葉片結(jié)構(gòu)對(duì)軸流導(dǎo)葉式旋風(fēng)分離器性能的影響分析

楊維旺，王燕云，于洪傳

（1.中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，江蘇常州 213000；2.青島威奧軌道股份有限公司，山東青島 266108；3.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島 266108）

0 引言

旋風(fēng)分離器是一種常見的氣液分離設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無運(yùn)動(dòng)部件、分離效率高、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在石油、化工、環(huán)保等領(lǐng)域［1］。隨著全球能源短缺和對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視，提高分離效率并降低壓降已經(jīng)成為石化行業(yè)新型分離器研究的熱點(diǎn)。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)旋風(fēng)分離器性能的研究主要集中在切向入口的旋風(fēng)分離器上，而對(duì)軸向入口的旋風(fēng)分離器的研究則相對(duì)較少。軸向入口的旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)緊湊，徑向尺寸小，分離效率高，壓力損失小，近年來受到越來越多研究人員的關(guān)注［2-3］。王振波等［4］通過試驗(yàn)研究了一種新型分離器的葉道出口角度、錐體角度等因素對(duì)分離性能的影響情況。Win field等［5］對(duì)單切向入口和三切向入口的旋風(fēng)分離器進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，與單切向入口比較，三切向入口的旋風(fēng)分離器的效率不變，壓降更低。Lee等［6］通過試驗(yàn)測(cè)定了單管旋風(fēng)分離器和雙管旋風(fēng)分離器對(duì)于分離固體顆粒的分離效率和壓降的差異，試驗(yàn)結(jié)果表明，雙管旋風(fēng)分離器的效率較高，但壓降較低。金向紅等［7］通過試驗(yàn)對(duì)比研究了管錐式分離器與管柱式分離器的分離效率與壓降情況，結(jié)果表明管柱式分離器分離效率較高，管錐式的壓降損失較小。Yang等［8］通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法，研究分離效率最大值時(shí)的分離器高度，結(jié)果表明最大效率旋風(fēng)分離器高度隨著入口尺寸減小而降低。

目前，在石油催化裂化工藝過程中，大量被應(yīng)用于油氣過濾和凈化的旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)陳舊，進(jìn)出口的壓降很大，分離效率也不理想。本文利用FLUENT軟件對(duì)軸流導(dǎo)葉式旋風(fēng)分離器的分離特性進(jìn)行數(shù)值模擬，同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。文中分析了軸流導(dǎo)葉式旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)的分布規(guī)律，模擬計(jì)算了不同葉片結(jié)構(gòu)的分離器內(nèi)部壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)、分離效率和壓降值，進(jìn)而分析了旋風(fēng)分離器葉片結(jié)構(gòu)對(duì)其分離效率和壓降的影響規(guī)律，給出了具體的葉片高度和葉片圈數(shù)的優(yōu)化參考建議。

1 幾何模型

本文的研究是基于一項(xiàng)發(fā)明專利和實(shí)用新型專利［9-10］，對(duì)專利中的軸流導(dǎo)葉式旋風(fēng)分離器進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化研究。本文利用Solidworks軟件建立旋風(fēng)分離器的三維模型如圖1所示。

圖1 軸流導(dǎo)葉式氣液旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)

軸流導(dǎo)葉式旋風(fēng)分離器由排氣管、導(dǎo)流葉片、外筒體和儲(chǔ)液槽構(gòu)成，其中外筒體可劃分為3部分：柱筒部分、錐筒部分和排液管。排液管底部外壁面與儲(chǔ)液槽內(nèi)壁面用連接板焊接相連，可進(jìn)行液封，保證氣流全部從排氣管排出。如圖1（a）所示，分離器的總高度為1 230 mm，其中外筒體高度H1=1 120 mm，柱筒高度H2=120 mm，錐筒高度H3=150 mm。排液管的高度為850 mm，柱筒外徑D1=76 mm，排液管外徑D2=34 mm，壁厚均為3 mm。排氣管高度H4=190 mm，排氣管插入柱筒段深度H5=100 mm，排氣管外徑D3=51 mm，壁厚為3 mm。儲(chǔ)液槽高度H7=80 mm，排液管插入儲(chǔ)液槽深度H8=60 mm，連接儲(chǔ)液槽與排液管的連接板高度H9=35 mm，儲(chǔ)液槽外徑D4=90 mm，連接板和儲(chǔ)液槽的壁厚均為3 mm。圖1（b）（c）分別示出分離器內(nèi)部含導(dǎo)流葉片的分離空間橫截面和儲(chǔ)液槽的橫截面。圖中所示的旋風(fēng)分離器的導(dǎo)流葉片數(shù)量為4，葉片高度H6=50 mm，葉片厚度為2 mm，葉片的結(jié)構(gòu)如圖1（d）（e）所示，葉片螺旋角為 60°，葉片旋轉(zhuǎn)角為 90°。

