基于FLUENT的旋風(fēng)分離器內(nèi)流場數(shù)值模擬研究

蘆 婭 妮

(隴東學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院,甘肅 慶陽 745000)

基于FLUENT的旋風(fēng)分離器內(nèi)流場數(shù)值模擬研究

蘆 婭 妮

(隴東學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院,甘肅 慶陽 745000)

為了研究旋風(fēng)分離器內(nèi)流場的運(yùn)動狀況，在計算流體動力學(xué)方法的基礎(chǔ)上，將空氣視為理想氣體，利用FLUENT前處理軟件GAMBIT進(jìn)行建模并劃分網(wǎng)格，然后利用計算流體動力學(xué)軟件FLUENT對旋風(fēng)分離器的內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬結(jié)果表明：分離器內(nèi)部的流動空間可分為內(nèi)、外兩個流動區(qū)域，在不同的流動區(qū)域中，氣體速度場的運(yùn)動相當(dāng)復(fù)雜，且其速度分布不是絕對的軸對稱分布。

旋風(fēng)分離器；數(shù)值模擬；湍流模型；流場分布

Abstract： In order to study the condition of motion of flow field inside the cyclone separator,in computational fluid dynamics(CFD)method based on,the air are regarded as an ideal gas,using fluent before processing software gambit modeling and meshing,and with the help of computational fluid dynamics software FLUENT is used to simulate the cyclone separator in the turbulence model to inlet velocity was 20 m/s.The simulated results shows that the flow field cyclone separator could be divided into two parts: the inner one and outer one,the velocity of gas motion was complicated,and the distribution of velocity were not axial-symmetry.

Keywords： cyclone separator;numerical simulation;turbulence model;flow field distribution

當(dāng)前，隨著工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，我們的生活環(huán)境受到了嚴(yán)重的污染。雖然國家和企業(yè)都在想法盡量減少排放污染物，然而我們的工業(yè)生產(chǎn)在逐年增加，那么污染物的排放就無法避免。解決環(huán)境污染要從能源方面著手，目前能源問題已經(jīng)成為世界各國保護(hù)生態(tài)和環(huán)境的關(guān)鍵問題，世界各國在尋找穩(wěn)定新能源的同時，也更加關(guān)注如何提高現(xiàn)有能源的使用效率和節(jié)能新方法的研究。近年來我國的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃在逐漸實施，所以對污染物的排放要求也非常嚴(yán)格，節(jié)約能量損失、大力發(fā)展除塵減排技術(shù)就成了關(guān)鍵問題，本文研究的旋風(fēng)分離器正是應(yīng)用最為廣泛的除塵設(shè)備。

旋風(fēng)分離器是一種利用離心力將氣體中的固體顆粒分離出來的裝置[1]。旋風(fēng)分離器的應(yīng)用有著悠久的歷史，它已超過100年，在石油化工及煤炭發(fā)電等行業(yè)的生產(chǎn)過程中應(yīng)用極為廣泛。目前應(yīng)用最為廣泛的是煙塵凈化設(shè)備，同時在大氣污染防治中的各類除塵設(shè)備中旋風(fēng)分離器的應(yīng)用也已越來越廣泛。為了提高旋風(fēng)分離器的分離效率，并改善和優(yōu)化它的結(jié)構(gòu)尺寸，需要相關(guān)研究人員對分離器的氣固兩相特性進(jìn)行更深的研究，而旋風(fēng)分離器內(nèi)部氣流的流場是很復(fù)雜的，需要在一定的流體動力學(xué)基礎(chǔ)上才能對旋風(fēng)分離器內(nèi)氣固兩相流場進(jìn)行正確的分析[2]。

