本科毕业设计（论文）外文翻译译文气—固旋风分离器在FLUENT中的流场数值模拟
Flow-field Numerical Simulation of Gas-Solid Cyclone
Separator based on FLUENT
作者：DENG Qing-fang，Dongyi Zhou，SHEN Ai-ling
起止页码：P740-P743
出版日期（期刊号）：2010 IEEE DOI 10.1109/ICDMA.2010.88
出版单位：2010 International Conference on Digital Manufacturing & Automation
摘要：在本文中，利用fluent软件研究旋风分离器在各种条件下的气固两相流场，压力变化，速度变化和涡流特性。研究结果表明，在旋流器中沿Y轴方向（切向速度）的速度和沿Z轴方向（轴向速度）的速度是主要因素；在旋风分离器中静压，每个方向的速度以及固体颗粒的分离率随着气体处理量的增加而增加；静态压力在旋风分离器的中心是最低的，固体颗粒被集中在内壁的中间段；气流的速度在各个方向上随着颗粒密度的增加而减少。然而，旋风分离器因为颗粒度的增加而加剧管壁的磨损。因此由经验可以推断出旋流器分离器在v=18 m/s，粉尘含量值为1％是被公认的计算结果。
关键词：fluent；数学模型；旋风分离器；数值模拟
1 引言
旋流分离器在除尘器和离心除尘设备之间是使用最广泛和最具代表性的设备，并且在水泥生产中有效地提高了粉尘的回收率，扮演了重要的角色。典型的旋风分离器结构一般由进料口，圆柱段，圆锥段，溢流口和底流口组成。在分离器内气流与颗粒沿切线方向从进气口进入分离器，旋转以及向下流动。在离心力的作用下，固体颗粒被甩向筒壁并沿着椎体部分往下流动积累，同时气体旋流向上从出口管流出。
现代工业中对除尘器的要求要高得多，如性能，结构，成本和可操作性带来方面。由于条件的限制，如需要大量的人力，物力和资金以及长周期等因素，研究气旋旋流器仅仅是靠实验来实现的。如今，随着计算机技术的飞速发展，可以通过计算机仿真技术对旋流器内部的流场和颗粒进行数值模拟，其具有模拟能力强，计算速度快，投资少等特点。通过对旋风分离器内的气—固两相的模拟，其内部的流动规律被发现，从而使得旋流器的结构可能被优化以及缩短开发周期，这对工程设计有重要的意义。
图1 典型的圆锥型旋流分离器的原理图
2 气旋分离器的数学模型
为了便于解决问题，在建立数学模型之前将实用型旋风分离器简化如下：
(1)、流体是不可压缩的气体，即p=constant。
(2)、由流体和墙壁之间的摩擦引起的热效应被忽略。
(3)、入口气体的流速为均数时，流动处于紊流状态。
(4)、假设流场为恒温，并且热量传递被忽略。
进料工艺参数为：物料的流速为700到1000kg/h，物料的密度为1.63kg/m3，气体流量,377m3/h，物料温度为1160o C，压力为0.015Mpa。物质组成由气相和固相共同组成（粉尘含量为20%），材料密度为3*10-5 Pa ·S，粉尘密度为280-300kg/m3，粉尘颗粒度为大于等于10mm(30%)，3-10mm（40%），1-3mm(27%)，以及小于等于1mm(3%)。根据设计要求，分离效率应不低于98％，不锈钢铬镍铁合金600（镍基合金）是必要的，2bar的饱和蒸汽需要夹套加热。
有关参数如表1所示，通过计算Muschelknautz建模方法最终模型如图2所示，所有的尺寸和比例如图所标注。
3 建立旋风分离器的网格模型
网格的生成是流场数值模拟的前处理步骤。在本文中，使用代数的方法生成部分区域的3D网格视图，来浏览旋流分离器内流场的特性。
系统中的网格建立是相当适合的几何结构模式，这是有利于部分区域数值模拟的耦合条件。同时，对于旋风分离器来说网格的生成具有良好的正交性，可满足一些差异性的格式。在本模型中，运用三维中的六面体网格计算共划分316436单元。
表1-1 参数
