田 坪

（北京理工大學(xué)珠海學(xué)院）

田 巍

（吉林農(nóng)業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院)

0 前言

旋風(fēng)分離器是一種利用氣固兩相流體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使固體顆粒在離心力的作用下從氣流中分離出來的設(shè)備。由于它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)備緊湊、無相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件、價(jià)格低廉、操作維修方便等特點(diǎn)，可以滿足不同生產(chǎn)中的特殊要求，因而成為最常用的一種分離、除塵設(shè)備，廣泛地應(yīng)用于氣體凈化、固體顆粒的分離回收和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域。但是由于旋風(fēng)分離器的性能尤其是除塵效率還不能滿足實(shí)際的要求，一些工礦企業(yè)為了達(dá)到廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)而不得不使用價(jià)格昂貴的袋式除塵器或其它除塵器，因此，有必要設(shè)計(jì)開發(fā)一種高效低阻旋風(fēng)分離器，最大限度地提高旋風(fēng)分離器的性能，以滿足工礦企業(yè)的實(shí)際需求。筆者在參考國(guó)內(nèi)外各種傳統(tǒng)的和新型的分離設(shè)備基礎(chǔ)上[1]，通過研究不同粒徑的微粒在渦流場(chǎng)中的動(dòng)力學(xué)特征，設(shè)計(jì)制作了高效低阻SLK旋風(fēng)分離器，并在該機(jī)上完成了測(cè)試分析。

1 SLK旋風(fēng)分離器的分離過程

SLK旋風(fēng)分離器由筒體、錐體、進(jìn)氣入口、排氣管和排灰管等組成，如圖1所示。旋風(fēng)分離器的工作過程如下：當(dāng)含塵氣體由切向進(jìn)氣口進(jìn)入旋風(fēng)分離器時(shí)，氣流由直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)閳A周運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)氣流的絕大部分沿器壁自圓筒體成螺旋形向下朝錐體處流動(dòng)，通常稱此為外旋流。含塵氣體在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生離心力，將密度大于氣體的塵粒甩向器壁。塵粒一旦與器壁接觸，便失去徑向慣性力而靠向下的動(dòng)量和向下的重力沿壁面下落，進(jìn)入排灰管。旋轉(zhuǎn)下降的外旋氣體到達(dá)錐體處時(shí)，因圓錐殼體的收縮而向除塵器中心靠攏。根據(jù) “旋轉(zhuǎn)矩”不變的原理，其切向速度不斷提高，塵粒所受的離心力也不斷加強(qiáng)。當(dāng)氣流到達(dá)錐體下部某一位置時(shí)，氣流以同樣的旋轉(zhuǎn)方向從旋風(fēng)分離器中部由下反轉(zhuǎn)向上繼續(xù)做螺旋形流動(dòng)，即內(nèi)旋氣流。最后凈化氣體經(jīng)排氣管排出管外，一部分未被捕集塵粒也由此排出。

圖1 SLK旋風(fēng)分離器工作原理

自進(jìn)氣入口流入的另一小部分氣體則向旋風(fēng)分離器頂蓋流動(dòng)，然后沿排氣管外側(cè)向下流動(dòng)；當(dāng)?shù)竭_(dá)排氣管下端時(shí)即反轉(zhuǎn)向上，隨上升氣流的中心流一同從排氣管排出。分散在這一部分氣流中的塵粒也隨同被帶走[2]。

2 SLK旋風(fēng)分離器的數(shù)值模擬

2.1 數(shù)學(xué)模型的建立

SLK旋風(fēng)分離器較傳統(tǒng)的旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括偏心的螺旋向下的進(jìn)口，其對(duì)網(wǎng)格的質(zhì)量要求比較高，若直接進(jìn)行求解，不僅較難收斂，網(wǎng)格數(shù)量也將受到限制。由于分離區(qū)域主要為兩相流區(qū)域，故本文僅結(jié)合連續(xù)方程、動(dòng)量方程與Reynolds應(yīng)力方程（后簡(jiǎn)稱RSM）進(jìn)行耦合隱式不可壓縮單相穩(wěn)態(tài)3 D雙精度求解。進(jìn)行求解的控制方程為：

在目前DNS（直接數(shù)值模擬）和LES（大渦模擬）還難以應(yīng)用于復(fù)雜工程問題的情況下，雖然RSM在2D求解中加入了4個(gè)方程，會(huì)比κ-ε和κ-ω類湍流模型耗費(fèi)更多計(jì)算資源，但由于其放棄了各向同性湍流黏度假設(shè)，直接對(duì)Reynolds方程中的湍流脈動(dòng)應(yīng)力建立微分方程，因而在各項(xiàng)異性的強(qiáng)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)求解中更具有優(yōu)勢(shì)。RSM流動(dòng)方程表示為：

