FLUENT在旋风分离器气固分离中的应用进展

党敏辉，郑化安，张生军，樊英杰，李学强，刘今乾，张 喻

(1.国家煤业化工集团有限责任公司，陕西 西安 710065；2.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710065；3.国家能源煤炭分质清洁转化重点实验室，陕西 西安 710065)

FLUENT在旋风分离器气固分离中的应用进展

党敏辉1，2，3，郑化安1，2，3，张生军1，2，3，樊英杰1，2，3，李学强1，2，3，刘今乾1，2，3，张 喻1，2，3

(1.国家煤业化工集团有限责任公司，陕西 西安 710065；2.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710065；3.国家能源煤炭分质清洁转化重点实验室，陕西 西安 710065)

旋风分离器作为一种具有结构简单、无运动部件、维修方便、分离效率高等优点的气固分离设备，近年来在理论研究及工程应用等方面受到了研究者的广泛关注。FLUENT具有强大的网格支持能力、丰富的物理模型、先进的数值算法及强大的前后处理能力，广泛应用于航空航天、石油化工、材料、冶金、环保等领域的模拟优化。本文就近年来FLUENT软件在旋风分离器气固分离中的应用成果和发展情况进行了总结和评述，并进行了展望。

旋风分离器；FLUENT；模拟；气固分离

旋风分离器是一种常见的气固分离设备，其具有结构简单、无运动部件、维修方便、分离效率高、适用于高压、高温、含尘浓度高的工况等特点，广泛应用于化工、冶金、发电、环保等领域[1]。

由于实验条件的限制以及计算机技术和计算流体力学的快速发展，数值模拟在旋风分离器气固分离研究中受到广泛关注和应用。数值模拟方法具有一系列优点，首先它能够根据需要任意调整各相关参数，不受材料、物性等客观因素的限制。其次，数值模拟还能够得出通过实验方法很难观察到的流动内部细节，比如可以计算出两相流中的速度场、温度场及压力场等。

FLUENT作为现阶段应用最为广泛的计算流体力学商业软件，具有强大的网格支持能力、丰富的物理模型、先进的数值算法及强大的前后处理能力。很多研究者都用FLUENT软件对旋风分离器进行了数值模拟研究[2-4]。

1 FLUENT简介

FLUENT是目前最为流行的商用软件之一，在美国的市场占有率为60%，凡是与流体、热传递及化学反应等有关的领域均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法及强大的前后处理功能，在航空航天、石油化工、材料、冶金、核能、环保等很多领域都有着广泛的应用[5]。

FLUENT能稳健高效地求解不同的物理模型和流动类型，比如稳态或瞬态、不可压缩或可压缩流动、层流或湍流、牛顿流或非牛顿流等。FLUENT提供了丰富的湍流模型，比如Spalart-Allmaras模型、k-ε模型、k-ω模型、雷诺应力模型(RSM)、大涡模拟模型(LES)等；也提供了多种多相流模型，比如VOF模型、Mixture模型、Eulerian模型、拉格朗日模型等。

2 FLUENT在旋风分离器气固分离中的研究进展

黄兴华等[2]用RNG k-X模型模拟气相紊流特性，用FLUENT软件对切向进口旋风分离器内的气相流场和颗粒分离效率进行了三维数值研究。与实验结果对比发现RNG k-X模型能较好地模拟分离器内的强旋流场。采用拉格朗日模型对固相颗粒的轨迹进行了模拟，发现颗粒进口位置及进口速度对分离效率都有较大影响；排气管直径越小，分离效率越大，但当排气管直径减小到一定值时，效率提高的幅度减小。

Gimbun, J等[3]借用FLUENT软件，考察了温度及入口速度对旋风分离器压降的影响。并与文献中的四个预测旋风分离器压降的经验模型进行了对比，发现数值模拟能很好地预测旋风分离器的压降，与实验数据的最大偏差仅为3%。

宋健斐等[6]用雷诺应力模型对蜗壳式旋风分离器内气相流场进行了数值模拟。发现旋风分离器环形空间的流场呈现明显的非轴对称分布；筒体空间和锥体空间的流场也存在一定的非轴对称性。入口结构不对称导致了流场的非轴对称性。从而导致沿轴向气流的旋转中心与旋风分离器的几何中心不重合。

万古军等[7]通过FLUENT软件，采用改进的各向异性的RSM模型，考察了气体温度(293～1273 K)对蜗壳式旋风分离器内气相流场的影响。模拟结果与实验数据吻合较好。结果表明，温度对旋风分离器的流场有较大影响，尤其对切向速度影响很大。切向速度随温度升高而降低，同时强制涡区扩大，沿轴向的衰减增大。温度变化是通过引起气体粘度和切向速度的变化而影响旋风分离器的分离性能。