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型

目前對(duì)分離器內(nèi)部流場(chǎng)的模擬計(jì)算，較多使用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNG k-ε模型和雷諾應(yīng)力模型（RSM）。對(duì)這3種模型，前人進(jìn)行過大量的研究，其中RSM的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果最吻合［11-13］。因?yàn)?，RSM摒棄了基于各向同性渦黏性的Boussinesq假設(shè)，包含更多物理過程的影響，考慮了湍流各向異性，特別是旋轉(zhuǎn)效應(yīng)、浮力效應(yīng)、曲率效應(yīng)等［14］。

RSM模型是直接對(duì)Reynolds應(yīng)力建立微分方程式，并對(duì)連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、雷諾應(yīng)力方程及湍動(dòng)能方程建立方程組進(jìn)行求解：

Reynolds應(yīng)力方程：

Cij——對(duì)流項(xiàng)；

Dij——擴(kuò)散項(xiàng)；

DTij——湍流擴(kuò)散項(xiàng)；

DLij——分子黏性擴(kuò)散項(xiàng)；

Pij——雷諾剪應(yīng)力產(chǎn)生項(xiàng)；

φij——壓力應(yīng)變項(xiàng)；

εij——黏性耗散項(xiàng)。

在上式各項(xiàng)中，Cij，DLij，Pij均只包含二階關(guān)聯(lián)項(xiàng)，不必進(jìn)行模化處理。DTij，φij，εij包含未知的關(guān)聯(lián)項(xiàng)，需模擬為表示的式子，才能完成對(duì)雷諾應(yīng)力輸運(yùn)方程的封閉。式中各項(xiàng)的?；椒?、計(jì)算參數(shù)選擇及湍動(dòng)方程可參考文獻(xiàn)［15-16］。

軸流導(dǎo)葉式旋風(fēng)分離器內(nèi)的氣體流動(dòng)是三維強(qiáng)旋轉(zhuǎn)湍流流動(dòng)，運(yùn)動(dòng)形式比較復(fù)雜，在計(jì)算中采用SIMPLEC算法及QUICK差分格式［17-18］。對(duì)動(dòng)量方程和湍流強(qiáng)度方程，是采用基于壓力速度耦合的方法進(jìn)行求解的［19］。

2.2 邊界條件

2.2.1 入口邊界

在常溫常壓狀態(tài)下，入口空氣的密度ρ為1.237 kg/m3，空氣動(dòng)力黏度μ為 1.807×10-5Pa·s，空氣摩爾質(zhì)量為28.96 g/mol，氣流進(jìn)入方向?yàn)榇怪庇诜蛛x空間的環(huán)形斷面。模擬計(jì)算中，進(jìn)氣速度依次設(shè)置為 5，7.5，10，12.5 m/s。

2.2.2 出口邊界

在模擬計(jì)算中，氣液兩相流從分離器入口進(jìn)入，大量液滴在分離空間被捕集，沿分離器內(nèi)壁流入排液管中。排液管底部有液封結(jié)構(gòu)，氣流無法通過，氣體全部由排氣管排出，部分液滴隨氣流由排氣管逃逸，未被分離。排氣管的出口邊界設(shè)置為out flow，DPM選項(xiàng)設(shè)為escape，即為氣液兩相流計(jì)算終止處。排液管口設(shè)為out flow，DPM選項(xiàng)設(shè)為trap。排液管口處有液體密封，沒有氣流流出，所以取排液管口處的流量權(quán)重為0，排氣管口處的流量權(quán)重為1。

2.2.3 壁面邊界條件

模擬計(jì)算中，壁面效應(yīng)是湍流和旋渦的重要來源，因此在近壁區(qū)的處理對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性有顯著的影響［20-23］。本文模擬計(jì)算前對(duì)筒壁面和導(dǎo)流葉片各處進(jìn)行合理劃分，設(shè)置了不同的碰撞恢復(fù)情況，見表1。