式（1）～（3）中， μ 為氣體動(dòng)力黏度（Pa·s），ρg為氣體密度 （kg/m3）， vi、 vj、 vk為直角坐標(biāo)系下 i、 j、 k方向氣流速度 （m/s）， xi、xj、xk為直角坐標(biāo)系下i、j、k方向向量， gi為直角坐標(biāo)系下i方向重力加速度（m/s2），p 為壓力（Pa）。 式（3）中等號(hào)左端第一、第二項(xiàng)分別為湍流隨時(shí)間變化率及平均運(yùn)動(dòng)的對(duì)流；右端依次為湍流擴(kuò)散項(xiàng)、壓力產(chǎn)生項(xiàng)、浮力產(chǎn)生項(xiàng)、壓強(qiáng)應(yīng)變項(xiàng)、耗散項(xiàng)、旋流產(chǎn)生項(xiàng)和顆粒作用源項(xiàng)。具體符號(hào)意義及推導(dǎo)過程詳見文獻(xiàn)[3] 。

2.2 邊界條件設(shè)置

具體分析的模擬機(jī)為SLK旋風(fēng)分離器。由Pro／E建立實(shí)體模型，并將其導(dǎo)入Gambit中作網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格如圖2所示，模型區(qū)域主要采用四面體結(jié)構(gòu)，但是在適當(dāng)位置可以包含六面體、 錐形和楔形網(wǎng)格單元。進(jìn)風(fēng)口設(shè)置速度進(jìn)口邊界條件，出口設(shè)置壓力出口邊界條件，固壁無滑移且不可穿透，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理。在FLUENT里進(jìn)行有限體積法求解。其中流體密度、黏度、出口風(fēng)壓、風(fēng)量等參數(shù)按裸機(jī)工作狀況選取，Reynolds應(yīng)力分量按文獻(xiàn) [4] 計(jì)算。各變量均為Second order upwind格式，壓力速度耦合方程采用SIMPLE算法，方程中的欠松弛因子按經(jīng)驗(yàn)選取。

圖2 邊界條件設(shè)置

完成初步求解后進(jìn)行網(wǎng)格自適應(yīng)調(diào)整，共迭代大約2500步之后達(dá)到較優(yōu)結(jié)果。

3 結(jié)果與分析

3.1 軸向速度

從圖3可以明顯地看出，分離器的中心區(qū)域形成了類似柱狀的氣芯柱，在氣流到達(dá)底部的過程中，也有少部分氣流進(jìn)入該氣芯柱。在出口管附近氣流的速度較大，紊流程度較強(qiáng)；在分離器筒體部分有渦存在，這是由氣體在筒體內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。

圖3 x=0平面的速度矢量

3.2 切向速度

如圖4和圖5所示，在出風(fēng)筒所在空間內(nèi)切向速度分布不均勻，遠(yuǎn)離出風(fēng)筒進(jìn)口一側(cè)即x軸的正方向切向速度值要大一些。這是由于單向的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)產(chǎn)生的必然結(jié)果。這種流動(dòng)情況還會(huì)使渦核偏離設(shè)備的幾何中心線，造成一種渦核非穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，即旋進(jìn)渦核。

圖4 出風(fēng)筒下端的速度矢量

圖5 筒體任一平面的速度矢量

速度矢量示意圖 （圖4和圖5）表明，對(duì)于這種單進(jìn)口分離器內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)氣流偏心、不利于微小粉塵顆粒分離的問題。為此，SLK旋風(fēng)分離器設(shè)計(jì)了新型的進(jìn)口，渦核變形比較小，偏心也比較小，在過軸直徑上具有較好的軸對(duì)稱性，呈準(zhǔn)軸對(duì)稱，解決了單進(jìn)口分離內(nèi)部氣流偏心影響微小粉塵顆粒分離的問題。

3.3 顆粒軌跡

本文考察了三種粒徑的顆粒3μm、5μm和20μm在進(jìn)口速度分別為8.8 m/s、13.9 m/s和16.2 m/s時(shí)的9種顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖6、圖7和圖8所示。

圖6 顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡（8.8 m/s）

圖7 顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡（13.9 m/s）

圖8 顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡（16.2 m/s）

由不同粒徑的顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡可以看出，顆粒的運(yùn)動(dòng)情況非常復(fù)雜。對(duì)于粒徑較小的顆粒，流場(chǎng)脈動(dòng)對(duì)其軌跡的影響較大，從而使其隨機(jī)性增加，因此即使顆粒粒徑相同，進(jìn)口速度也相同，運(yùn)動(dòng)軌跡也可能不同。對(duì)于粒徑較大的顆粒，流場(chǎng)脈動(dòng)對(duì)其軌跡的影響有限，而且這種影響隨粒徑的增加而減弱，不影響軌跡的基本形狀。