数值 参数 数值 平均质量流量 850 kg/h 涡流内层上剪切颗粒
的直径
0.55 mm 物料体积流量 8.14*10-4 m 3/s 在筒壁直径上颗粒的
最终切速度剪切
1.093 m/s 气体体积流量 0.015 m 3/s 在筒壁颗粒直径的最
终切速度
32.7 物料密度 2719 kg/m 3 阻力系数
36.2 入口收缩因子 0.897 进料限制密度
0.0001 kg/kg 壁面切向速度o V ω 15.61 m/s 气体和固体在内壁上
的摩擦损失
1.03 Pa 壁面轴向速度z ωυ 1.67 m/s 管线上s V 的涡流亏
损
2008.4Pa
总摩擦系数
0.14 加速时的压力损失 0.14 内区涡流总摩擦 0.741 总压力下降
2009Pa
图3 网格模型
4 旋风分离器的数值模拟与结果分析
A 对气 - 固流场基本特征的分析
在旋风分离器内的粒子的运动是非常复杂，尤其是那些小粒子的运动表现出极大的随机性。对于相同的颗粒，它们的运动不同于那些具有相同粉尘含量的粒子。但是入口速度不同，或者粉尘含量不同；进口速度相同，最后的结果不同，一些被俘获，但是另一些从排气管中逃逸。在本文中，分析理解所有云图的基本动态流畅的参数。
图4 静压云图粉尘含量=1％，入口
速度达到18m / s
图5 粉尘含量=1%，入口速度=18m/s的固体
沿Y轴的速度云图
从图4的静压云图可以看出，旋风分离器中圆柱体和椎体（靠近内壁）的压力较大，而中心区域的压力较小，但它们之间的差别并不明显。
然后，我们分析如图5所示沿Y轴方向的速度，图中显示左半部分蓝色及绿色的柱体和椎体，这意味着粒子移动沿着Y轴的负方向，即向内垂直于纸张表面，而红色和黄色正好相反在右半部分，这意味着颗粒沿Y轴正方向移动。这也表明，气流，固体粒子流在Z轴的正方向以以顺时针看，从壁面到中心速度降低。零速包络线内的中心区，在这里速度几乎为零。在集尘的低区有对应的速度的差别，具有方向向内在左半部分垂直于纸张表面，在右半垂直于纸张表面向外，与上述圆筒部分的速度的绝对值相对较小。
图6 粉尘含量= 1％和入口沿Z轴的速度达到18m/s
的固体速度云图
如图6所示，固体速度的云图中粉尘含量值为1%，入口速度为18m/s。结果表明，运动速度沿气体管线的Z轴负方向(即朝上)上增大。对于旋风分离器的圆柱体和圆锥体来说，在它的内壁附近是黄绿色的，即表明粒子的速度沿正Z轴（即垂直向下）方向增大，特别是在进气口附近，浅黄色代表速度较大，这可能是由于入口气体的驱动引起的。在圆柱体和圆锥体的集尘区域，云图显示为黄色区域，这意味着粒子在进入集尘部分时的速度更快。对于圆柱体和椎体的中心部分，绿色逐渐加深，同时沿Z 轴的正方向（即沿管线上升的气体）变为蓝色，这表示粒子的运动方向在变化，速度也越来愈大，即在管线中气体集中向上并向出口加速流动。但是，如图7的矢量图，在管线区域附近的气体，也有一些不规则的涡流，它在含有粉尘的气体附近改变了运动轨迹。让一些刚刚进到上升管的气体直接进入到管线内，导致了分离率的降低。
图7 固体速度沿Z轴方向的局部放大矢量图
通过分析旋流器的双方向的流场，得到的结论是：对于旋流器的分离效率来说沿切向和轴向方向的速度占有主导地位。在径向加速度产生前，使的粉尘颗粒产生一个沿半径方向从内测向外侧的离心沉降速度，将颗粒甩向壁面并分离。之后粉尘颗粒沿轴从顶部到底部进入到集尘容器内，然后另一些粉尘粒子沿着上升的气流从内管中逃逸。从这个可以看出，这两个组件之间有一对主要的矛盾，即旋风分离器内流场的速度分量。
图8 粉尘含量=1%，入口速度=18m/s的固相图
从图8可以看出固体颗粒被紧紧地分布在椎体和集尘容器的壁面上，图中显示气流中的固体颗粒在回旋气流的离心作用下被分离出来。由图8可知，除了壁面之外在其他区域内没有固体颗粒。分布在粉尘收集容器的小区域和少数量上粉尘导致气流中含有小部分粉尘。
B 对气固两相流场中颗粒密度的影响
图9 速度=18m/s，不同密度下的静压云图
