旋风分离器数值模拟

旋风分离器内流场特征的数值模拟田秀山;张宏伟【摘要】为了优化旋风分离器结构和操作条件,采用数值方法分析了旋风分离器进口速度变化对其内流场特征的影响.计算模型为直段直径300 mm的旋风分离器,常温常压下进口空气速度范围为15~30 m/s,模拟结果与文献数据吻合良好.分析可知分离器压降主要由排气管口、排气管内和排尘管口等部位的高湍动能损失组成.一定轴向距离上,不同进口速度时的切向速度分布和轴向速度分布分别具有相似性特征.切向速度最大值和最小值的径向位置在r≈0.6R1和r≈0处.轴向速度两种分布形态的过渡发生在轴向距离Z≈-500 mm处.进入分离器气体的运动轨迹和停留时间与气体在进气管的进入位置和气体速度相关.基于上述研究结果,可对旋风分离器进行定性或定量的优化设计,并为分析旋风分离器多相流的流场特征和分离特征奠定了基础.【期刊名称】《浙江电力》【年(卷),期】2017(036)011【总页数】7页(P23-29)【关键词】旋风分离器;压降;速度分布;流线;数值模拟【作者】田秀山;张宏伟【作者单位】浙江浙能技术研究院有限公司,杭州 310013;浙江浙能技术研究院有限公司,杭州 310013【正文语种】中文【中图分类】TM621在众多多相分离设备中，旋风分离器具有结构简单、成本低廉、操作方便和分离效率高等诸多优势。

因此该设备在化工[1]、电力[2-4]、环保[5]等领域的气-粒混合物分离中被广泛应用。

旋风分离器虽然结构简单，但其内部流场却具有强旋流动、多相混合、高度湍动的复杂特性，其流场特征、压降特性和分离效率不仅受操作条件的影响，而且与分离器结构尺寸紧密相关，因此较多研究者对该设备进行了研究。

Kaya等[6]、曹晴云等[7]和陈雪莉等[8]对旋风分离器内速度分布特征进行了研究。

Karagoz等[9]、Hoffmann等[10]和王德耕[11]对分离器内局部和整体的压降特征进行了分析。

Zhao等[12]、李丹等[13]及吴小林等[14]分析了分离器内的多相分离特征。

旋风分离器气固两相流数值模拟及性能分析共3篇旋风分离器气固两相流数值模拟及性能分析1旋风分离器气固两相流数值模拟及性能分析旋风分离器是一种广泛应用于化工、环保、电力等领域的气固分离设备，其利用离心力将气固两相流中的颗粒物分离出来，一般被用作除尘和粉尘回收设备。

本文将介绍旋风分离器的气固两相流数值模拟及性能分析。

气固两相流是指气体与固体颗粒混合物流动的状态。

旋风分离器中的气固两相流在进入设备后，经过导流装置后便会进入旋风筒，此时气固两相流呈螺旋上升流动状态，颗粒物受到离心力的作用被抛向旋风筒壁，而气体则从旋风筒顶部中心脱离，从出口排放。

因此，旋风分离器气固两相流的流体物理特性显得尤为重要。

本文采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法对旋风分离器气固两相流进行数值模拟。

对于气体流动部分，采用了二维轴对称的控制方程式，包括连续性方程、动量方程和能量方程，而对于颗粒物流动部分，采用了颗粒物轨迹模型（Particle Tracking Model，PTM）。

在数值模拟过程中，采用了FLUENT软件进行求解，其中的数值算法采用双重电子数法（Electron Electrostatic Force Field，E3F2）。

数值模拟结果显示，在旋风分离器中，气体的流速主要集中在筒壁附近，而在离筒中心较远的地方，则流速较慢，颗粒物则以螺旋线的方式向旋风筒壁移动，并沿着筒壁向下运动。

颗粒物在旋风筒中受到离心力的作用后，其分布状态将随着离心力的变化而变化，最终沉积在筒壁处。

数值模拟结果还表明，旋风分离器的分离效率随着旋风筒直径的增加而增加。

为了验证数值模拟结果的可信度，实验室制作了一个小型旋风分离器进行了实验研究。

实验结果表明，数值模拟与实验结果相比较为一致，通过数值模拟可以较好地描述旋风分离器中气固两相流动的情况并用于性能预测。

综合来看，数值模拟是一种较为有效的旋风分离器气固两相流性能分析方法，可以较好地预测旋风分离器的分离效率和颗粒物的分布状态，为旋风分离器的设计和优化提供了有力支持综上所述，本文利用数值模拟方法和实验研究相结合的方式，对旋风分离器的气固两相流动性能进行了分析。

