旋风分离器分离效率数值模拟研究

孔　军

(枣庄学院 机电工程学院 ， 山东 枣庄　277160)



旋风分离器分离效率数值模拟研究

孔军

(枣庄学院 机电工程学院 ， 山东 枣庄277160)

摘要：求解旋风分离器内部流场分布以及揭示分离性能的影响因素具有重要意义。对旋风分离器内部流场建立数学描述，运用数值计算方法对其进行求解，进一步得到分离效率的影响因素。计算结果表明，固相颗粒的入口浓度愈大、速度愈大，分离效率愈高；固相颗粒粒径愈大，分离效率愈高；分离器排气管直径愈小、筒体直径愈小，分离效率愈高。

关键词：旋风分离器 ； 分离效率 ； 数值计算

旋风分离器结构简单、价格低廉、分离效率高，是工业中常用的气固分离设备。揭示旋风分离器内部流场、浓度场分布和分离性能的影响因素具有重要意义。旋风分离器内部的流动状况非常复杂，过去较长时期，研究分离器内部流场、浓度场和分离性能依靠理论求解和实验研究这两种方法。理论求解的方法为克服数学上的困难，对流场作了大量简化和特定假设，这些简化和假设导致了求解结果与实际工况存在较大偏差[1-2]。实验研究因分离器流场的复杂性需要极高的实验次数和实验成本，且得出的结论一般具有局限性[3-4]。随着计算机技术的进步，运用数值计算方法求解旋风分离器内部流场并计算分离效率成为一种更优异的方法。本文运用FLUENT软件对分离器流场进行数值求解，进一步得到分离效率的影响因素。

1数学模型

1.1气固两相流场运动微分方程

将气固两相流场中的气相看作连续介质，固相看作离散介质。因固相颗粒粒径很小，浓度较低，故仅考虑颗粒所受黏滞力和重力，而在量级上更小的浮力、压力梯度力、质量力、Basset力、Magnus升力忽略不计。在三维柱坐标系中，固相颗粒运动微分方程为[5]：

切向

(1)

径向

(2)

轴向

(3)

式中，up、vp、wp分别为固相颗粒沿切向、径向和轴向的速度，ρa、ρp分别为气体、颗粒的密度，t为颗粒与气流的运动时间，dp为颗粒粒径，g为重力加速度，r为颗粒所在位置的径向坐标，CD为煤粉阻力系数，按斯托克斯定律。

(4)

式中，Re为气流流动的雷诺数，μ为气体的动力黏度。

1.2边界条件

1.2.1入口边界

入口气流为充分发展的湍流，入口特征速度取入口截面法向时均速度值[6]。

假定固相颗粒在进入分离器时已具有良好的跟随性，即固相与气相间不存在相对速度，颗粒的初始速度等于气体的入口速度。将入口处作为固相颗粒的面射流源来处理，假设所有固相颗粒在射入分离器时，都均匀分布于入口断面各网格的几何中心。

1.2.2壁面边界

壁面处的气流处在湍流的黏性底层，气体的切向速度为零，故壁面采用无滑移边界条件[7]，对近壁网格点用壁面函数近似处理。颗粒与壁面的碰撞看作是阻尼弹性碰撞，取碰撞恢复系数e=0.40～0.95，沿壁面位置自上向下逐渐降低。

1.2.3排尘口边界

假设灰斗最底部为排尘口边界，此处无气流排出。固相颗粒在灰斗最底部端面的边界条件为捕集边界条件。

1.2.4排气口边界

排气口处的气流边界条件看作管流的充分发展段，出口断面处各变量的轴向梯度为零。固体颗粒的出口边界条件设为逃逸边界条件[8]。

2计算方法

本文以山东省某火电厂HG-XBY3200型细粉分离器为计算对象，按照计算流体力学的思路，应用FLUENT软件对上述数学描述进行数值求解。考虑到旋风分离器内部流场是各向异性的强旋转湍流，选用雷诺应力模型(RSM)。运用数值求解结果进一步模拟旋风分离器的分离效率。

