气固分离器性能与结构关系研究.doc

气固分离器性能与结构参数的关系研究 张振伟 （东北大学，辽宁 沈阳110004） 摘要：利用FLUENT软件的RSM湍流模型对旋风分离器气相流场进行数值模拟，根据改变结构参数的数值仿真计算结果压力损失分离效率为旋风分离器的结构优化提供参考旋风分离器旋风分离器的结构如图1所示，一般都是由进气管、排气管、排尘管、圆筒和圆锥筒等几个部分组成。 图1 旋风分离器结构简图 Fig1 Structure graph of cyclone separator 旋风分离器的工作原理是：当含粉料颗粒气体由进气管进入旋风分离器时，气流由于筒壁的约束作用由直线运动变成圆周运动，旋转气流的绝大部分沿壁成螺旋状向下朝锥体流动，通常称为外旋流。含粉料气体在旋转过程中产生离心力，气体的粉料颗粒甩向壁，颗粒一旦与器壁接触，便失去惯性力，靠入口速度的初始动量随外螺旋气流沿壁面下落，最终进入排尘管。旋转向下的外旋气流在到达锥体时，因圆锥体形状的收缩，根据旋转矩不变原理，其切向速度不断提高不考虑壁面摩擦损失。外旋流旋转过程中使周边气流压力升高，在圆锥中心部位形成低压区，由于低压区的吸引，当气流到达锥体下端某一位置时，便向分离器中心靠拢，即以同样的旋转方向在旋风分离器内部，由下反转向上，继续作螺旋运动，称为内旋流。气流经排气管排出分离器，一小部分未被分离出来的物料颗粒也由此逃出。气体中颗粒在气体旋转向上排气管排出前碰到壁，即可沿壁滑落排尘口达到气固分离的目的。模型有限元模型的建立 采用体网格，生成以六面体为主并适当配以楔形体的非结构网格。这样建立起来的网格体系有好的自适应性，有利于数值模拟中区域耦合条件的处理，同时网格的正交性较好，适用于旋风分离器的某些差分格式，如对流项的QUICK格式和压力梯度项的PRESTO格式。四个部分采用同种网格密度，以便于网格块的拼接。网格如图2所示。 图CLT/A型旋风分离器网格划分图Fig. 2 Mesh diagram of CLT/A-type cyclone 2.2边界条件设置 1）入口边界 气体为空气，温度为100，设置气体入口边界为速度入口Velocity-Inlet）。 （2）出口边界 设置出口边界为Outflow，排气口的流量权重为1，排尘口几乎没有气流流出，所以排尘口的流量权重为0。 3）固壁边界 壁面为无滑移边界条件，设置壁面粗糙度参数为0.5。壁面效应是旋涡和湍流的主要来源，因此近壁区的处理对数值求解结果的准确性有显著影响。由于在靠近固体壁面的区域内，层流底层的粘性作用增强而湍流扩散相对减弱，致使作用于高雷诺数下的湍流输运方程已不能严格有效采用标准壁面函数法处理边界湍流，以给出正确的壁面切应力。 4）相关格式设置 离散格式采用QUICK格式，压力插补格式为PRESTO格式，压力速度耦合方程采用SIMPLE方法。 在旋风分离器的分离空间内，存在着外侧下流与内侧上流两个区域。排气管直径的变化，直接对内外旋流的分界面位置产生影响，致使内外旋流的速度发生变化，进而影响旋风分离器的分离效率及压力损失。为进一步研究排气管直径对分离效率的影响，分别对排气管直径为410mm、430mm、450mm、480mm、500mm和520mm的旋风分离器进行数值模拟，480mm为现有的旋风分离器的排气管直径。 图为不同排气管直径的旋风分离器压力损失曲线图。从图中看出，随着排气管直径的，旋风分离器内部的压力损失呈逐渐降低的趋势，在520mm附近降为最低。因为含颗粒的气流在排气管内剧烈的旋转时，随着排气管直径的变大，使得上升气流的通流面积加大，减小了气流与排气管内壁之间的摩擦，使得压力损失降低。图为不同排气管直径旋风分离器总效率曲线图。由图可知，当排气管直径在500mm附近时分离效率最高。随着排气筒直径的不断增大，上升内旋流的通流面积逐渐增大，而下降外旋流的通流面积逐渐减小。在处理风量不变的情况下，下降流的旋转速度增大，加强了含尘气流的离心作用，致使颗粒便于被分离捕集，提高了旋风分离器的分离效率。然而过大的排气管直径会导致分离效率有所降低因为排气管管径过大分离器内螺旋下降气流和螺旋上升气流的分界面处速度梯度很大，颗粒容易在气流的曳力下随气流混入排气管。因此，通过对不同排气管直径的压力损失和效率曲线图分析得出，在排气管直径为500mm时旋风器的综合性能高。 图不同排气管直径旋风分离器的压力损失yclone s pressure drop under the exhaust pipe s different diameters 图不同排气管直径旋风分离器的总效率yclone s overall efficiency under the exhaust pipe s different diameters 3.2排气管插入深度对分离性能的影响