李 壘 金俊卿 陳 坤 汪文波 覃傳勇 伍修國

1.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，四川 成都 610500；2.中國石油昆侖燃?xì)庥邢薰疚髂戏止?，四?成都 610063；3.成都華潤燃?xì)庠O(shè)計(jì)有限公司，四川 成都 610045；4.中國石油西南油氣田公司川中氣礦，四川 遂寧 629000

0 前言

旋風(fēng)分離器廣泛用于石油、化工、機(jī)械等高溫、高壓、耐腐蝕及流態(tài)化催化技術(shù)領(lǐng)域，具有結(jié)構(gòu)簡單、分離效率高等優(yōu)點(diǎn)，主要功能是盡可能去除輸送介質(zhì)氣體中攜帶的固體顆粒雜質(zhì)和液滴，達(dá)到氣固液分離，保證管道及設(shè)備的正常運(yùn)行。旋風(fēng)分離器的工作原理是：顆粒由于離心力作用克服氣流的阻力向壁面運(yùn)動(dòng)，到達(dá)壁面附近后，受邊界層內(nèi)的較小湍流作用，沿著壁面螺旋滑入分離器底部灰斗中，完成分離。而粒徑小于5μm的微細(xì)顆粒所受到的離心力小于氣流對(duì)其的阻力，因此很難分離。

目前，隨著對(duì)旋風(fēng)分離器分離性能要求的提高，需要不斷改進(jìn)旋風(fēng)分離器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，來滿足要求的分離效果。近年來計(jì)算流體力學(xué) （Computational Fluid Dynamics，CFD）技術(shù)迅速發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者越來越多地采用CFD技術(shù)來解決旋風(fēng)分離器流體力學(xué)問題。GriffithsW D 等人［1］利用 FLUENT 軟件中 RNG k-ε 模型研究旋風(fēng)分離器內(nèi)顆粒的分級(jí)效率，得到不同條件下顆粒的分離效率；潘傳九等人［2］借助FLUENT軟件研究了旋風(fēng)分離器的螺旋導(dǎo)流和防返混問題；張建等人［3］應(yīng)用CFD技術(shù)軟件研究了旋風(fēng)分離器的減阻性能。

本文以Stairmand型高效旋風(fēng)分離器為基礎(chǔ)模型，借助FLUENT軟件中PNG k-ε模型對(duì)傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器和帶螺旋導(dǎo)流裝置的旋風(fēng)分離器進(jìn)行數(shù)值模擬，分析螺旋導(dǎo)流裝置對(duì)旋風(fēng)分離器分離性能的影響。

1 計(jì)算模型

本文在計(jì)算中以空氣作為連續(xù)相，顆粒作為離散相，根據(jù)離散相相對(duì)連續(xù)相的質(zhì)量，確定是否進(jìn)行耦合計(jì)算。求解的方法是先求連續(xù)相流場(chǎng)，然后再加上離散相，根據(jù)離散相受力平衡求解顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。

1.1 連續(xù)相模型

文獻(xiàn)中多采用k-ε模型來模擬旋風(fēng)分離器中的連續(xù)相流場(chǎng)，得到了較好的結(jié)果。因此，本文連續(xù)相也采用RNG k-ε模型計(jì)算。其湍動(dòng)能和耗散率方程［4］為：

其中：

式中：Gk為由平均速度梯度引起的湍動(dòng)能；Gb為由浮力影響引起的湍動(dòng)能；YM為可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總耗散率的影響，αε、αk分別為湍動(dòng)能和耗散率的有效普朗特?cái)?shù)的倒數(shù)。

1.2 離散相模型及顆粒運(yùn)動(dòng)受力分析

本文采用隨機(jī)軌道模型對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)部的離散相顆粒進(jìn)行追蹤，在拉格朗日坐標(biāo)系下，顆粒在氣流中的受力方程［5］為：

其中：

式中：u為流體相速度，m/s；up為顆粒速度，m/s；μ為流體動(dòng)力黏度，Pa·s； ρ為流體密度，kg/m3； ρp為顆粒密度，kg/m3；dp為顆粒直徑，mm； Re 為相對(duì)雷諾數(shù)；CD為曳力系數(shù)；gx為X方向重力加速度，m/s2；Fx為X方向的其他作用力，N。