表1 不同壁面位置的碰撞恢復(fù)情況

2.3 網(wǎng)格劃分

本文運(yùn)用Gambit軟件生成網(wǎng)格模型，如圖2所示。為了實(shí)現(xiàn)旋風(fēng)分離器網(wǎng)格的整體優(yōu)化，將旋風(fēng)分離器內(nèi)部的流場(chǎng)分為排氣管內(nèi)、分離空間、錐筒內(nèi)和儲(chǔ)液槽空間4個(gè)部分。在分離空間和錐筒內(nèi)區(qū)域，氣流運(yùn)動(dòng)比較劇烈，壁面作用使流體存在較大的速度梯度，為了能夠準(zhǔn)確模擬壁面附近流場(chǎng)，采用邊界層網(wǎng)格和COOPER網(wǎng)格生成技術(shù)。其它區(qū)域，為保證網(wǎng)格質(zhì)量同時(shí)提高計(jì)算的經(jīng)濟(jì)性，采用四面體網(wǎng)格，圖中的網(wǎng)格模型包含約13萬個(gè)網(wǎng)格單元。

圖2 旋風(fēng)分離器的網(wǎng)格模型

3 模擬結(jié)果分析

3.1 壓力分布

為了研究旋風(fēng)分離器內(nèi)部不同位置的流場(chǎng)分布情況，在主筒區(qū)域即排氣管底部到錐筒頂部之間流場(chǎng)區(qū)域選取6個(gè)不同高度的橫截面，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。6個(gè)橫截面與分離器最底端的距離分別為h1=0.890 m，h2=0.895 m，h3=0.900 m，h4=0.905 m，h5=0.910 m，h6=0.915 m，如圖3所示。

圖3 不同高度的橫截面

圖4示出旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)在Y=0截面上的靜壓力分布云圖。

圖4 旋風(fēng)分離器Y=0截面靜壓值分布云圖

由圖可以看出，對(duì)于軸流導(dǎo)葉式旋風(fēng)分離器，內(nèi)部流場(chǎng)分為內(nèi)旋流和外旋流兩部分，外旋流的靜壓值較高，內(nèi)旋流的靜壓值較低。沿徑向上靜壓值由內(nèi)向外逐漸增大，靠近分離器壁面上的靜壓值最大。在中心軸線上的壓力很小，在排氣管入口中心處出現(xiàn)了負(fù)壓區(qū)，達(dá)到-300 Pa左右。沿軸向上靜壓值變化不大，在柱筒和錐筒接合斷面處分離器壁面存在較大的靜壓值，達(dá)到700 Pa。

對(duì)不同截面的靜壓分布情況進(jìn)行分析，由圖5可以看出，軸流導(dǎo)葉式旋風(fēng)分離器內(nèi)部氣流靜壓力場(chǎng)在一個(gè)橫截面上沿徑向上的分布曲線呈V型。這表明，在同一橫截面上，中心處的靜壓值最小，沿徑向向外逐漸增大。在不同高度橫截面上，靠近壁面的靜壓值變化很小，在中心位置的靜壓值變化比較明顯。高度越高，壓力越低。

