两级串联旋风分离器不同连接通道截面积对流场及性能的影响

赵 潇，李 杰

1.中石油贵州天然气管网有限公司，贵州贵阳 550081

2.黔南民族职业技术学院，贵州都匀 558000

1 数值计算模型

1.1 流体湍流模型

两级旋风分离器[1-7]内部流体为各向异性的强旋流，采用Navier-Stokes方程描述气体相，通过雷诺应力模型求解应力输运方程，基本方程表示如下：

（1） 连续性方程：

（2） 动量方程：

（3） 雷诺应力模型输运方程：

式中：ρ为流体密度，kg/m3；i、j、k为坐标方向；xi、xj、xk为空间位置，m；ui、uj、uk为流体瞬时速度分量，m/s；为流体平均速度分量，m/s；u′i、u′j为流体脉动速度分量，m/s；为平均压力，Pa；为雷诺应力分量，m2/s2；μ为流体动力黏度，Pa·s；t为时间，s；DT，ij为湍流扩散项；DL，ij为分子扩散项；Gij为应力产生项；φij为应力应变再分配项；εij为耗散项。

1.2 固体颗粒运动模型

两级旋风分离器内部固体颗粒在气流的带动下运动，由牛顿第二定律可得固体颗粒在拉格朗日坐标下的轨迹运动方程：

式中：mp为颗粒质量，kg；为颗粒速度，m/s；为颗粒阻力，N；为颗粒重力，N；为颗粒浮力，N；为附加质量力，N；为压力梯度力，N；为旋转科氏力，N；为离心力，N。

2 仿真模型建立

2.1 几何模型及网格划分

两级串联旋风分离器之间的连接通道截面积与筒体截面积之比为K，即K=，其中D为旋风分离器筒体直径，a、b分别为旋风分离器进口的高和宽。

本文主要研究3组两级串联旋风分离器即K7.85+K7.85 组、K7.85+K6.28 组、K7.85+K10.47 组的流场与性能。3 组两级串联旋风分离器连接通道的不同截面尺寸如表1所示。

表1 3组两级串联旋风分离器连接通道的不同截面尺寸

K7.85+K7.85 组是由两个尺寸完全相同的标准Stairmand型旋风分离器串联而成的（一级出口接二级进口），一、二级旋风分离器的入口截面积相等，即两级的入口速度相同，是一种等气速匹配的串联组合；K7.85+K6.28 组是由两个尺寸完全相同的标准 Stairmand 型旋风分离器串联而成的（除入口截面积不同外），第二级旋风分离器的进口截面积大于第一级旋风分离器入口截面积，是一种气速递减匹配的串联组合；K7.85+K10.47 组是由两个尺寸完全相同的标准 Stairmand 型旋风分离器串联而成的（除入口截面积不同外），第二级旋风分离器的进口截面积小于第一级旋风分离器入口截面积，是一种气速递增匹配的串联组合。

两级串联旋风分离器结构与网格划分如图1所示，标准 Stairmand 型旋风分离器的具体尺寸见表2。

图1 两级串联旋风分离器结构与网格划分示意

表2 旋风分离器的具体尺寸

两级串联的连接通道总长度为2D，一级旋风分离器排气管外延长度Le为D，二级旋风分离器的排气管外延长度为0.5D。为了研究不同旋风分离器内部流场及压力变化，设定S线截面（见图1（a）），该区域位置距离平行于排尘口的平面3.25D。用ANSYS有限元软件对旋风分离器的流体域进行O型结构化网格划分[8-9]，全部采用六面体单元对壁面进行边界层网格细化。

2.2 边界条件及数值解法

仿真模型中气相流体采用常温常压空气，其正常压力设置为P=0.101 MPa，密度1.225 kg/m3，黏度μ为1.78×10-5Pa·s。排气口边界为自由流动；排尘口和其他边界采用光滑的无滑移壁面；旋风分离器的壁面采用无滑移边界，通过标准的壁面函数来处理该区域，壁面粗糙度ks=0.046；旋风分离器数值模拟的粉尘颗粒采用滑石粉，颗粒密度为870 kg/m3，流量为0.001 kg/m3；排气管出口区域设置为逃逸，排尘口区域设置为捕捉，其他壁面区域设置为反弹，颗粒与壁面发生的碰撞设置为弹性碰撞[4，10-13]。

Shukla、马欣等分析了旋风分离器不同的数值解法，其研究表明[13-15]：在湍流模型中选用雷诺应力模型（RSM）最为适宜，SIMPLEC算法应用于压力与速度耦合，QUICK 算法应用于离散格式，PRESTO算法应用于压力插补格式；二阶迎风对应于耗散率与湍流动能和一阶迎风对应于雷诺应力项与试验值最相符。对于颗粒相质量分数很小（低于10%）的情况，采用DPM算法处理颗粒相，使用RTAPEZOIDAL格式离散颗粒相控制方程，考虑到气相流动对颗粒相运动的影响，颗粒相采用随机轨道模型来处理以及单相耦合来计算。

3 连接通道截面积对流场及性能的影响分析

3.1 不同连接通道截面积对流场的影响分析

K7.85+K6.28组、K7.85+K7.85组、K7.85+K10.47组的两级串联旋风分离器的静压流场云图如图2所示。由图2可知，3组串联旋风分离器的一级旋风分离器内部静压云图的压力值相对于坐标系原点处的静压值基本都为正，二级旋风分离器内部静压云图的压力值相对于坐标系原点处的静压值大小，正负值均有呈现；随着两级串联旋风分离器连接通道截面面积的减小，一、二级的最大静压值增大。

