SLK分离器数值模拟及实验研究*

田 坪

（北京理工大学珠海学院）

田 巍

（吉林农业工程职业技术学院)

0 前言

旋风分离器是一种利用气固两相流体的旋转运动，使固体颗粒在离心力的作用下从气流中分离出来的设备。由于它具有结构简单、设备紧凑、无相对运动部件、价格低廉、操作维修方便等特点，可以满足不同生产中的特殊要求，因而成为最常用的一种分离、除尘设备，广泛地应用于气体净化、固体颗粒的分离回收和环境保护等领域。但是由于旋风分离器的性能尤其是除尘效率还不能满足实际的要求，一些工矿企业为了达到废气排放标准而不得不使用价格昂贵的袋式除尘器或其它除尘器，因此，有必要设计开发一种高效低阻旋风分离器，最大限度地提高旋风分离器的性能，以满足工矿企业的实际需求。笔者在参考国内外各种传统的和新型的分离设备基础上[1]，通过研究不同粒径的微粒在涡流场中的动力学特征，设计制作了高效低阻SLK旋风分离器，并在该机上完成了测试分析。

1 SLK旋风分离器的分离过程

SLK旋风分离器由筒体、锥体、进气入口、排气管和排灰管等组成，如图1所示。旋风分离器的工作过程如下：当含尘气体由切向进气口进入旋风分离器时，气流由直线运动变为圆周运动。旋转气流的绝大部分沿器壁自圆筒体成螺旋形向下朝锥体处流动，通常称此为外旋流。含尘气体在旋转过程中产生离心力，将密度大于气体的尘粒甩向器壁。尘粒一旦与器壁接触，便失去径向惯性力而靠向下的动量和向下的重力沿壁面下落，进入排灰管。旋转下降的外旋气体到达锥体处时，因圆锥壳体的收缩而向除尘器中心靠拢。根据 “旋转矩”不变的原理，其切向速度不断提高，尘粒所受的离心力也不断加强。当气流到达锥体下部某一位置时，气流以同样的旋转方向从旋风分离器中部由下反转向上继续做螺旋形流动，即内旋气流。最后净化气体经排气管排出管外，一部分未被捕集尘粒也由此排出。

图1 SLK旋风分离器工作原理

自进气入口流入的另一小部分气体则向旋风分离器顶盖流动，然后沿排气管外侧向下流动；当到达排气管下端时即反转向上，随上升气流的中心流一同从排气管排出。分散在这一部分气流中的尘粒也随同被带走[2]。

2 SLK旋风分离器的数值模拟

2.1 数学模型的建立

SLK旋风分离器较传统的旋风分离器结构复杂，包括偏心的螺旋向下的进口，其对网格的质量要求比较高，若直接进行求解，不仅较难收敛，网格数量也将受到限制。由于分离区域主要为两相流区域，故本文仅结合连续方程、动量方程与Reynolds应力方程（后简称RSM）进行耦合隐式不可压缩单相稳态3 D双精度求解。进行求解的控制方程为：

在目前DNS（直接数值模拟）和LES（大涡模拟）还难以应用于复杂工程问题的情况下，虽然RSM在2D求解中加入了4个方程，会比κ-ε和κ-ω类湍流模型耗费更多计算资源，但由于其放弃了各向同性湍流黏度假设，直接对Reynolds方程中的湍流脉动应力建立微分方程，因而在各项异性的强旋转流动求解中更具有优势。RSM流动方程表示为：

式（1）～（3）中， μ 为气体动力黏度（Pa·s），ρg为气体密度 （kg/m3）， vi、 vj、 vk为直角坐标系下 i、 j、 k方向气流速度 （m/s）， xi、xj、xk为直角坐标系下i、j、k方向向量， gi为直角坐标系下i方向重力加速度（m/s2），p 为压力（Pa）。 式（3）中等号左端第一、第二项分别为湍流随时间变化率及平均运动的对流；右端依次为湍流扩散项、压力产生项、浮力产生项、压强应变项、耗散项、旋流产生项和颗粒作用源项。具体符号意义及推导过程详见文献[3] 。

2.2 边界条件设置

具体分析的模拟机为SLK旋风分离器。由Pro／E建立实体模型，并将其导入Gambit中作网格划分。网格如图2所示，模型区域主要采用四面体结构，但是在适当位置可以包含六面体、 锥形和楔形网格单元。进风口设置速度进口边界条件，出口设置压力出口边界条件，固壁无滑移且不可穿透，采用标准壁面函数处理。在FLUENT里进行有限体积法求解。其中流体密度、黏度、出口风压、风量等参数按裸机工作状况选取，Reynolds应力分量按文献 [4] 计算。各变量均为Second order upwind格式，压力速度耦合方程采用SIMPLE算法，方程中的欠松弛因子按经验选取。

图2 边界条件设置

完成初步求解后进行网格自适应调整，共迭代大约2500步之后达到较优结果。

3 结果与分析

3.1 轴向速度

从图3可以明显地看出，分离器的中心区域形成了类似柱状的气芯柱，在气流到达底部的过程中，也有少部分气流进入该气芯柱。在出口管附近气流的速度较大，紊流程度较强；在分离器筒体部分有涡存在，这是由气体在筒体内进行强旋转运动产生的。