圖5 旋風(fēng)分離器不同橫截面的靜壓分布

3.2 速度分布

圖6示出旋風(fēng)分離器內(nèi)部氣流在Y=0截面上的軸向速度、切向速度分布云圖。

圖6 旋風(fēng)分離器Y=0截面軸向速度、切向速度分布云圖

由圖6（a）可知，軸流導(dǎo)葉式旋風(fēng)分離器的內(nèi)部氣流的軸向速度分布沿中心軸線左右對(duì)稱，在排氣管入口中心處的軸向速度達(dá)到最大值，在排氣管入口外側(cè)的軸向速度值最小，且二者方向相反。由圖6（b）中可以看出，軸流導(dǎo)葉式旋風(fēng)分離器內(nèi)部的氣流切向速度分布沿中心軸線上左右對(duì)稱。在排氣管入口與錐筒上半段存在一個(gè)切向速度較大的區(qū)段，排氣管入口處內(nèi)側(cè)切向速度達(dá)到最大值，而外側(cè)切向速度最小。綜上表明，在排氣管入口區(qū)域，氣流發(fā)生轉(zhuǎn)向，由向下運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為向上流動(dòng)，分離器內(nèi)部氣流形成了二次渦流。這是由于進(jìn)入旋風(fēng)分離器的氣流，在葉片導(dǎo)流作用下，由初始的向下軸向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，形成外層的渦旋運(yùn)動(dòng)，在到達(dá)分離器底部后，又轉(zhuǎn)而向上運(yùn)動(dòng)，形成內(nèi)部向上的渦流運(yùn)動(dòng)。因此，軸流導(dǎo)葉式旋風(fēng)分離器內(nèi)的氣流分為2個(gè)部分，即外部的準(zhǔn)自由渦和內(nèi)部的準(zhǔn)強(qiáng)制渦。內(nèi)外漩渦在排氣管入口處交匯，氣流運(yùn)動(dòng)較為劇烈且發(fā)生轉(zhuǎn)向，同時(shí)存在返混現(xiàn)象和旋進(jìn)渦核現(xiàn)象。

圖7示出旋風(fēng)分離器內(nèi)部氣流在不同截面上的軸向速度、切向速度分布曲線。從圖7（a）看出，氣流的軸向速度沿徑向上呈駝峰狀分布，且內(nèi)外旋流軸向流動(dòng)的方向相反。從圖7（b）可知，切向速度沿徑向上呈雙峰狀，由內(nèi)向外，切向速度先升高后降低。切向速度始終同一方向，表明在同一截面上的內(nèi)旋流和外旋流的旋轉(zhuǎn)方向是同向的。此外，圖中切向速度值最大處為排氣管入口附近，即是內(nèi)外旋流的交匯處。而在分離器壁面處的切向速度最小，接近于0，這說明在壁面處的氣流幾乎沒有旋轉(zhuǎn)流動(dòng)。

圖7 旋風(fēng)分離器不同截面的軸向速度、切向速度分布

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的可信性，作者搭建了試驗(yàn)裝置，進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)中測(cè)定了軸流導(dǎo)葉式旋風(fēng)分離器在不同霧化液滴粒徑下的分離效率和不同進(jìn)氣速度下的壓降值，然后與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比。搭建了試驗(yàn)裝置。

在試驗(yàn)中，為了產(chǎn)生氣液混合兩相流，對(duì)液體進(jìn)行霧化，液體選用癸二酸二辛酯。采用孔徑為0.46 mm的單流體霧化噴嘴進(jìn)行液體的霧化，霧化噴嘴孔徑一定時(shí)，影響霧化液滴粒徑的因素是液體泵的操作壓力［24］。通過調(diào)節(jié)泵的操作壓力，進(jìn)而控制霧化產(chǎn)生液滴的平均粒徑。本試驗(yàn)中，霧化液滴的平均粒徑與液體泵的操作壓力關(guān)系如圖8所示。

圖8 液體泵操作壓力與霧化液滴平均粒徑關(guān)系

本試驗(yàn)中旋風(fēng)分離器葉片高度為50 mm，結(jié)構(gòu)尺寸與模擬計(jì)算中完全相同。在壓降測(cè)定試驗(yàn)中，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)來控制進(jìn)氣速度，進(jìn)氣速度依次為2.5，5.0，7.5，10.0，12.5 m/s。在效率測(cè)定試驗(yàn)中，調(diào)節(jié)泵的壓力來控制霧化液滴粒徑，依次為5，6，7，8，9，10 μm。

圖9示出試驗(yàn)測(cè)定的分離效率結(jié)果與模擬計(jì)算結(jié)果的對(duì)比。

圖9 分離效率對(duì)比

由圖可以看出，二者相差很小，平均誤差為2.32%。試驗(yàn)測(cè)定的壓降結(jié)果與模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖10所示，二者也比較吻合，平均誤差為2.17%。通過以上試驗(yàn)與模擬的對(duì)比結(jié)果可以說明，本文采用的模擬計(jì)算方法合理，結(jié)果準(zhǔn)確。

圖10 壓降對(duì)比

5 葉片結(jié)構(gòu)影響分析

在驗(yàn)證模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性之后，對(duì)不同葉片結(jié)構(gòu)的旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。本文構(gòu)建了2組不同的葉片高度和葉片圈數(shù)的旋風(fēng)分離器，分別進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

表2 葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)