2.1几何结构

该旋风分离器筒体直径D=3 200 mm，排气管直径d=1 650 mm，固相颗粒为煤粉颗粒。设计工况下，煤粉入口参数为R90=32%，R200=10%，vpi=20 m/s。

2.2网格划分

根据旋风分离器内部的气流结构和颗粒浓度的分布规律，划分网格时采取分区组合网格，将其内部的气固两相流计算域划分为3个区域，即筒体上部环形区域、筒体下部与椎体的外围区域和筒体下部与椎体的中心区域，前两者又称外旋流区，后者又称内旋流区，如图1所示。共划分了144 648 个非均匀的六面体网格单元。

1.筒体上部环形区域　2.筒体下部与椎体的外围区域

通过控制各个边界上的网格节点分布生成非均匀网格：在近轴区和近壁区，速度梯度较大，网格分布较密集；其它区域网格分布较稀疏。为充分体现边界特性，各个横截面上的网格布局由边界处的边界层网格确定，整个计算域的网格布局考虑分离器的几何形状。

2.3差分格式和压力插补格式的选取

各控制方程的对流项选取一阶迎风格式、二阶迎风格式和QUICK格式进行离散，压力梯度项的插补选取PRESTO格式，数值求解算法选取非交错网格的SIMPLEC算法。

3计算结果分析

在设计工况下，该细粉分离器的分离效率η=89.78%。利用本文的数值计算结果求得设计工况下的分离效率η=91.03%，与实际结果基本一致。这说明计算结果可以较好地反映分离器流场和推测分离效率。

3.1固相颗粒入口浓度和速度对分离效率的影响

图2为分离器整体分离效率随着固相颗粒入口浓度和速度变化情况。由图2可以看出，固相颗粒入口速度愈大，分离效率愈高；入口浓度愈大，分离效率愈高，且入口速度小时该趋势更明显。

图2　入口浓度和速度对分离效率的影响

3.2固相颗粒粒径对分离效率的影响

图3为固相颗粒粒径对分离效率的影响情况。图3表明，固相颗粒粒径愈大，分离效率愈高，分离效率受入口速度的影响也愈小；固相颗粒入口速度较大时，粒径对分离效率的影响较弱。

图3　固相颗粒粒径对分离效率的影响

3.3排气管直径对分离效率的影响

图4为分离效率随固相颗粒粒径、排气管直径的变化情况。可以看出，排气管直径愈大，分离效果愈差。这是因为排气管直径增大使得内旋流半径增大，更多的小粒径煤粉随内旋流排出分离器。此外，煤粉粒径愈大，分离效率随排气管直径增大而降低的趋势愈弱。由图4可知，减小排气管直径可提高分离效率，但排气管直径减小到一定尺寸时，分离效率提高的程度有限。

图4　分离效果随颗粒粒径、排气管直径的变化情况

3.4筒体直径对分离效率的影响

图5是分离效果随筒体直径、颗粒入口速度的变化情况(改变分离器筒体直径时，部分尺寸按比例进行缩放)。由图5可知，分离器筒体直径愈小，分离效果愈好。原因是筒体直径增大后，作用在煤粉颗粒上的离心力减小。煤粉速度较高时，上述影响减弱。

图5　分离效果随筒体直径、颗粒入口速度的变化情况

4结论

本文根据旋风分离器内部气固两相流场的微分方程，选取不同边界条件，建立气固两相流场数学描述。并以HG-XBY3200型细粉分离器为计算对象，运用数值计算方法，应用FLUENT软件对上述数学描述进行数值求解。运用求解结果进一步模拟旋风分离器的分离效率。计算结果表明，固相颗粒的入口浓度愈大、速度愈大，分离效率愈高；固相颗粒粒径愈大，分离效率愈高；分离器排气管直径愈小、筒体直径愈小，分离效率愈高。

参考文献：

[1]Licht W.Air pollution control engineering-basic calcula- tion for particulate collection[M].New York Marcel Dekker Inc,1989.

[2]张从智,叶龙,沈恒根,等.高效旋风分离器分级效率理论计算的新方法[J].通风除尘,1996,15(2):14-19.