图2 一、二级串联旋风分离器的静压流场云图

一、二级旋风分离器筒体段S线上的静压曲线如图3所示。从图3中可以看出，随着两级串联旋风分离器连接通道截面积的减小，一、二级旋风分离器的静压分布范围逐渐增大。一、二级旋风分离器的静压曲线均呈现“V”字形。

K7.85+K6.28 组、K7.85+K7.85 组、K7.85+K10.47 组的一、二级串联旋风分离器的轴向速度流场云图如图4所示。由图4可知，相同尺寸旋风分离器串联的轴向速度云图基本一致，随着两级串联旋风分离器连接通道截面面积的减小，最大轴向速度逐渐增大。

图3 旋风分离器S线上的静压曲线

图4 一、二级串联旋风分离器的轴向速度流场云图

一、二级旋风分离器筒体段S线上的轴向速度曲线如图5所示。

图5 一、二级串联旋风分离器S线上的轴向速度曲线

由图5的S线上轴向速度曲线可知，K7.85+K6.28 组的第一级旋风分离器内部轴向速度曲线形状为单峰，其他一、二级旋风分离器轴向速度曲线都呈倒“W”形或双峰形，且一级旋风分离器的轴向速度大于二级旋风分离的轴向速度；随着两级串联旋风分离器连接通道截面面积的减小，一、二级旋风分离器的轴向速度都逐渐增大。

K7.85+K6.28 组、K7.85+K7.85 组、K7.85+K10.47 组的一、二级串联旋风分离器的轴向速度流场云图如图6所示。由图6云图可知，随着两级串联旋风分离器连接通道截面面积的减小，最大切向速度逐渐增大；K7.85+K6.28 组的一、二级串联旋风分离器的切向速度云图呈现一、二级切向速度值大小基本一致，在 K7.85+K7.85 组和 K7.85+K10.47 组的一、二级旋风分离器切向速度云图中，第二级旋风分离器的切向速度比第一级旋风分离器的切向速度大。

图6 一、二级串联旋风分离器的切向速度流场云图

一、二级旋风分离器筒体段S线上的切向速度曲线如图7所示，由图7可知，3组两级串联旋风分离器的二级旋风分离器的切向速度均大于一级旋风分离器内部流场的切向速度；从3组串联的旋风分离器S线上的切向速度对比来看，随着两级串联旋风分离器连接通道截面面积的减小，切向速度逐渐增大。

图7 一、二级串联旋风分离器S线上的切向速度曲线

3.2 不同连接通道截面积对压降的影响分析

K7.85+K6.28 组、K7.85+K7.85 组、K7.85+K10.47 组的一、二级串联旋风分离器的压降值如表3所示。随着3组两级串联旋风分离器的连接通道截面积的减小，总压降逐渐增大；第一级旋风分离器的压降基本相等，接近于1 000 Pa，第二级旋风分离器的压降随着连接通道截面积的减小而逐渐增大。K7.85+K6.28 组串联旋风分离器的一、二级压降比为6∶4，K7.85+K7.85 组串联旋风分离器的一、二级压降比为5∶5，K7.85+K10.47 组串联旋风分离器的一、二级压降比为4∶6。

3.3 不同连接通道截面积对分离性能的影响分析

K7.85+K6.28 组、K7.85+K7.85 组、K7.85+K10.47 组的一、二级串联旋风分离器的分离效率如图8所示。3组不同截面积连接通道的串联旋风分离器的第一级对滑石粉颗粒的分离效率基本一致，第二级的分离效率随着连接通道截面面积的减小而逐渐增大；3组不同截面积连接通道的旋风分离器的一、二级总分离效率也随着连接通道截面积的减小而逐渐增大，其中K7.85+K10.47组的一、二级旋风分离器的压降值最大，一、二级压降比为4∶6，其分离效率也为最优。

表3 3组不同截面积连接通道的旋风分离器的压降值

图8 不同截面积连接通道的旋风分离器分离性能曲线

可以用切割粒径来表征旋风分离器的分离性能，统计有限元分析结果，得到K7.85+K6.28组、K7.85+K7.85组、K7.85+K10.47组的一、二级串联旋风分离器的切割粒径图（见图9），随着3组两级串联旋风分离器的连接通道截面积的减小，其切割粒径逐渐减小。分析结果表明，K7.85+K10.47组的分离效率最优。

图9 不同截面积连接通道的旋风分离器切割粒径曲线

4 结论

采用数值模拟方法分析了K7.85+K6.28 组、K7.85+K7.85 组、K7.85+K10.47 组两级串联旋风分离器的静压、切向速度、轴向速度、压降、分离效率以及切割粒径随着连接通道不同截面积的变化而变化的情况，分析得出：随着连接通道截面积的减小，一、二级分离器的轴向速度都增大，最大轴向速度值也增大，且第一级轴向速度大于第二级轴向速度；随着连接通道截面积的减小，切向速度增大，最大切向速度值也增大，且第二级切向速度比第一级切向速度大，一、二级总分离效率增大，切割粒径减小；其中K7.85+K10.47 组合压降最大，一、二级压降比为4∶6，分离效率最优。