旋风分离器数值模拟

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)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)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。

收稿日期:2007-04-08基金项目:国家自然科学基金项目(20576074);国家高技术研究发展计划“863”项目(2007AA061702)作者简介:宋健斐(1979-),女(汉族),河北南宫人,讲师,博士,从事石油化工设备的教学与研究工作。

文章编号:167325005(2008)0120090205旋风分离器内颗粒浓度场的数值模拟宋健斐,魏耀东,时铭显(中国石油大学重质油国家重点实验室,北京102249)摘要:采用改进的雷诺应力模型和颗粒随机轨道模型对旋风分离器全空间内颗粒浓度分布进行了数值模拟。

结果表明,旋风分离器分离空间的浓度场沿径向可划分为中心的颗粒逃逸区、边壁的颗粒捕集区和中间的颗粒分离区。

颗粒捕集区的颗粒在器壁表面形成高浓度的灰带螺旋下行,灰带以一定的频率上下波动;颗粒分离区浓度分布均匀,颗粒处于被分离状态;颗粒逃逸区的颗粒浓度很低,颗粒螺旋上升逃逸。

旋风分离器的浓度场沿轴向分布比较复杂,在环形空间的上部和灰斗的上部存在顶灰环,浓度分布具有显著的非轴对称性,在升气管入口下方0125倍筒体直径(Φ)范围内存在短路流造成的高浓度区,在排尘口处存在旋转气流摆动造成的颗粒返混高浓度区。

模拟结果与实验数据吻合较好。

关键词:旋风分离器;颗粒浓度;灰带;颗粒随机轨道模型;改进的雷诺应力模型中图分类号:T Q 05118 文献标识码:ANu m er i ca l si m ul a ti on on parti cle concen tra ti on d istr i buti on i n cyclone separa torS ONG J ian 2fei,W E I Yao 2dong,SH IM ing 2xian(S tate Key L aboratory of Heavy O il Processing in China U niversity of Petroleum ,B eijing 102249,China )Abstract :The particle concentrati on distributi on in a cycl one separat or was numerically si m ulated based on the modified Reynolds stress model and st ochastic particle tracking model on the p latf or m of commercial s oft w are of F LUE NT 611.The in 2teracti on bet w een the particles and the gas phase and the turbulent diffusi on of particles were taken int o account .The particle concentrati on al ong the radial directi on in ward fr om the wall in the separati on s pace was divided int o collecting zone near the wall,escap ing zone in the center regi on and separating zone in the m iddle .I n the collecting zone,particles showed helix s ol 2id strand distributi on and moved down ward .The s olid strand was unstable and moved up and down with a l ow frequency .Particle concentrati on was unifor m and particles would be separated in the separating zone .I n the escap ing zone,particleconcentrati on was very l ow and most of particles escaped with the inner vortex fl ow .Particle concentrati on distributi on was comp lex al ong the axial directi on .The asy mmetric dust ring existed near the t op p late of the annular s pace and dust hopper .The l ocal high concentrati on existed under the entrance of the exit tube with a distance about 0125Φ(barrel dia meter )and the entrance of the dust hopper,which resulted fr om the short 2circuit fl ow and the re 2entrain ment of the fine particles in the inner vortex fl ow due t o the agitati on of separated particles,res pectively .The numerical si m ulati on results agree wellwith the experi m ental ones .Key words :cycl one separat or;particle concentrati on;s olid strand;st ochastic particle tracking model;modified Reynoldsstress model 旋风分离器内流场为复杂的三维湍流强旋流场,其内部的颗粒运动和颗粒浓度分布更为复杂。

对油喷压缩机系统中旋风式油气分离器分离性能的数值模拟和试验研究摘要：通过对旋风式油气分离器中油滴破碎的关注对油滴的运动轨迹和分离性能进行数值模拟。

分离性能也通过试验来研究，用马尔文颗粒粒度分析仪计算出分离器前后的油滴直径分布以确定模拟模型。

试验和模拟的结果都显示油滴的破碎发生在分离的过程，明显的影响了分离的效率。

此外，结果表明进口速度在分离效率上扮演着重要的角色，因为它不仅很大程度的影响了油滴在分离器内的切向速度，而且也决定了油滴破碎的几率和程度。

1、介绍经常采用两级分离过程以有效的循环喷射入压缩机内的油并得到高质量的压缩气体。

第一级分离器，也叫做初始分离器，采用机械效应原理来捕捉大多数混合在气体中的油滴，而第二级分离器，常被叫做过滤器，使用凝聚的方法来吸收剩余的油雾。

第一级分离器的效率很大程度上影响了进入过滤器的残余油量，因此直接决定了过滤器的寿命和压缩机系统的性能。

提高第一级分离器的分离效率是净化分离气体和提高油喷压缩机系统性能的重要步骤。

目前，由于旋风式油气分离器的几何结构简单并且容易维护，所以已经广泛用作油喷压缩机系统的第一级分离器。

已经有大量的数值模拟来测试旋风分离器的性能，其中许多都是把研究重点放在旋风室的气体流场。

基于雷诺时均法（RANS）的雷诺应力湍流（RSM）模型已经被广泛接受。

例如，Gronald and Derksen在他们的研究中将有限体积RANS模型和大涡模拟（LES）方法进行比较。

他们指出由于相对较粗糙的网格而引起的非稳态的基于RANS 模型的模拟可以提供合理和工业相关的结果有限的计算工作。

Slack等一些人使用RSM 模型模拟了在Stairmand型高效旋风式分离器内的流场，仿真结果显示与激光测量液滴风速测定相一致。

Hoehstra等人用许多不同的湍流模型模拟了气相流场并得出用RSM 模型做的预测合理的与所有三个漩涡的测量配置文件数据相一致。

许多数值研究也一直尝试通过使用基于欧拉-拉格朗日方法的离散相（DPM）模型来研究旋风分离器内漩涡流中的粒子运动。