1 FLUENT數(shù)值模擬

1.1FLUENT軟件簡介

FLUENT是一種用來計算類似于流體流動、熱傳遞和化學(xué)反應(yīng)等這些方面的工程問題的軟件，是當(dāng)今應(yīng)用CFD軟件包最為廣泛的軟件[3]。FLUENT自身擁有比較充足的物理模型和先進(jìn)的數(shù)值模擬計算方法，同時還帶有比較強(qiáng)大的前處理和后處理功能，它在石油化工、航空航天、汽車設(shè)計等諸多領(lǐng)域都是不可缺少的。

FLUENT軟件開發(fā)了多個具有統(tǒng)一的網(wǎng)格生成技術(shù)和共同的圖形界面，并且能適用于很多情況的關(guān)于介質(zhì)流動的模擬軟件，而這些軟件都可以用來模擬流體的流動、傳熱與傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)等很多比較復(fù)雜的物理現(xiàn)象。FLUENT軟件大致是由下面三個部分組成的：

(1)前處理器：

常用的前處理器主要有Gambit、TGrid、Filters(Translators)。其中Gambit是一款用得最多并且功能比較強(qiáng)大的前處理器，它具有很強(qiáng)大的創(chuàng)建模型的能力，F(xiàn)LUENT等軟件大多都是應(yīng)用Gambit軟件來創(chuàng)建相應(yīng)的幾何模型并對其生成網(wǎng)格。而TGrid和Filters前處理器與Fluent是相互獨(dú)立存在的，其中TGrid是用來將先前的邊界網(wǎng)格生成體網(wǎng)格，而Filters是用來轉(zhuǎn)換由其他軟件生成的網(wǎng)格，以方便Fluent的后續(xù)計算。我們在本次研究中用Gambit作為前處理器。

Gambit在生成求解所需的網(wǎng)格時，其網(wǎng)格類型可以選擇結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格，或者混合網(wǎng)格。在建立計算所需幾何模型時，除了直接使用建模外，還可以使用如PRO/E、UG、IDEAS、CATIA、SOLIDWORKS、ANSYS和PATRAN等創(chuàng)建一些復(fù)雜的幾何圖形，然后導(dǎo)入到Gambit，這樣就可以提高幾何建模效率。與此同時，Gambit還擁有比較靈活便利的幾何校正功能，即它可以自動地合并從入口處導(dǎo)入幾何圖形時所有重合的點(diǎn)、線、面[3]。

(2)求解器：

求解器是流體模擬計算過程的核心，根據(jù)其應(yīng)用專業(yè)范疇的差別可以將它分為六個類型，即Fluent4.5、Fluent6.2.16、Fidap、Polyflow、Mixsim以及Icepak。本次研究采用Fluent6.2.16作為求解器。

(3)后處理器：

一般情況，在處理模擬結(jié)果時所用的求解器都是Fluent自帶的后處理器。除了Fluent自帶的后處理功能外，Tecplot也能夠被作為一款很專業(yè)的后處理器來使用，Tecplot可以將數(shù)據(jù)可視化，它一般需要更高水平的數(shù)據(jù)處理的場合。Fluent中自帶的結(jié)果顯示工具可以很方便地處理并顯示模擬求解結(jié)果中所包含的數(shù)據(jù)，并觀察相應(yīng)的結(jié)果，主要有顯示網(wǎng)格、等值線、速度矢量和跡線[4]。

1.2FLUENT的求解步驟

FLUENT的求解步驟如下[5-8]：

(1)首先要確定具體的幾何形狀，然后建立數(shù)學(xué)模型并生成計算網(wǎng)格。

網(wǎng)格類型主要有結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。通常在計算二維問題時，使用四邊形網(wǎng)格和三角形網(wǎng)格；而在三維問題的計算中，多數(shù)情況下使用六面體和四面體網(wǎng)格，也有一部分情況會需要使用金字塔形或楔形單元網(wǎng)格。Fluent6.2.16可以接受單塊和多塊網(wǎng)格，同時也可以使用二維、三維混合型網(wǎng)格。

