進口條件對旋風(fēng)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(fēng)分離器作為一種常見的除塵、分離設(shè)備，在糧儲、木工、發(fā)電和環(huán)保等行業(yè)運用廣泛[1-3]。旋風(fēng)分離器雖然結(jié)構(gòu)簡單，但氣固兩相流動規(guī)律復(fù)雜，運行工況和結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變都會對流場產(chǎn)生一定的影響，進而影響整體分離性能。

隨著工業(yè)的發(fā)展和環(huán)保的要求，對旋風(fēng)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(fēng)分離器，發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)旋風(fēng)分離器入口尺寸對旋風(fēng)分離器性能有著重要的影響。Li Q等[6]通過改進旋風(fēng)分離器排氣管的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在排氣管插入段上開孔，能夠提高旋風(fēng)分離器分離性能。陳啟東等[7]研究了旋風(fēng)分離器圓柱段高度對性能的影響，發(fā)現(xiàn)增加圓柱段高度，能夠顯著降低壓降，提高分離效率。

國內(nèi)外學(xué)者雖然通過實驗和數(shù)值計算等方法對旋風(fēng)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(fēng)分離器內(nèi)不同粒徑顆粒的氣固兩相流動特性和分離效率進行數(shù)值計算分析，具有重要的工程意義和學(xué)術(shù)價值。

1 數(shù)值計算

利用計算流體力學(xué)（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(xù)相 連續(xù)方程和動量守恒方程為流體（即連續(xù)相）計算的基本方程。

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

1.2 計算模型及網(wǎng)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(wǎng)格劃分。以0.1 mm為最外層網(wǎng)格大小，1.1為增大系數(shù)的方式對邊界層網(wǎng)格進行加密，總網(wǎng)格數(shù)1 217 254個，節(jié)點數(shù)1 191 602個。對不同網(wǎng)格數(shù)同一工況下的旋風(fēng)分離器進行數(shù)值計算，結(jié)果相對誤差在0.3%以內(nèi)，表明網(wǎng)格滿足無關(guān)性驗證和計算精度要求。

圖1 模型六面體網(wǎng)格劃分

1.3 參數(shù)設(shè)置

湍流模型選擇相對于k-ε和k-w能更好地模擬復(fù)雜渦、計算各向異性的雷諾應(yīng)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(shù)值方法。對于連續(xù)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(shè)置為Escape，集塵器底面設(shè)置為Trap，壁面設(shè)置為Reflect。

2 結(jié)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(fēng)分離器對不同粒徑粉塵的分離進行數(shù)值計算。圖2為不同進口速度下旋風(fēng)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(fēng)分離器分離效率呈增大趨勢；存在臨界粒徑，當(dāng)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??；當(dāng)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(fēng)分離器分離效率對比

隨著進口速度的增大，當(dāng)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(fēng)分離器能夠完全分離的最小粒徑逐漸減??；當(dāng)進口速度為8 m/s時，完全分離的最小粒徑約為10 μm；當(dāng)進口速度為24 m/s時，完全分離的最小粒徑約為6 μm。當(dāng)進口速度由24 m/s增加到32 m/s時，旋風(fēng)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(fēng)分離器內(nèi)4 μm顆粒軌跡圖?？梢钥闯觯黧w由進口切向進入筒體內(nèi)，沿四周旋轉(zhuǎn)下行至排塵口附近后，向中心聚集并旋轉(zhuǎn)上升，從排氣管排出。不同進口速度下，顆粒旋轉(zhuǎn)下行所轉(zhuǎn)圈數(shù)基本相同，約為6圈。當(dāng)進口速度較?。? 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(zhuǎn)上升流，從排氣口排出，分離效率減小。當(dāng)進口速度較大（32 m/s）時，排塵口附近旋轉(zhuǎn)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(fēng)分離器內(nèi)不同粒徑顆粒的體積分布。顆粒進入旋風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)分離器對小粒徑顆粒分離效率相對較高。當(dāng)進口角度為0°時，旋風(fēng)分離器分離粒徑約為6 μm；當(dāng)進口角度為2.5°時，旋風(fēng)分離器分離粒徑約為4.5 μm；當(dāng)進口角度為5°時，旋風(fēng)分離器分離粒徑約為5 μm；當(dāng)進口角度為10°時，旋風(fēng)分離器分離粒徑約為6 μm；對比發(fā)現(xiàn)，隨著進口角度的增大，旋風(fēng)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(dāng)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(fēng)分離器進口截面軸向速度云圖。結(jié)合圖4，當(dāng)進口角度為2.5°時，流體進入筒體后軸向速度先增大后減??；當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(jié)論

1）存在臨界粒徑，當(dāng)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(dāng)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(fēng)分離器分離性能有較大影響。隨著進口速度的增大，旋風(fēng)分離器分離性能先增強后減弱。

3）旋風(fēng)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。