孟 文, 王江云, 毛 羽, 張 果, 王 娟

(1. 中國(guó)石油大學(xué) 重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 102249; 2. 海工英派爾工程有限公司, 青島 266101)

排氣管直徑對(duì)旋分器非軸對(duì)稱旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)的影響

孟 文1,2, 王江云1, 毛 羽1, 張 果1, 王 娟1

(1. 中國(guó)石油大學(xué) 重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 102249; 2. 海工英派爾工程有限公司, 青島 266101)

采用相位多普勒分析儀研究了4種不同排氣管直徑的旋風(fēng)分離器氣相非軸對(duì)稱旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)。結(jié)果表明,實(shí)驗(yàn)測(cè)得的切向速度、軸向速度、湍流度分布與旋風(fēng)分離器典型流場(chǎng)分布特點(diǎn)一致;隨著排氣管直徑的減小,旋轉(zhuǎn)中心與旋風(fēng)分離器幾何結(jié)構(gòu)中心之間的偏心距也明顯減小,其內(nèi)部流場(chǎng)分布的非軸對(duì)稱性減弱,有利于提高旋風(fēng)分離器的分離效率,并降低因渦核擺動(dòng)造成的摩擦阻力。說明合理地設(shè)置排氣管直徑是抑制單入口旋風(fēng)分離器非軸對(duì)稱旋轉(zhuǎn)流動(dòng)、提高旋風(fēng)分離器性能的有效手段。

旋風(fēng)分離器; 相位多普勒分析儀; 排氣管; 非軸對(duì)稱旋轉(zhuǎn)流場(chǎng); 湍流度

旋風(fēng)分離器是一種利用離心力作用實(shí)現(xiàn)氣-固分離的設(shè)備。旋風(fēng)分離器內(nèi)的非軸對(duì)稱旋流流動(dòng)將引發(fā)渦核擺動(dòng)、顆粒返混,進(jìn)而導(dǎo)致分離效率下降、壓降增加等問題[1]。眾多學(xué)者研究了旋風(fēng)分離器各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)非軸對(duì)稱旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)的影響,發(fā)現(xiàn)除入口結(jié)構(gòu)參數(shù)外,排氣管的結(jié)構(gòu)參數(shù)也是重要影響因素。隨著排氣管直徑的增加,在旋風(fēng)分離器分離空間內(nèi)中心位置上行流區(qū)將產(chǎn)生向下的回流,從而引發(fā)返混[2-3],進(jìn)而影響分離效率,同時(shí)湍流度內(nèi)、外區(qū)分界面外移[4];隨著排氣管插入深度的增加,切向速度減小,且排氣管直徑較大時(shí),效率變化較為明顯[5-6]。但是,通過對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)非軸對(duì)稱強(qiáng)旋流流場(chǎng)測(cè)量來獲悉其產(chǎn)生機(jī)理,找出其抑制方法方面的研究還較少。筆者采用相位多普勒分析儀(PDA)測(cè)量不同排氣管直徑旋風(fēng)分離器內(nèi)的非軸對(duì)稱強(qiáng)旋流流場(chǎng),獲得全部流場(chǎng)基礎(chǔ)信息,并考察排氣管直徑對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)非軸對(duì)稱性的影響規(guī)律,以期為抑制旋風(fēng)分離器內(nèi)非軸對(duì)稱強(qiáng)旋流的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)量方法

旋風(fēng)分離器流場(chǎng)測(cè)量裝置由實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)組成,如圖1所示。負(fù)壓吸風(fēng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的風(fēng)量由畢托管和出口管路上的閘板閥測(cè)量和控制。測(cè)量對(duì)象為直徑150 mm、偏心距16 mm的直筒型蝸殼式旋風(fēng)分離器,排氣管直徑與旋風(fēng)分離器筒體直徑之比(dr/D,簡(jiǎn)稱排氣管直徑比)分別為0.21、0.36、0.46、0.57,入口氣速為15 m/s。在旋風(fēng)分離器各測(cè)點(diǎn)上開有測(cè)試窗,并安裝1 mm厚的光學(xué)玻璃,以減少有機(jī)玻璃筒體對(duì)光路的干擾。旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)及流場(chǎng)測(cè)量點(diǎn)布置示于圖2。測(cè)量系統(tǒng)采用丹麥Dantec公司研制的激光三維相位多普勒動(dòng)態(tài)分析儀,示蹤粒子為衛(wèi)生香煙霧。每個(gè)測(cè)點(diǎn)取3000個(gè)樣本,根據(jù)測(cè)點(diǎn)處采集到的示蹤顆粒有效樣本點(diǎn)來確定測(cè)量時(shí)限。