(2)建立好幾何模型、生成網(wǎng)格并定義完邊界條件后，就導(dǎo)入到FLUENT中進(jìn)行計算。

(3)根據(jù)具體問題選擇與之相適應(yīng)的2D或3D求解器，然后進(jìn)行數(shù)值模擬。

Fluent 2d：二維單精度求解器。

Fluent 3d：三維單精度求解器。

Fluent 2ddp：二維雙精度求解器。

Fluent 3ddp：三維雙精度求解器。

(4)導(dǎo)入網(wǎng)格，檢查網(wǎng)格大小和單位，如果網(wǎng)格最小體積為負(fù)值，則就要重新進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

讀入網(wǎng)格文件以后一定要對網(wǎng)格進(jìn)行檢查(Grid→Check)，這樣就可以得到網(wǎng)格信息，然后從中可以看出幾何區(qū)域的大小。從minimum volume可以獲得最小的網(wǎng)格尺寸，如果該尺寸大于0，則該網(wǎng)格可以用于模型計算，反之，就需要對網(wǎng)格進(jìn)行重新劃分。

(5)選擇求解方程。在實際計算中，除了要計算流場還要計算溫度場或者濃度場等問題。

(6)定義流體的物理性質(zhì)(Define→Materials)。

通常情況，F(xiàn)luent求解器默認(rèn)計算區(qū)域中的物質(zhì)物理屬性是Gas(即空氣)，其他物質(zhì)的物理參數(shù)在需要時可以從Fluent自帶的數(shù)據(jù)庫Fluent Database中調(diào)出應(yīng)用。

(7)確定邊界類型以及邊界條件。

(8)求解方法的設(shè)置及其控制。

求解器的定義(Define→Models→Solver)，F(xiàn)luent中提供了三種求解方法，主要有非耦合求解、耦合隱式求解和耦合顯式求解。一般情況下，非耦合求解法用于不可壓縮或壓縮性不強(qiáng)的流體，而耦合求解法則用于求解高速可壓縮流體的流動狀況，耦合隱式求解法一般用于求解問題時網(wǎng)格要求比較密的情況。如果是必須要用耦合求解的情況，但是計算機(jī)內(nèi)存和硬件配置又不能滿足其計算要求，這時就會選擇用耦合顯式求解法來進(jìn)行計算。

(9)流場的初始化。

(10)迭代求解計算(Iterating)。

(11)最后需要檢查結(jié)果同時保存計算結(jié)果(數(shù)據(jù)文件)，并進(jìn)行后處理等。

2 旋風(fēng)分離器內(nèi)流場的數(shù)值模擬研究

為了方便FLUENT模擬計算，在創(chuàng)建幾何圖形之前，要對旋風(fēng)分離器做一定程度的簡化。對旋風(fēng)分離器內(nèi)的氣相流動具體簡化程序為[9]：

(1)設(shè)定分離器內(nèi)的氣體流動屬于穩(wěn)態(tài)流動；

(2)將旋風(fēng)分離器內(nèi)的氣體看做是不可壓縮流體，其速度為20m/s；

(3)在入口處的氣體流量非常均勻，同時它處于一個完全的湍流狀態(tài)；

(4)流場恒溫，無溫度變化；

(5)分離器底部的除塵口只有雜質(zhì)顆粒流出。

2.1計算步驟

旋風(fēng)分離器內(nèi)流場的模擬計算主要分三部分，具體步驟如下[10]：

(1)前處理階段：包括三維模型的建立、劃分網(wǎng)格、檢查網(wǎng)格。

(2)數(shù)值計算階段：包括FLUENT讀入網(wǎng)格、確定模型控制方程、確定其模擬的邊界條件、FLUENT求解計算。

(3)后處理階段：包括輸出數(shù)值、云圖。

2.1.1 建立幾何模型

本文采用FLUENT前處理軟件Gambit建立模型，其結(jié)構(gòu)由主筒體、錐形灰斗、進(jìn)氣管道和出氣管道組成[11],其結(jié)構(gòu)如圖1所示，具體尺寸為：進(jìn)氣管道長140mm，寬95mm，高38mm；主筒體直徑190mm，高285mm；出氣口沒入主筒體部分高95mm；外部高55mm，直徑64mm；錐形灰斗下部直徑72.5mm。