图3 x=0平面的速度矢量

3.2 切向速度

如图4和图5所示，在出风筒所在空间内切向速度分布不均匀，远离出风筒进口一侧即x轴的正方向切向速度值要大一些。这是由于单向的旋转流动产生的必然结果。这种流动情况还会使涡核偏离设备的几何中心线，造成一种涡核非稳态现象，即旋进涡核。

图4 出风筒下端的速度矢量

图5 筒体任一平面的速度矢量

速度矢量示意图 （图4和图5）表明，对于这种单进口分离器内部会出现气流偏心、不利于微小粉尘颗粒分离的问题。为此，SLK旋风分离器设计了新型的进口，涡核变形比较小，偏心也比较小，在过轴直径上具有较好的轴对称性，呈准轴对称，解决了单进口分离内部气流偏心影响微小粉尘颗粒分离的问题。

3.3 颗粒轨迹

本文考察了三种粒径的颗粒3μm、5μm和20μm在进口速度分别为8.8 m/s、13.9 m/s和16.2 m/s时的9种颗粒运动轨迹，如图6、图7和图8所示。

图6 颗粒运动轨迹（8.8 m/s）

图7 颗粒运动轨迹（13.9 m/s）

图8 颗粒运动轨迹（16.2 m/s）

由不同粒径的颗粒运动轨迹可以看出，颗粒的运动情况非常复杂。对于粒径较小的颗粒，流场脉动对其轨迹的影响较大，从而使其随机性增加，因此即使颗粒粒径相同，进口速度也相同，运动轨迹也可能不同。对于粒径较大的颗粒，流场脉动对其轨迹的影响有限，而且这种影响随粒径的增加而减弱，不影响轨迹的基本形状。

不同粒径的颗粒从入口同一位置进入分离器时，粒径较大的颗粒由于所受的离心力较大，很快到达器壁回转向下，进入下锥体被捕集；粒径较小的颗粒，随流体运动的跟随性较好，有相当大一部分颗粒跟随气流在分离器内作旋转运动，离开过程（被捕集或逃逸）的时间较长。

通过模拟颗粒在分离器内的运动轨迹，可以直观地显示旋风筒的工作过程，揭示分离器内气、固分离的机理。在模拟过程中，可以清晰地看到颗粒在内流场作用下的螺旋运动形式。颗粒随气流进入分离器后，在离心力的作用下，颗粒向分离器外筒内壁靠近而变成了沿筒壁旋转的薄层颗粒带，同时颗粒带又随气流旋转向下运动，当到达分离器底部时，气流变为向上旋转。此时，绝大部分颗粒在重力和惯性力的作用下，继续向锥筒底部运动，实现气固分离；少部分颗粒 (粒径较小的颗粒)被气流带入内旋流，转而向上运动，随即进入出风筒排出。另外，也可以清晰地看到，极少部分的颗粒在刚进入分离器时就发生短路，迅速进入出风筒。从模拟结果来看，颗粒的运动轨迹基本可以反映实际的颗粒运动状况[5]。

4 实验测试

旋风分离器在工业生产中应用较多，有着广泛的用途。根据以上的分析和模拟结果，我们设计、制造了SLK旋风分离器，并进行了半工业性测试和分析，为其放大及商品化提供必要的基础数据。

实验的进口气速在9.9～19.9 m/s时，SLK旋风分离器的分离效率可达90%以上，压力损失为100～400 Pa。上述值均优于其它类型的旋风分离器。

SLK旋风分离器实测的分级除尘效率如表1所示，表2为收下粉尘的粒度分布。SLK旋风分离器测试流程如图9所示。

表1 SLK旋风分离器实测的分级除尘效率 （%）

表2 旋风分离器收下粉尘粒度和累计质量分布

图9 SLK旋风分离器测试线

5 结论

（1）根据数值模拟设计的SLK旋风分离器，优势显而易见。该旋风分离器不仅内气流的流动状态得到改善，有效地降低了锥体部分的二次扬尘，避免了上灰环现象的发生，而且由于旋风分离器内气流旋转速度的增加而增大了尘粒的离心力，使传统型旋风分离器除不掉的小颗粒得以在改进型高效旋风分离 （除尘）器内除去。

（2）通过FLUENT软件并应用拉格朗日模型对旋风分离器内部区域进行两相模拟分析与参数优化，得到了关键尺寸和压力控制参数。

（3）与传统的旋风分离器相比，该旋风分离器可以作为中、小型水泥厂或其它行业的除尘设备使用。其体积小，易制造，经济适用。

[1] Jon Dirgo， David Leith.Cyclone collection efficiency：comparison of experimental results with heoretical predictions.Aerosol Science and Technology， 1985(4)：401-405.

[2] 张力德.超细粉体制备与应用技术 [M] .北京：化学工业出版社，2001.

[3] 于勇，张俊明，姜连田，等.FLUENT入门与进阶教程[M] .北京：北京理工大学出版社，2008：238-243.

[4] Shapiro M,Galperin V.Air classification of solid particles:a review [J] .Chemical Engineering and Processing，2005， 44(2)： 285-297.

[5] 周谟仁.流体力学泵与风机 [M] .北京：中国建筑工业出版社，1985.