2 旋風(fēng)分離器模型

本文以Stairmand型高效旋風(fēng)分離器為基礎(chǔ)模型，增加了螺旋導(dǎo)流板，導(dǎo)流板圈數(shù)為2，厚度5 mm，寬度58mm，長度95mm，軸向間距40mm。強(qiáng)制流體進(jìn)行螺旋運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成新型旋風(fēng)分離器。Stairmand型高效旋風(fēng)分離器模型結(jié)構(gòu)［6］見圖 1。

2.1 模型網(wǎng)格劃分

對(duì)于模擬計(jì)算來說，網(wǎng)格的劃分直接影響計(jì)算結(jié)果，高質(zhì)量的網(wǎng)格是計(jì)算精度的重要保證。本文中傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器和帶螺旋導(dǎo)流裝置的旋風(fēng)分離器均采用相同的網(wǎng)格劃分原則。由于旋風(fēng)分離器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，需要包含四面體、六面體、錐形和楔形等多種網(wǎng)格，故網(wǎng)格劃分采用體網(wǎng)格，Elements的類型為Tet/Hybrid，Type的類型為TGrid，網(wǎng)格密度采用Intervalsize類型，間距為10。傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器和帶螺旋導(dǎo)流裝置的旋風(fēng)分離器的網(wǎng)格劃分見圖2。

圖1 Stairmand型高效旋風(fēng)分離器模型結(jié)構(gòu)/mm

圖2 旋風(fēng)分離器網(wǎng)格劃分示意圖

2.2 邊界條件

旋風(fēng)分離器模型采用速度入口，速度設(shè)置為30m/s；出口設(shè)置為outflow；湍流強(qiáng)度設(shè)置為10%；流體介質(zhì)設(shè)置為空氣，密度為 1.225 kg/m3，黏度為 1.789×10-5Pa·s；壓力-速度耦合方程采用SIMPLEC方程，離散格式采用QUICK格式。

在離散相設(shè)置中，顆粒與空氣同時(shí)進(jìn)入旋風(fēng)分離器，假設(shè)顆粒密度為1 000 kg/m3，每組顆粒質(zhì)量流率均為0.05 kg/s，計(jì)算采用隨機(jī)軌道模型。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 速度分析

旋風(fēng)分離器內(nèi)部流體運(yùn)動(dòng)是復(fù)雜的三維螺旋運(yùn)動(dòng)，某一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度可以分為相互垂直的切向速度、軸向速度、徑向速度，其中切向速度和軸向速度是影響旋風(fēng)分離器分離性能的主要因素，本文主要研究這兩種速度的分布規(guī)律。通過分析切向速度和軸向速度的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)比傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器和帶螺旋導(dǎo)流裝置的旋風(fēng)分離器的速度差異，進(jìn)而證明螺旋導(dǎo)流裝置能夠提高旋風(fēng)分離器的分離性能。

3.1.1 切向速度

顆粒隨著氣體在旋風(fēng)分離器內(nèi)部做圓周運(yùn)動(dòng)，由于受到離心力作用，顆粒被甩向壁面。氣體的切向速度越大，顆粒被甩向壁面的概率也越大，旋風(fēng)分離器的分離性能也越好。

旋風(fēng)分離器內(nèi)部的切向速度分布規(guī)律見圖3，從圖3可看出：在流場(chǎng)內(nèi)部的強(qiáng)制渦旋區(qū)域中，隨著半徑增大，同一截面上的切向速度逐漸增大，顆粒受到的離心力作用也逐漸增大，有助于顆粒向壁面移動(dòng)；在流場(chǎng)外部的準(zhǔn)強(qiáng)制渦旋區(qū)域中，隨著半徑增大，同一截面上的切向速度逐步減小，顆粒受到的曳力作用減弱，有助于顆粒收集。

圖3 旋風(fēng)分離器內(nèi)部Z=0.285截面切向速度分布圖

從圖3中兩種不同分離器在同一截面上的切向速度分布規(guī)律可以看出，在分離器內(nèi)部同一坐標(biāo)位置，帶螺旋導(dǎo)流裝置的旋風(fēng)分離器的切向速度偏大。因此，顆粒在帶螺旋導(dǎo)流裝置的旋風(fēng)分離器內(nèi)部運(yùn)動(dòng)時(shí)，能獲得更大的離心力，增強(qiáng)了旋風(fēng)分離器的分離性能。