万古军等[8]考察了压力对旋风分离器内颗粒浓度分布的影响。气相采用修正的雷诺应力模型，颗粒相运动采用颗粒随机轨道模型，对0.1～6.5 MPa压力下旋风分离器内气固两相流流场进行了模拟。结果表明，旋风分离器粒级效率随压力的增加而增大，当压力超过3.0 MPa后，压力对粒级效率影响不大。

姜小放等[9]采用RSM模型模拟气相有旋流动，利用DPM离散模型进行颗粒相跟踪，通过FLUENT软件对引入二次流的旋风分离器各项参数进行了优化设计。发现二次流有助于提高旋风分离器的分离效率及流场稳定性，不同的进风角度和速度对分离效率都有影响，为旋风分离器的开发提供了参考依据。

赵宏强等[10]利用大涡模拟，对切向入口的Stairmand旋风分离器内流场进行了三维数值模拟。研究发现，大涡模拟适合于三维强旋流的流场模拟，分离器内部的内、外两个流动区域中，气体压力、速度的分布有较大的差异，且压力分布与速度分布不是绝对的轴对称分布。

高翠芝等[4]通过数值模拟的方法考察了排气管直径及结构对旋风分离器内轴向速度分布形态的影响。研究发现，随着排气管直径增大，轴向速度径向分布由倒V形转变成M形，轴向速度滞流最先产生在排气管内并不断向分离器下部扩展，排气管直径增大到一定值，轴向速度滞流甚至扩展至整个分离器空间。排气管下端扩口或缩口均影响轴向速度的分布形态。

赵新学等[11]用雷诺应力模型和离散相模型，对旋风分离器壁面磨损进行了研究，并对磨损原因进行了分析。结果发现，数值模拟能够定性预测旋风分离器壁面的磨损情况，发现壁面磨损的主要部位为入口区域、锥体下部、灰斗以及料腿的上部等，同时也得出了壁面磨损的分布云图，这些为旋风分离器的优化设计、壁面磨损的分析及防磨措施的提出具有一定的参考价值。

刘成文等[12]利用FLUENT软件考察了壁面粗糙度对旋风分离器内流场的影响。结果发现，随壁面粗糙度的增大，切向速度明显减小，轴向速度没有明显的变化规律，径向速度在流场大部分区域减小，外旋流区的静压力明显减小。

葛坡等[13]选用RSM模型，利用FLUENT软件研究了对称多入口型旋风分离器内部的流场。该对称多入口型由周向布置的12个导流叶片组成。结果表明，对称性的结构有助于对称流场的形成；切向速度分布有着明显的驼峰特征，轴向速度分布分为上行流、下行流区域，压力为顺压分布。

路伟等[14]借助FLUENT软件，采用RSM模型，对螺旋式旋风分离器内的三维强旋流场进行了模拟。该旋风分离器内流动较为稳定，但在螺旋通道的中心区域存在回流和二次流。回流增大了中心区域的流动阻力，能量损失主要发生在中心区域及壁面处。

梁绍青等[15]基于非稳态RSM，采用FLUENT软件对旋风分离器流场进行了模拟，将Q判据应用于旋风分离器内漩涡结构的识别，并与实验结果进行对比。结果表明，非稳态RSM模型对切向速度能很好的预测，几乎与实验一致，轴向速度与实验结果趋势一致，能够很好的预测轴向速度的"驼峰"结构；利用Q判据能够将旋风分离器内部的旋进涡及环形空间二次涡进行准确识别。

刘丰等[16]利用FLUENT软件，对比模拟了单旋风分离器和两套完全轴对称排布的并联旋风分离器的气相流场。结果表明，两台和四台并联时各分离元件流量偏差分别不超过0.35%和0.28%，压降最大偏差为0.79%和0.43%，流量分配均匀；对称排列的分离元件在公共灰斗中会形成自稳定性的对称涡系，对分离元件内旋进涡核的摆动有约束作用，旋流稳定性增强。

陈建义等[17]研究了差异旋风分离器并联性能。作者按中心对称方式建立了相同、旋向差异和芯管差异等三种分离器并联方案。通过冷态实验测量了单分离器及各并联方案的性能，并利用FLUENT软件模拟了各并联分离器的流场。结果发现，三种并联分离器的分离效率均高于单分离器，且相同分离器并联的分离效率最高。因此，工程应用时，应尽可能采用相同分离器对称并联的方式。

3 结论与展望

综述所述，许多研究者利用FLUENT软件考察了设备结构、操作条件等对各种类型旋风分离器的速度场、温度场及压力场等的影响。可以看出，FLUENT软件在旋风分离器气固分离中具有广阔的应用前景。随着计算机技术的快速发展，耗时更多、但更精确的雷诺应力模型湍流模型逐渐被广泛选用。可以预判更加耗时，但更加准确的直接数值模拟模型必将会得到广泛应用，从而进一步提高数值模拟预测的准确性，为旋风分离器优化设计提供指导。

[1] 霍夫曼 A C,斯坦因 L E. 旋风分离器--原理、设计和工程应用[M]. 彭维明,姬忠礼,译. 北京: 化学工业出版社, 2004.