圖1 旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 劃分網(wǎng)格

首先在劃分網(wǎng)格時我們需要將模型分為多個塊，一步步地從下部到上部逐步進(jìn)行劃分，然后從入口到出口分成四個部分，最后采用楔型四面錐型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格類型，Cooper制筒式生成網(wǎng)格，生成以六面體為主并結(jié)合楔形體的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。為了方便網(wǎng)格塊的連接，把這樣分成的四個部分都采用同一個網(wǎng)格間距，最終得到四部分網(wǎng)格總數(shù)為413782個。網(wǎng)格結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

圖2 網(wǎng)格劃分圖

2.1.3 指定邊界條件

入口邊界條件：流體的介質(zhì)為空氣，可認(rèn)為是不壓縮流體，均勻流動，氣流為常溫下的空氣；進(jìn)氣管道處進(jìn)氣口的速度為20m/s。

出口條件：充分發(fā)展流動，設(shè)置為outflow邊界。

壁面條件：在壁面處滿足無滑移條件。

2.2數(shù)值模擬過程

圖3 殘差曲線監(jiān)測圖

本文為三維模型，啟動FLUENT三維單精度求解器。把文件導(dǎo)入到FLUENT之后進(jìn)行網(wǎng)格的相關(guān)操作，即讀入網(wǎng)格文件、檢查網(wǎng)格文件和設(shè)置計算區(qū)域尺寸；然后選擇計算模型，最后進(jìn)行基本求解器的定義。本文選擇RNGk-ε雙方程湍流模型，RNG k-ε模型是對標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的一種改進(jìn)模型。

2.2.1 迭代過程

(1)求解控制參數(shù)的設(shè)置。

(2)初始化。

(3)進(jìn)行迭代，大概1500步之后殘差曲線基本達(dá)到收斂準(zhǔn)則，此時可認(rèn)為計算收斂，停止迭代，殘差曲線如圖3。

(4)保存Case和Date文件，保存結(jié)果，計算結(jié)果進(jìn)行后處理。

2.2.2 模擬后處理及結(jié)果分析

FLUENT軟件自身帶有強(qiáng)大的后處理功能，可將計算結(jié)果轉(zhuǎn)為可視化的流線圖、矢量圖和分布云圖等圖片(如圖4～圖9所示)，可以直觀地觀察介質(zhì)的流動形態(tài)和傳熱狀態(tài)。旋風(fēng)分離器內(nèi)為三維旋流，流場極其復(fù)雜。為了便于觀察，本文主要給出X=0平面上的旋流速度流線圖和4個典型面(X=0平面，Z=0.36m平面，Z=0.645m平面以及Z=0.71m平面)上的旋流速度矢量圖，以及切向、軸向和徑向的速度分布圖。

圖4 X=0m平面上的旋流速度流線圖

圖5 不同截面的旋流速度矢量圖

由圖4X=0m平面上的旋流速度流線圖可見：當(dāng)氣體進(jìn)入旋風(fēng)分離器時，它的器壁會對氣體有一種約束作用，使得氣流流動方向向下，這樣形成一種外層的渦旋流動；而當(dāng)氣流到達(dá)分離器的底部時，只有很少的氣流從排塵口排出，從而使氣流向上流動，形成氣流的內(nèi)部渦旋流動。

由圖5不同截面的旋流速度矢量圖可見：從Z=0.36m、Z=0.645m、Z=0.71m這三個平面上的氣體流動形態(tài)可以得到，旋風(fēng)分離器里的氣流形成了雙層的旋流形式，即外面的氣流向下轉(zhuǎn)動而中間的向上轉(zhuǎn)動，同時旋轉(zhuǎn)的方向是保持一致的。還可以得到在排塵口附近的氣體流速比較大，則湍流強(qiáng)度比較大，然后分離器中間出現(xiàn)了一個氣柱，這樣使我們能清晰地看到氣流的漩渦處出現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)和擺動。