數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，分別計(jì)算不同葉片結(jié)構(gòu)的旋風(fēng)分離器在不同液滴粒徑下的分離效率和不同進(jìn)氣速度下的壓降。然后，保持單一變量，對(duì)不同葉片結(jié)構(gòu)、相同液滴粒徑和進(jìn)氣速度下的分離效率和壓降計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，獲得葉片結(jié)構(gòu)對(duì)分離器性能的影響規(guī)律。

5.1 葉片高度的影響

圖11示出軸流導(dǎo)葉式旋風(fēng)分離器的分離效率隨葉片高度變化的曲線。由圖可知，葉片高度增加，旋風(fēng)分離器的分離效率呈下降趨勢(shì)。這是由于其它參數(shù)不變，葉片高度的增加使得葉片的螺旋角減小，受葉片導(dǎo)流的旋轉(zhuǎn)氣流的軸向速度將增加，切向速度減小，因而氣流中的液滴的離心力減小，更容易通過分離空間，經(jīng)排氣管逃逸。圖12示出旋風(fēng)分離器的壓降隨葉片高度變化的曲線，由圖可知，葉片高度增加，壓降隨之降低。這是由于葉片高度越小，受葉片導(dǎo)流的氣流在分離空間內(nèi)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的時(shí)間則越短，氣流的速度提升速率更快，氣流與導(dǎo)流葉片的作用力也更大，排氣口的壓力增量卻較小，所以壓降值變大。

圖12 壓降隨葉片高度變化曲線

綜合以上葉片高度對(duì)旋風(fēng)分離器性能的影響情況，為保證較高的分離效率，且盡量減小壓降，葉片高度應(yīng)在40～45 mm范圍內(nèi)選擇。

5.2 葉片圈數(shù)的影響

圖13示出軸流導(dǎo)葉式旋風(fēng)分離器的分離效率隨葉片圈數(shù)變化的曲線。

圖13 分離效率隨葉片圈數(shù)變化曲線

由圖可知，隨著葉片圈數(shù)的增加，分離效率先增大后減小。這是由于葉片圈數(shù)增加，葉片的其它結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，則葉片的螺旋角將增大，對(duì)氣流的導(dǎo)流作用將增強(qiáng)，氣流中的液滴的旋轉(zhuǎn)角度也將增大，更多的液滴將受離心力作用被分離出來，分離效率增大。然而，當(dāng)葉片圈數(shù)過大，氣流在分離空間的行程增加，運(yùn)動(dòng)氣流對(duì)攜帶液滴的作用力也將增加，液滴更易于被氣流攜帶經(jīng)排氣管逃逸，將不利于液滴的分離。

圖14示出旋風(fēng)分離器的壓降隨葉片圈數(shù)變化的曲線。由圖可以看出，分離器的壓降隨著葉片圈數(shù)的增加逐漸升高。因?yàn)槿~片圈數(shù)增加，葉片對(duì)氣流的旋流作用增大，葉片的壁面對(duì)氣流的作用力也增加，通過分離空間的氣流的壓降即增大。另外，進(jìn)氣速度增大，氣流的動(dòng)能增加，葉片壁面對(duì)氣流的作用力也增大，壓降也隨之增大。

圖14 壓降隨葉片圈數(shù)變化曲線

葉片圈數(shù)對(duì)旋風(fēng)分離器性能的影響情況，為保證較高的分離效率，且較低的壓降，葉片圈數(shù)應(yīng)選擇在0.25～0.30范圍內(nèi)。

6 結(jié)論

（1）分離器內(nèi)柱筒和錐筒接合區(qū)段的外旋流具有很高的切向速度，是分離器的高壓區(qū)，排氣管入口前后切向速度很低，形成一個(gè)低壓區(qū)，是壓降產(chǎn)生的主要區(qū)段。軸流導(dǎo)葉式分離器的分離效率的提高往往伴隨著壓降的增大，應(yīng)用中需要權(quán)衡利弊。

（2）隨著葉片高度增大，軸流導(dǎo)葉式旋風(fēng)分離器的分離效率逐漸降低，壓降平穩(wěn)減小。軸流導(dǎo)葉式旋風(fēng)分離器的葉片高度建議在40～45 mm內(nèi)選擇。

（3）隨著葉片圈數(shù)增大，軸流導(dǎo)葉式旋風(fēng)分離器的分離效率先增大后略有減小，壓降一直持續(xù)增大。軸流導(dǎo)葉式旋風(fēng)分離器的葉片圈數(shù)選擇范圍為 0.25～0.30。