3.1.2 軸向速度

旋風(fēng)分離器軸向速度云圖見圖4。從圖4可以看出，氣體進(jìn)入旋風(fēng)分離器內(nèi)部后，在靠近壁面的區(qū)域，氣體的軸向速度向下，形成向下的氣流；在靠近旋風(fēng)分離器軸心區(qū)域，氣體的軸向速度向上，形成向上的氣流?？拷诿鎱^(qū)域的下行氣流對(duì)旋風(fēng)分離器的分離效果起著至關(guān)重要的作用，下行氣流可以將氣體中攜帶的顆粒帶入分離器下端的除塵裝置，起到分離作用。

圖4 旋風(fēng)分離器軸向速度云圖

通過FLUENT軟件計(jì)算，可以得到旋風(fēng)分離器零軸向速度云圖，見圖5。圖5中彩色部分為下行速度區(qū)域，旋風(fēng)分離器內(nèi)部空白部分為上行速度區(qū)域，二者存在明顯的分界線。從圖5可看出，傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器的下行速度區(qū)域面積較小，在分離器底部壁面處出現(xiàn)了上行速度，嚴(yán)重影響分離效果；而帶螺旋導(dǎo)流裝置的旋風(fēng)分離器的下行速度區(qū)域面積較大，且較為連貫，在分離器底部壁面處依然存在下行速度，增強(qiáng)了分離器的分離效果。

圖5 旋風(fēng)分離器零軸向速度云圖

3.2 分離效率分析

分離效率［7］是衡量旋風(fēng)分離器分離性能的重要指標(biāo)。旋風(fēng)分離器的分離效率是指除去的粉塵量占原含塵量的比率，公式為：

式中：η為旋風(fēng)分離器的分離效率，%；C1為進(jìn)入旋風(fēng)分離器中的單位體積氣體所含的粉塵量，kg；C2為離開旋風(fēng)分離器的單位體積氣體所含的粉塵量，kg。

在氣相場(chǎng)收斂后，加入離散相，對(duì)顆粒軌跡進(jìn)行追蹤，最終得到直徑為5μm的顆粒在傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器和帶螺旋導(dǎo)流裝置的旋風(fēng)分離器中的軌跡圖，見圖6。

從圖6可看出，傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器中直徑為5μm的顆粒追隨性很好，隨氣流旋轉(zhuǎn)向下運(yùn)動(dòng)，部分顆粒到達(dá)底部灰斗后，又隨內(nèi)部的上升氣流螺旋上升，進(jìn)入排氣管；部分顆粒沒有到達(dá)底部就進(jìn)入上升氣流中，直接進(jìn)入排氣管，分離效果較差。而相同直徑的顆粒在帶螺旋導(dǎo)流裝置的旋風(fēng)分離器中運(yùn)動(dòng)時(shí)，受到較大的離心力作用，被甩向壁面，沿壁面螺旋下滑，最終到達(dá)分離器底部，并在底部沉積，完成分離過程，分離效果較好。

根據(jù)FLUENT軟件的模擬計(jì)算結(jié)果，得到了兩種不同旋風(fēng)分離器的分離效率［8］隨顆粒直徑變化的關(guān)系，見圖7。從圖7可看出，隨著顆粒直徑增大，旋風(fēng)分離器的分離效率提高，當(dāng)顆粒直徑為8.25μm時(shí)，傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器的分離效率達(dá)到100%，而當(dāng)顆粒直徑為4.26μm時(shí)，帶螺旋導(dǎo)流裝置的旋風(fēng)分離器的分離效率就已經(jīng)達(dá)到了100%。由此可以看出，帶螺旋導(dǎo)流裝置的旋風(fēng)分離器的分離性能強(qiáng)于傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器，而且能夠完成直徑小于5μm顆粒的分離任務(wù)。

圖6 旋風(fēng)分離器內(nèi)部5μm顆粒軌跡圖

圖7 旋風(fēng)分離器分離效率

4 結(jié)論

a）利用FLUENT軟件中RNG k-ε模型對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了良好的模擬效果，說明該數(shù)值模擬方法可行。

b）研究傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器和帶螺旋導(dǎo)流裝置的旋風(fēng)分離器內(nèi)部的速度分布規(guī)律，分別從切向速度和軸向速度兩方面證明帶螺旋導(dǎo)流裝置的旋風(fēng)分離器分離性能強(qiáng)于傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器。

c）旋風(fēng)分離器加上螺旋導(dǎo)流裝置后，分離效率得到較大提高，帶螺旋導(dǎo)流裝置的旋風(fēng)分離器能夠完成部分微細(xì)顆粒（粒徑小于5μm）的分離任務(wù)。

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