所以，從X=0m平面上的旋流速度流線圖和Z方向上不同截面的旋流速度矢量圖可得到：某一瞬時的速度矢量是不對稱的，此時上面的氣流就出現(xiàn)了偏心，而這些偏心的氣流在各個方向上又會形成整體氣柱。

圖6 不同高度截面的速度矢量圖

由圖6不同高度截面的速度矢量圖可見：旋風(fēng)分離器里的氣流流動形式主要是雙旋流，它表現(xiàn)為外部向下旋轉(zhuǎn)，此時中間部分的氣流沿著相同方向向上旋轉(zhuǎn)。在主流動方向上還伴有許多二次渦，其中一是一部分的氣體從入口到達(dá)分離器后卻沿著器壁向上移動，到達(dá)頂部后又沿著相反方向移動到排氣管的外壁面，形成了環(huán)形空間中的垂直渦，這是分離器里最重要的二次渦流；二是在排氣管的下端附近有比較大的流速，其紊流現(xiàn)象嚴(yán)重，這樣會降低分離率；三是由于進(jìn)入灰斗的一部分氣體是要從中間返回分離器里而與旋轉(zhuǎn)的內(nèi)旋流混合，因此錐形管的下端會出現(xiàn)一些不規(guī)律二次渦流，然后在下端的旋轉(zhuǎn)流因偏轉(zhuǎn)將出現(xiàn)“擺尾”的現(xiàn)象，同時比較規(guī)律地掃過分離器的壁面，最終形成一些偏心的垂直循環(huán)流動。

圖7 X=0面的切向速度云圖

圖8 X=0面軸向速度分布云圖

由圖7x=0面切向速度分布云圖可見：切向速度大多是負(fù)，這是由于旋風(fēng)分離器內(nèi)切向速度的正方向是用右手定則確定的，即四指沿著氣體流動的旋轉(zhuǎn)方向，那么大拇指所指的方向就是切向速度的正方向，這時切向速度的正方向就沿著z軸的負(fù)向，因此為負(fù)值。從模擬結(jié)果中可以得到：切向速度在一小部分流體上的方向是正向，這表明第二渦流現(xiàn)象存在于部分流場，切向有更均勻的速度分布，切向速度越大，越有利于分離。

由圖8x=0面軸向速度分布云圖可見：旋風(fēng)分離器內(nèi)氣流的軸向速度基本成軸對稱分布，而在圓錐體的下端偏差比較大。同時從圖上可以看出分離器的圓柱體部分形狀比較有規(guī)律，而由于渦流的影響其錐體部分的形狀是非常不規(guī)則的。同時中間部分有一個等值面，它沿著徑向把軸向速度分為上行流和下行流，即外側(cè)為下行流區(qū)，內(nèi)側(cè)為上行流區(qū)，其中心處的軸向速度較大，沿著徑向向外的軸向速度在慢慢減小。從圖中還可以得到：軸向速度的分布不是沿旋風(fēng)分離器的幾何中心對稱而是有一定距離的偏心。綜上所述，在旋風(fēng)分離器的升氣管末端存在氣流短路現(xiàn)象，這也就是對旋風(fēng)分離器進(jìn)行改型時要將它的升氣管設(shè)為偏心的一個重要原因。

圖9 X=0面的徑向速度分布云圖

由圖9x=0徑向速度分布云圖可見：分離器的徑向速度是比較小的，其軸心和壁面附近的速度幾乎為0，其它部分的速度有正有負(fù)，但是它的變化比較小，大多數(shù)的速度小于2.5m/s，這個速度比切向速度和軸向速度都小很多，而出口下端的徑向速度比較大，能達(dá)到7.3m/s，相對于切向速度和軸向速度來說，徑向速度的影響是比較小的。