旋风分离器环形空间二次涡的数值模拟
1分离器空间二次涡特性
风洞实验是研究内部流动特性的有效工具，分离器空间内的空气流动的详细特性的开展是非常重要的。

在实际的空气分离器中，一个二次涡作用可以产生空气流在横向和纵向上的缓慢移动，这将有助于设备内质粒物分离并被重新定向及捕获。

2数值模拟
为完整理解空气涡旋行为，研究人员对空气分离器空间内空气流动进行了三维数值模拟，在建立模型前，它们先是建立了一个有限体积支柱空间，以便研究其内部流动特性。

研究发现，有一个小的静水层和质量交换的区域，质量传递的空气中存在一个反射的界面和一个延续的连续层，这促进了空气分离器空间内空气二次涡的形成。

另外，模拟结果表明气体涡与分离器结构之间有着关联性。

3结论
通过三维数值模拟，研究发现分离器环形空间内存在二次涡的形成。

该研究结果可以帮助我们更好的理解空气涡的特性，以及空气在分离器空间内的行为。

通过这一研究，有助于提高分离器的效率，提高设备的效果。

本科毕业设计（论文）外文翻译译文学生姓名：高勇红院（系）：机械工程学院专业班级：装备 0901指导教师：梁慧荣完成日期： 2013 年 3 月 21 日气—固旋风分离器在FLUENT中的流场数值模拟Flow-field Numerical Simulation of Gas-Solid CycloneSeparator 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。

旋风分离器计算结果标准化工作室编码[XX968T-XX89628-XJ668-XT689N]旋风除尘器性能的模拟计算一、下图为旋风除尘器几何形状及尺寸，如图1所示，图中D、L及入口截面的长宽比在数值模拟中将进行变化与调整，其余参数保持不变。

图1 旋风分离器几何形状及尺寸（正视图）旋风分离器的空间视图如图2所示。

图2 旋风分离器空间视图二、旋风分离器数值仿真中的网格划分仿真计算时，首先对旋风除尘器进行网格划分处理，计算网格采用非结构化正交网格，如图3所示。

图3 数值仿真时旋风分离器的网格划分（空间）图4为从空间不同角度所观测到的旋风分离器空间网格。

图4 旋风分离器空间网格空间视图本数值仿真生成的非结构化空间网格数大约为125万，当几何尺寸（如D、L及长宽比）改变时，网格数会略有变化。

三、对旋风分离器的数值模拟仿真采用混合模型，应用Eulerian（欧拉）模型，欧拉方法，对每种工况条件下进行旋风分离器流场与浓度场的计算，计算残差<10-5，每种工况迭代约50000步，采用惠普工作站计算，CPU耗时约12h。

以下是计算结果的后处理显示结果。

由于计算算例较多，此处仅列出了两种工况条件下的计算后处理结果。

图5是L=1.3m，D=1.05m 入口长宽比1:3，入口速度10m/s时，在y=0截面（旋风分离器中心截面）上粒径为88微米烟尘的体积百分数含量分布图。

可以明显看出由于旋风除尘器的离心作用，灰尘被甩到外壁附近，而在靠近中心排烟筒下方筒壁四周，烟尘的体积浓度最大。

粒径88微米烟尘的空间浓度分布(空间)粒径88微米烟尘的浓度分布(旋风分离器中心截面)粒径200微米烟尘的空间浓度分布(空间)粒径200微米烟尘的浓度分布(旋风分离器中心截面)图5 L=1.3m、D=1.05m、长宽比1:3，入口速度10m/s时烟尘空间分布粒径88微米烟尘的空间浓度分布(空间)粒径88微米烟尘的浓度分布(旋风分离器中心截面)粒径200微米烟尘的空间浓度分布(空间)粒径200微米烟尘的浓度分布(旋风分离器中心截面)图6 L=2.3m、D=1.5m、长宽比1:1，入口速度15m/s时烟尘空间分布四、计算结果计算中，首先确定几何尺寸L，按照给定的两种烟尘颗粒，分别对L=2.3m、L=1.8m、L=1.3m、L=0.8m四种情况进行对比计算，对比计算结果为L=2.3m、L=1.3m时除尘效率较高。