不同粒徑的顆粒從入口同一位置進(jìn)入分離器時(shí)，粒徑較大的顆粒由于所受的離心力較大，很快到達(dá)器壁回轉(zhuǎn)向下，進(jìn)入下錐體被捕集；粒徑較小的顆粒，隨流體運(yùn)動(dòng)的跟隨性較好，有相當(dāng)大一部分顆粒跟隨氣流在分離器內(nèi)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，離開過程（被捕集或逃逸）的時(shí)間較長(zhǎng)。

通過模擬顆粒在分離器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以直觀地顯示旋風(fēng)筒的工作過程，揭示分離器內(nèi)氣、固分離的機(jī)理。在模擬過程中，可以清晰地看到顆粒在內(nèi)流場(chǎng)作用下的螺旋運(yùn)動(dòng)形式。顆粒隨氣流進(jìn)入分離器后，在離心力的作用下，顆粒向分離器外筒內(nèi)壁靠近而變成了沿筒壁旋轉(zhuǎn)的薄層顆粒帶，同時(shí)顆粒帶又隨氣流旋轉(zhuǎn)向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)分離器底部時(shí)，氣流變?yōu)橄蛏闲D(zhuǎn)。此時(shí)，絕大部分顆粒在重力和慣性力的作用下，繼續(xù)向錐筒底部運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)氣固分離；少部分顆粒 (粒徑較小的顆粒)被氣流帶入內(nèi)旋流，轉(zhuǎn)而向上運(yùn)動(dòng)，隨即進(jìn)入出風(fēng)筒排出。另外，也可以清晰地看到，極少部分的顆粒在剛進(jìn)入分離器時(shí)就發(fā)生短路，迅速進(jìn)入出風(fēng)筒。從模擬結(jié)果來看，顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡基本可以反映實(shí)際的顆粒運(yùn)動(dòng)狀況[5]。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

旋風(fēng)分離器在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較多，有著廣泛的用途。根據(jù)以上的分析和模擬結(jié)果，我們?cè)O(shè)計(jì)、制造了SLK旋風(fēng)分離器，并進(jìn)行了半工業(yè)性測(cè)試和分析，為其放大及商品化提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)的進(jìn)口氣速在9.9～19.9 m/s時(shí)，SLK旋風(fēng)分離器的分離效率可達(dá)90%以上，壓力損失為100～400 Pa。上述值均優(yōu)于其它類型的旋風(fēng)分離器。

SLK旋風(fēng)分離器實(shí)測(cè)的分級(jí)除塵效率如表1所示，表2為收下粉塵的粒度分布。SLK旋風(fēng)分離器測(cè)試流程如圖9所示。

表1 SLK旋風(fēng)分離器實(shí)測(cè)的分級(jí)除塵效率 （%）

表2 旋風(fēng)分離器收下粉塵粒度和累計(jì)質(zhì)量分布

圖9 SLK旋風(fēng)分離器測(cè)試線

5 結(jié)論

（1）根據(jù)數(shù)值模擬設(shè)計(jì)的SLK旋風(fēng)分離器，優(yōu)勢(shì)顯而易見。該旋風(fēng)分離器不僅內(nèi)氣流的流動(dòng)狀態(tài)得到改善，有效地降低了錐體部分的二次揚(yáng)塵，避免了上灰環(huán)現(xiàn)象的發(fā)生，而且由于旋風(fēng)分離器內(nèi)氣流旋轉(zhuǎn)速度的增加而增大了塵粒的離心力，使傳統(tǒng)型旋風(fēng)分離器除不掉的小顆粒得以在改進(jìn)型高效旋風(fēng)分離 （除塵）器內(nèi)除去。

（2）通過FLUENT軟件并應(yīng)用拉格朗日模型對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)部區(qū)域進(jìn)行兩相模擬分析與參數(shù)優(yōu)化，得到了關(guān)鍵尺寸和壓力控制參數(shù)。

（3）與傳統(tǒng)的旋風(fēng)分離器相比，該旋風(fēng)分離器可以作為中、小型水泥廠或其它行業(yè)的除塵設(shè)備使用。其體積小，易制造，經(jīng)濟(jì)適用。

[1] Jon Dirgo， David Leith.Cyclone collection efficiency：comparison of experimental results with heoretical predictions.Aerosol Science and Technology， 1985(4)：401-405.

[2] 張力德.超細(xì)粉體制備與應(yīng)用技術(shù) [M] .北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

[3] 于勇，張俊明，姜連田，等.FLUENT入門與進(jìn)階教程[M] .北京：北京理工大學(xué)出版社，2008：238-243.

[4] Shapiro M,Galperin V.Air classification of solid particles:a review [J] .Chemical Engineering and Processing，2005， 44(2)： 285-297.

[5] 周謨?nèi)?流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī) [M] .北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1985.