圖1 旋風(fēng)分離器流場(chǎng)測(cè)量裝置示意圖

圖2 旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)及流場(chǎng)測(cè)量點(diǎn)布置示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 旋風(fēng)分離器內(nèi)氣流速度非軸對(duì)稱性分析

單入口旋風(fēng)分離器內(nèi)氣流切向速度和軸向速度分布均有一定的非軸對(duì)稱性。切向速度的非軸對(duì)稱性主要體現(xiàn)在對(duì)稱軸兩側(cè)速度峰值的位置及數(shù)值的差別程度,軸向速度的非軸對(duì)稱性主要體現(xiàn)在上行流速度峰值與旋風(fēng)分離器軸線偏離程度及對(duì)稱軸兩側(cè)上下行流分界點(diǎn)位置的差別[7]。

圖3為旋風(fēng)分離器內(nèi)氣流切向速度和軸向速度非軸對(duì)稱性沿周向的分布,其中左、右半部分分別為各軸向速度和切向速度在周向4個(gè)方向上的分布。分析發(fā)現(xiàn),各旋風(fēng)分離器的流場(chǎng)分布均具有非軸對(duì)稱性,其中在排氣管入口處軸對(duì)稱性最差,這是由于不對(duì)稱的入口結(jié)構(gòu)造成旋轉(zhuǎn)中心和幾何中心的不重合,進(jìn)而使得氣流進(jìn)入環(huán)形空間后形成不對(duì)稱的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),排氣管入口附近處受環(huán)形空間非軸對(duì)稱流動(dòng)的影響最大,故非軸對(duì)稱性明顯;隨著氣流向下流動(dòng),軸對(duì)稱的圓柱型約束空間減弱了非軸對(duì)稱的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),因而流場(chǎng)的軸對(duì)稱性增強(qiáng)。對(duì)比圖3各分圖可以看出,隨著排氣管直徑的增加,各截面4個(gè)周向方向的速度曲線重合度降低,流場(chǎng)的非軸對(duì)稱性增強(qiáng);同時(shí),準(zhǔn)剛性渦范圍擴(kuò)大,旋流穩(wěn)定性降低,且從排氣管入口至旋風(fēng)分離器底端旋流衰減速度加快。

圖4和圖5分別為不同排氣管直徑比旋風(fēng)分離器內(nèi)氣流在z=-10 mm及z=-300 mm截面的切向速度和軸向速度非軸對(duì)稱性分布。由圖4可知,當(dāng)dr/D在0.21～0.46范圍,隨著排氣管直徑的減小,氣流切向速度內(nèi)、外旋流分界點(diǎn),即切向速度最大值點(diǎn)內(nèi)移,切向速度值增加,而邊壁附近的切向速度大小變化不大。但是,排氣管直徑過小會(huì)導(dǎo)致旋風(fēng)分離器內(nèi)部氣速急劇增加,分離過程中過高的氣速將加重二次夾帶,而且會(huì)使旋風(fēng)分離器壓降增大。對(duì)于dr/D=0.57的直筒型旋風(fēng)分離器,由于排氣管直徑較大,環(huán)形空間相對(duì)較小,因此在排氣管入口附近氣流切向速度值比較大;同時(shí),較大的排氣管直徑導(dǎo)致內(nèi)旋流流道面積變大,氣流因旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的能量耗損變大,所以速度衰減迅速。當(dāng)dr/D=0.46時(shí),切向速度曲線的軸對(duì)稱性最差,在z=-10 mm截面,180°的切向速度明顯大于0°的,在z=-300 mm截面切向速度曲線的偏移量最大。隨著排氣管直徑比的減小,切向速度曲線的軸對(duì)稱性變好。

