旋風(fēng)分離器能夠有效地減少芯管內(nèi)的能量損失。通過分析改進(jìn)結(jié)構(gòu)旋風(fēng)分離器芯管內(nèi)速度傾角的分布，提出可通過在芯管內(nèi)加裝導(dǎo)流葉片來減弱芯管內(nèi)旋轉(zhuǎn)動(dòng)能耗散損失，并預(yù)測(cè)了芯管內(nèi)部導(dǎo)流葉片安裝參數(shù)，指導(dǎo)新型高效低阻旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)開發(fā)。

關(guān)鍵詞：旋風(fēng)分離器 漸擴(kuò)錐形芯管 速度傾角

中圖分類號(hào)：TQ051.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）12（c）-0147-02

旋風(fēng)分離器迄今已有100多年應(yīng)用歷史，隨著結(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn)，旋風(fēng)分離器分離效率已經(jīng)達(dá)到一定水平。但隨著工業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大對(duì)旋風(fēng)分離器性能提出了更高的要求。旋風(fēng)分離器高效低阻結(jié)構(gòu)開發(fā)仍有一定的發(fā)展空間。筆者采用數(shù)值模擬的方法研究旋風(fēng)分離器芯管結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，進(jìn)行高效低阻旋風(fēng)分離器的開發(fā)。

1 物理模型與網(wǎng)格劃分

該文數(shù)值計(jì)算的基準(zhǔn)旋風(fēng)分離器A和改進(jìn)結(jié)構(gòu)后的旋風(fēng)分離器B均為Φ300 mm的旋風(fēng)分離器。采用直角坐標(biāo)系，坐標(biāo)系原點(diǎn)取在旋風(fēng)分離器筒體頂端中心軸線上，z軸沿排氣管向上為正。

利用GAMBIT軟件進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分，生成六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)約為40萬。

2 計(jì)算結(jié)果

2.1 分離器壓降分析

壓降是旋風(fēng)分離器的重要性能指標(biāo)，它代表著分離器的能量消耗水平。計(jì)算了五種不同氣速時(shí)的旋風(fēng)分離器A和B的壓降得出旋風(fēng)分離器壓降均隨入口氣速上升呈逐漸增大趨勢(shì)；與旋風(fēng)分離器A相比，旋風(fēng)分離器B的壓降明顯減小。

2.2 芯管內(nèi)速度分布

圖1、圖2為旋風(fēng)分離器A和B芯管內(nèi)切向速度和軸向速度分布。由圖可知，相對(duì)A結(jié)構(gòu)，B結(jié)構(gòu)芯管內(nèi)切向速度和軸向速度有所降低，但邊壁處仍存在較高的切向速度，需要進(jìn)一步通過加裝導(dǎo)流葉片來減弱芯管內(nèi)氣流的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[3]。

如圖3所示為旋風(fēng)分離器B結(jié)構(gòu)芯管內(nèi)速度傾角分布，取芯管內(nèi)6個(gè)不同的軸向位置來分析。定義芯管內(nèi)速度傾角為速度與水平方向的夾角，記為α，由于徑向速度值很小，速度傾角的正切值約為軸向速度與切向速度的比值，即，。若導(dǎo)流葉片入口角度β與芯管內(nèi)速度傾角α相吻合，即，當(dāng)葉片入口角與流線的切線方向相同時(shí)，氣流能夠自然過渡到葉片流道空間，由旋轉(zhuǎn)上升氣流逐漸過渡為垂直上行氣流。因此，根據(jù)速度傾角值可以預(yù)測(cè)安裝導(dǎo)流葉片的最佳入口角度。

從圖中可以看出，在z=200 mm以上高度截面，速度傾角分布較對(duì)稱，且速度傾角沿徑向分布較均勻（除中心區(qū)域外），速度傾角約為30°。由此進(jìn)行預(yù)測(cè)，葉片最佳入口角度可能為30°左右，最優(yōu)安裝高度在z=200mm以上。

3 結(jié)語

（1）比較了改進(jìn)結(jié)構(gòu)旋風(fēng)分離器與基準(zhǔn)旋風(fēng)分離器芯管內(nèi)部流場(chǎng)，結(jié)果表明，改進(jìn)結(jié)構(gòu)后的旋風(fēng)分離器芯管內(nèi)切向速度和軸向速度都有所降低，能夠有效地降低分離器的壓降。

（2）分析了改進(jìn)結(jié)構(gòu)后旋風(fēng)分離器芯管內(nèi)速度傾角分布，在z=200mm以上高度截面，速度傾角分布較對(duì)稱，且沿徑向分布較均勻，初步預(yù)測(cè)了芯管內(nèi)安裝導(dǎo)流葉片最佳入口角度可能為30°左右，最優(yōu)安裝高度在z=200 mm以上。

參考文獻(xiàn)

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[3] 高翠芝，孫國剛，董瑞倩. 排氣管對(duì)旋風(fēng)分離器軸向速度分布形態(tài)影響的數(shù)值模擬[J].化工學(xué)報(bào)，2010，61（9）：2409-2416.