如图9所示，在速度为18m/s及其他条件不变的情况下，云图中的颗粒密度从左到右依次为0.1%，1%，5%。从图中我们可以知道粒子的总压随着密度的增加而增加，但压力分布规律保持基本不变，即在壁面附近压力较大，在中心区域压力较小，而在上升管线中压力达到最小。然而，当随着密度的增加，在壁面和中心区域的压力减小。
图10 速度=18m/s，不同密度下沿Z轴的固体速度
图11 速度=18m/s，不同密度下沿Y轴的固体速度
图10 是固体沿Z轴的速度云图，粒子的密度从左到右分别为0.1%，1%和5%。从图10 中可以看出，当进气速度相同时，由其分布形态可知沿Z轴方向的速度随着密度的增加而减小。在低密度下，如0.1%时，在筒体及椎体的壁面附近，速度在Z 轴的正方向（向下）时很快的。而在中心区域的速度沿Z轴的负方向增加，这导致沿Y轴的负方向形成上下绝对值较大的回流。与密度为5%的云图相比，可以看出，粒
子的运动方向基本保持不变。但是随着密度的增加素的的绝对值变得越来越小。关于上述静压数据的分析，可以推断出，这可能是流场的压力差的减少，而导致粒子的运动速度变得缓慢。
第二，研究颗粒密度由左到右依次为0.1%，1%和5%的固体沿Y轴方向的速度。对于与同部分固体速度的绝对值和速度方向在不同密度下几乎相同。而对于圆锥部分，其速度的绝对值随着密度的增加而减小。总而言之，在不同颗粒密度条件下，速度的分布及速度的运动趋势在沿Y轴方向几乎保持不变，靠壁面的左半部分沿Y轴负方向运动，即垂直于纸面向内。而右半部分沿Y轴的正方向，即向外。从上升管线的入口观察，其沿着顺时针旋转流动。在Y方向上，粒子的运动速度和密度没有明显的线性关系。
图12 速度=18m/s时不同密度固相的云图
最后是在不同的粒子密度下，固相云图低的比较。可知固相云图从左到右的密度依次为0.1%，1%和5%，很显然可知，颗粒密度从左到右递增，紧贴壁面区域，即集中在圆柱体，圆锥体的部分区域内的固体颗粒也是递增的。
5 结论
在本文中，运用CFD商业软件FLUENT.1.2对标准旋风分离器进行数值模拟。基于对旋流器的结构和模型的深刻理解，研究在各种情况下的气固流场，压力变化，速度变化及旋流特性等。
(1)沿Y轴方向（即切速度）和沿Z轴方向（即轴向速度）的速度在产生离心作用方面占据了主导作用。气流的运动状态和固体颗粒的分离过程都受到切向速度的影响，但是关于局部的小涡流和二次对流的影响也不能被忽略。
(2)在静态压力下，各个方向的速度和分离率都随着气体处理量的增加而增加。流体沿着涡流的壁面向下旋转，在涡流的外侧压力较高，而在涡流的内测压力较低，在其中心的压力是最小的。固体颗粒集中在壁的中间部分。
(3)在各个方向上的运动速度随着粒子密度的增加而减小。但是，在高密度下，捕获总粒子数的能力在一定程度下有所增强。但是将会加剧旋风分离器壁面的磨损。
(4) 据推断，当速度为18m/s、粉尘含量为1%时，旋风分离器的特性与经验模
型的计算结果最接近。
(5) 颗粒越大，旋流器的分离效率越高。在那些较小的颗粒中紊流流动有更加显著的效果。因此，操作条件更容易影响其分离效率。
参考文献
[1] 罗小刚. 气-固两相流旋风分离器的数值模拟. 上海：上海交通大学，2006.(中国)
[2] Alex C. Hoffmann, Louis E.Stein. Gas Cyclones and Swirl Tubes:Principles, Design and Operation, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2002.
[3] 周L.X，SL.洙. 气固两相流和旋风分离器的固体收集. 粉体技术，1990，（63）: 45-53.(中国)
[4]梁世范，朱超. 气固两相流原理. 剑桥大学出版社，1997.（中国）
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