[2] 黄兴华,王道连,王如竹,等. 旋风分离器中气相流动特性及颗粒分离效率的数值研究[J]. 动力工程,2004,24(3):436-441.

[3] Gimbun J, Chuah T G, Fakhru'l-Razi A, et al. The influence of temperature and inlet velocity on cyclone pressure drop: a CFD study[J]. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 2005,44(1):7-12.

[4] 高翠芝,孙国刚,董瑞倩. 排气管对旋风分离器轴向速度分布形态影响的数值模拟[J].化工学报,2010,61(9):2409-2416.

[5] 屈一新. 化工过程数值模拟及软件[M]. 北京: 化学工业出版社, 2006.

[6] 宋健斐,魏耀东,时铭显. 蜗壳式旋风分离器气相流场的非轴对称特性的模拟[J].化工学报,2005,56(8):1397-1402.

[7] 万古军,魏耀东,时铭显. 高温条件下旋风分离器内气相流场的数值模拟[J]. 过程工程学报,2007,7(5):871-876.

[8] 万古军,孙国刚,魏耀东,等. 压力对旋风分离器内颗粒浓度分布影响的模拟[J]. 石油学报(石油加工),2008,24(6):689-696.

[9] 姜小放,曹西京. 二次流旋风分离器的数值模拟与优化设计[J]. 轻工机械,2009,27(6):34-37.

[10] 赵宏强,蒋海华,谢武装. 基于大涡模拟的旋风分离器内流场数值模拟研究[J]. 环境工程学报,2009,3(4):759-763.

[11] 赵新学,金有海,孟玉青,等. 旋风分离器壁面磨损的数值分析[J]. 流体机械,2010,38(4):18-22.

[12] 刘成文,李兆敏,李希成. 壁面粗糙度对旋风分离器内流场影响的数值模拟[J]. 环境工程学报,2011,5(10):2331-2336.

[13] 葛 坡,袁惠新,付双成. 对称多入口型旋风分离器的数值模拟[J]. 化工进展,2012,31(2):296-299.

[14] 路伟,胡少波,方 敏. 基于CFD的螺旋式旋风分离器数值模拟[J]. 湖北工业大学学报,2012,27(4):37-40.

[15] 梁绍青,王铖健. 旋风分离器流场数值模拟及其涡结构识别[J]. 煤炭学报,2014,39(S1):262-266.

[16] 刘 丰,陈建义,张爱琴,等. 并联旋风分离器的旋流稳定性分析[J]. 过程工程学报,2015,15(6):923-928.

[17] 陈建义,高 锐,刘秀林,等. 差异旋风分离器并联性能测量及流场分析[J]. 化工学报,2016,67(8):3287-3296.

(本文文献格式：党敏辉，郑化安，张生军，等.FLUENT在旋风分离器气固分离中的应用进展 [J].山东化工，2017，46(12)：82-83，85.)

The Application of FLUENT in Gas-Solid Cyclone Separator

DangMinhui1，2，3,ZhengHuaan1，2，3,ZhangShengjun1，2，3,FanYingjie1，2，3,LiXueqiang1，2，3,LiuJinqian,ZhangYu1，2，3

(1.Shaanxi Coal and Chemical Industry Co.,Ltd.,Xi'an 710065, China;2.Shaanxi Coal and Chemical Technology InstituteCo., Ltd.,Xi'an 710065, China;3.State Energy Key Laboratory of Clear Coal Grading Conversion, Xi'an 710065, China)

As a gas-solid separation device with simple structure, no moving parts, easy maintenance and high separation efficiency, cyclone separator has attracted much attention in recent years in theoretical research and engineering application. FLUENT has a strong grid support capability, rich physical model, advanced numerical algorithms and powerful pre-processing and post-processing capabilities, and it is widely used in the simulation and optimization of aerospace, petrochemical, materials, metallurgy, environmental protection. In this paper, the application and development of FLUENT software in gas-solid cyclone separators are summarized and reviewed, and the prospect is also discussed.

cyclone separator; FLUENT; simulation; gas-solid separation

2017-04-14

国家重点研发计划“煤热解共性关键技术研究及碎煤热解工程化应用”(2016YFB0600403)

党敏辉(1984—)，河南漯河人，博士，工程师，主要从事煤热解技术的研究。

TQ028.2; TQ015.9

A

1008-021X(2017)12-0082-02