[3]吴小林,黄学东,时铭显.旋风分离器颗粒浓度分布的实验研究[J].石油大学学报：自然科学版,1993,17(4):21-24.

[4]王立新,戚贵强.多效旋风分离器性能的实验研究[J].化学工程,2010,38(2):40-42,58.

[5]尹相雷.电站锅炉细粉分离器性能分析仿真模型研究[J].东北电力技术,2014,35(9):4-7.

[6]魏新利,张海红,王定标.旋风分离器流场的数值计算方法研究[J].郑州大学学报：工学版,2005,26(1):57-60.

[7]赵通,杨亚平,刘俊龙.稳态与非稳态下旋风分离器气相流场数值模拟方法研究[J].动力工程学报,2012,32(8):591-597.

[8]宋健斐,魏耀东,时铭显旋风分离器内颗粒浓度场的数值模拟[J].中国石油大学学报：自然科学版,2008,32(1):90-94.

化学家开发了一种可生物降解和完全可回收的塑料

来自美国科罗拉多州立大学的研究人员使用单体γ-丁内酯(GBL)研制出一种新型可生物降解的聚合物。这种新型塑料加热时转化回其初始分子状态。这种新型的塑料将会改变人们使用塑料的方式，它可完全回收，重复使用，生物降解而且没有任何石油成分。

人们在清洗液和强力胶中发现了这种单体GBL(丁内酯)，过去的研究表明，这种单体由于结构过于稳定难以用于制造塑料，但此次研究人员有了突破。

过去的研究根据测得的反应热力学数据表明单体GBL不能转换成聚合物。化学教授陈友仁(音译)和他的团队对以前的报告表示质疑，并试图把单体GBL加聚成为聚合物，并产生了突破。

所得到的新的聚合物称为聚(GBL)，在温度为220~300 ℃或420~570 ℃加热60 min时，聚合物又会变回单体GBL。陈教授和他的团队决心制造可降解聚合物和塑料，以取代目前以石油为原料的塑料。

最常见的人造聚合物是塑料。合成聚合物如聚苯乙烯和聚乙烯很大程度上通过垃圾填埋场和海洋处理。 从技术上讲，这些塑料封装和瓶子上标有“可回收”仅仅是一定程度的重复使用。然而，这些使用过的塑料回到原始状态，并且制造出新产品是不可能的。

现在最新潮的趋势是生产生物可再生和生物可降解的聚合物以及塑料。然而，在原料回收方面这只是一部分解决方案，因为可降解聚合物就不需要回收。

我们每年制造的塑料产品超过270 万t，其中约18 万t最终回归到海洋中。据估计，全球每人每年消耗约200磅由人造聚合物制成的塑料产品。

杜兰大学化学家斯科特·格雷森赞扬了陈教授的研究并且描述陈教授的调查结果是在正确的方向走出了很好的一步。格雷森将这一领域中这种可生物降解、生物利用和循环利用聚合物的发现比喻为寻找圣杯的发现。

Study on Numerical Simulation of Separation Efficiency in Cyclone Separator

KONG Jun

(School of Mechanical and Electronic Engineering , Zaozhuang University , Zaozhuang277160 , China)

Abstract:To obtain the flow field distribution inside the cyclone separator and reveal the influencing factors of the separation performance has great significance.The mathematical description of internal flow field of cyclone separator is established, and is solved by numerical calculation method.Then the influencing factors of the separation efficiency are further got.The calculation results show that the higher inlet concentration and speed of solid phase particles is,the higher separation efficiency is.The greater the particle size is,the higher separation efficiency is.The smaller the diameter of separator exhaust pipe and cylinder,the higher separation efficiency is .

Key words:cyclone separator ; separation efficiency ; numerical model

中图分类号：TQ050.2

文献标识码：A

文章编号：1003-3467(2016)01-0027-04

作者简介：孔军(1960-)，男，副教授，从事流体机械及设备方面的研究工作，E-mail：491154451@qq.com。

收稿日期：2015-11-05