3 結(jié)論

本文首先介紹了旋風(fēng)分離器的工作原理和發(fā)展歷史，其次采用Gambit軟件建立模型、網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置，最后將Gambit生成的mesh文件導(dǎo)入Fluent軟件進(jìn)行模擬計算，模擬計算模型采用RNG k-?湍流模型，全面分析研究了旋風(fēng)分離器內(nèi)部的氣相流場，并得出以下結(jié)論：

(1)旋風(fēng)分離器內(nèi)氣流的流動主要是雙層旋流，即將它分為外部向下旋轉(zhuǎn)的外旋流以及中心向上旋轉(zhuǎn)的內(nèi)旋流，其旋轉(zhuǎn)方向一致；中心區(qū)域強(qiáng)制渦有利于將顆粒甩向外部，外部的準(zhǔn)自由渦區(qū)有利于顆粒在壁面附近被捕集。

(2)在旋風(fēng)分離器中徑向速度遠(yuǎn)小于切向速度和軸向速度；而切向速度起主導(dǎo)作用，且切向速度越大，越有利于旋風(fēng)分離器的分離,同時顆粒進(jìn)入分離器時在進(jìn)口截面上的位置對分離器的分離效果有很大影響，這為今后分離器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了依據(jù)。

(3)分離器內(nèi)部的流動空間可分為內(nèi)、外兩個流動區(qū)域，在不同的流動區(qū)域中，氣體速度場的運(yùn)動相當(dāng)復(fù)雜，且其速度分布不是絕對的軸對稱分布，因此排氣管和排塵口居中布置不一定是最好的布置方式，這一結(jié)果對其以后的設(shè)計優(yōu)化研究將有一定的應(yīng)用價值。

[1]霍夫曼,斯坦因.旋風(fēng)分離器——原理設(shè)計和工程應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2004:9.

[2]陳紹明,吳光興,張大中,等.除塵技術(shù)的基本理論與應(yīng)用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,1981:48-52.

[3]于勇.FLUENT入門與進(jìn)階教程[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2008:9-12.

[4]唐家鵬.FLUENT14.0超級學(xué)習(xí)手冊[M].北京:人民郵電出版社,2013:4.

[5]魏志軍,張平.旋風(fēng)分離器內(nèi)流場的數(shù)值模擬及方案分析[J].北京理工大學(xué)學(xué)報,2000,20(50):37-39.

[6]王福軍.計算流體力學(xué)分析——CDF軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社,2004:15-28.

[7]韓占忠,王敬,蘭小平.FLUNET——流體工程仿真計算實驗與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社,2010:4-38.

[8]潘小強(qiáng),袁璟.FLUENT在工廠流體力學(xué)數(shù)值模擬中的應(yīng)用[J].南京工業(yè)學(xué)院學(xué)報,2004,2(1):62-66.

[9]韓占忠.流體工程仿真計算實例與分析[M],北京:北京理工大學(xué)出版社,2008:325-332.

[10]王海剛,劉石.用雷諾應(yīng)力模型計算旋風(fēng)分離器中氣-固兩相流動[J].工程熱物理學(xué)報，2004,25(9):189-192.

[11]李仁年,王浩,蘇吉鑫，等.旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場及分離效率的數(shù)值模擬仿真[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報，2007,33(2):50-53.

【責(zé)任編輯朱世廣】

NumericalSimulationStudyonInnerFlowFieldinaCycloneSeparator

LU Ya-ni

(CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,LongdongUniversity,QingYang745000,Gansu)

TQ051.8

A

1674-1730(2017)05-0030-06

2017-05-04

隴東學(xué)院青年創(chuàng)新科技項目《一種新型管內(nèi)螺旋扭帶換熱器結(jié)構(gòu)及傳熱性能的研究》(XYBY140209)

蘆婭妮(1987—)，女，甘肅慶陽人，助教，碩士，主要從事過程設(shè)備研究。