旋风分离器在工业上的应用已有百年多的历史。

它是利用气固两相流的旋转，将固体颗粒从气流中分离出来的一种干式气-固分离装置[1]。

与其它气固分离设备相比，具有结构简单、设备紧凑、性能稳定和分离效率高等特点。

广泛应用于石油、化工、冶金、建筑、矿山、机械和环保等工业部门。

由于旋风分离器内部流动非常复杂，用试验或者解析的方法研究分离器内部的流动状况比较困难。

近年来，随着计算机硬件及CFD(计算流体动力学)技术的不断进步[2,3]，数值方法成为研究旋风分离器的一种重要手段。

通过对旋风分离器内气固两相进行数值模拟，揭示旋风分离器内部流场，为优化旋风分离器的结构提供思路，也为进一步提高分离性能奠定基础。

1旋风分离器的结构和工作原理一般来说，旋风分离器由进气管、柱段、锥段、排气管和集灰斗等部分组成（图1）。

含尘气流以12m/s ～25m/s 的速度从进气口进入旋风分离器，气流由直线运动变为圆周运动，产生高速旋转的涡旋运动。

旋转气流中的固体颗粒由于离心加速度的作用，向器壁运动，接触器壁后失去惯性力而靠入口速度的动力和向下的重力沿器壁螺旋形向下，经锥段排入灰斗中。

向下旋转的净化气体到达锥段下部某一位置时，由于负压作用，便以相同的旋转方向在分离器内部由下而上螺旋运动，经排气管排出旋风分离器外。

2旋风分离器流场数值模拟研究进展虽然旋风分离器结构简单，但是其内部的三维旋转湍流流场却相当复杂。

工程应用对该流场的数值模拟，基本上是基于求解Reynolds 时均方程及关联量输运方程的湍流模拟方法。

描述湍流运动的数学基础仍然是连续性方程和瞬时N -S 方程。

连续性方程：N -S 方程：收稿日期：2012-04-11；作者简介：韩婕（1984-），女，电邮hanjie854@ 。

旋风分离器两相流动数值模拟研究进展韩婕，刘阿龙，彭东辉，吴文华（上海化工研究院化学工程及装备研究所，上海200062）摘要：介绍了旋风分离器的结构与工作原理，综述了国内外旋风分离器两相流场的数值模拟研究进展，对研究过程所用的研究方法进行了描述，分析比较了研究成果。

基于CFD的循环流化床旋风分离器数值模拟
循环流化床旋风分离器是广泛应用于化学反应、热处理和废气处理等领域的重要设备。

该设备将固体物料以流化床形式进行循环，通过旋风分离器分离气固两相，实现了在化工、环保工程等领域的重要应用。

为了在设计和改进该设备时准确预测流动和分离的特性，数值模拟成为一种有效的方法。

基于CFD的循环流化床旋风分离器数值模拟已经成为一种快速、准确预测流动和分离过程的工具。

CFD数值模拟的过程首先需要准确建立数值模型，进行网格划分和边界条件设定。

然后利用计算机运算能力，通过数值模拟解决数学模型得到流动和分离的过程。

最后，通过数值模拟的结果，可以解决实际设计和改进的问题。

在这个过程中，需要确定正确的物理模型、适当的边界条件和网格密度以及求解方法等。

对于循环流化床旋风分离器的数值模拟，需要考虑以下几个因素。

首先，需要考虑气固两相之间的相互作用。

流化床内气固两相的运动应当由玻意耳数学模型来描述，同时应当将压降等现象考虑在内。

其次，流化床内的颗粒运动也应当考虑，因此某些模拟需采用多相流模型。

此外，旋风分离器中气相的旋转和离心效应都应当加以考虑。

基于CFD的循环流化床旋风分离器数值模拟具有许多优点。

其能够快速准确地预测流动和分离过程，可以帮助研究人员了
解设备内部的运动规律，进而优化设计、提高设备效率。

此外，该方法还可以帮助研究人员验证实验数据，并减少试验成本和时间。

因此CFD模型应用于该设备的设计和改进中，可以提
高效率，节约成本，同时优化产品质量和制造n优化生产成果。