圖3 旋風(fēng)分離器內(nèi)氣流的切向速度與軸向速度非軸對(duì)稱性沿周向的分布

圖4 不同排氣管直徑比旋風(fēng)分離器內(nèi)氣流的切向速度非軸對(duì)稱性分布(0°～180°)

圖5 不同排氣管直徑比旋風(fēng)分離器內(nèi)氣流的軸向速度非軸對(duì)稱性分布(0°～180°)

由圖5可知,隨著排氣管直徑的減小,氣流軸向速度上、下行流分界點(diǎn)內(nèi)移,上行流速度峰值增加。當(dāng)排氣管直徑在一定范圍內(nèi)時(shí),氣流軸向速度分布曲線呈單峰結(jié)構(gòu);當(dāng)排氣管直徑過大時(shí),在排氣管入口附近的軸線位置處,軸向速度分布曲線出現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu),形成滯留和回流現(xiàn)象。這是由于在排氣管入口中心附近,氣體強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)在該處產(chǎn)生了相對(duì)較大的負(fù)壓,從而形成逆向壓力梯度,在中心部位產(chǎn)生回流,從而造成反混,不利于分離[3]。當(dāng)dr/D為0.46和0.57時(shí),軸向速度上行流峰值偏離了中心軸線,并且在不同軸向截面的偏離方向不同。隨著排氣管直徑比的減小,上行流峰值越來越靠近軸線,分布曲線的軸對(duì)稱性增強(qiáng)。

2.2 旋風(fēng)分離器湍流度及相對(duì)湍流度分析

PDA測(cè)量可以直接得到測(cè)點(diǎn)上瞬時(shí)湍流脈動(dòng)速度的均方根值uRMS,i,可用式(1)計(jì)算。此值反映該點(diǎn)上湍流的瞬時(shí)速度偏離時(shí)均速度的程度,定義為該點(diǎn)湍流運(yùn)動(dòng)的湍流度σi,即σi=uRMS,i。氣流在空間某一點(diǎn)的湍流度σi與氣流在該點(diǎn)的時(shí)均速度ūi之比值即為氣流在該點(diǎn)的相對(duì)湍流度δi,如式(2)所示。湍流度的大小表示氣流脈動(dòng)速度的大小,而相對(duì)湍流度則表示脈動(dòng)速度占時(shí)均速度的比例。

(1)

(2)

圖6為不同排氣管直徑比旋風(fēng)分離器內(nèi)氣流切向湍流度在z=-10 mm及z=-300 mm截面沿0°～180°方向的分布。由圖6可見,氣流切向湍流度分布被其切向速度內(nèi)外雙渦結(jié)構(gòu)的分界面分為2個(gè)區(qū)域。在中心區(qū)域,切向湍流度出現(xiàn)峰值,沿徑向向外迅速減小,在r/R=0.8附近為最小值,在器壁附近出現(xiàn)突然增大的情況,說明在分離過程中,濃集在邊壁的顆粒容易被二次揚(yáng)起,從而影響分離效率;在內(nèi)旋流區(qū),切向湍流度最大值隨著排氣管直徑的增大而減小,排氣管直徑過大,旋流穩(wěn)定性變?nèi)?切向湍流度沿徑向分布紊亂。此處較高的切向湍流度加上短路流的存在,將會(huì)極大地削弱旋風(fēng)分離器分離能力,使粉塵未經(jīng)分離由排氣管逸出。

切向相對(duì)湍流度對(duì)旋風(fēng)分離器的分離性能有很大影響,氣流切向速度的脈動(dòng)將引起離心力的脈動(dòng),因此切向速度的脈動(dòng)越大,形成的離心力場(chǎng)越不穩(wěn)定,分離效果也越差[4]。圖7為不同排氣管直徑比旋風(fēng)分離器內(nèi)氣流切向相對(duì)湍流度在z=-10 mm及z=-300 mm截面沿0°～180°方向的分布。由圖7可見,切向相對(duì)湍流度沿徑向的分布曲線形態(tài)與切向湍流度的分布曲線較相似。由于軸線處氣流的切向速度極小,因此該處切向相對(duì)湍流度為無窮大。排氣管直徑比在0.21～0.46范圍時(shí),內(nèi)旋流區(qū)域的氣流切向相對(duì)湍流度相差不大,外旋流區(qū)域的氣流切向相對(duì)湍流度幾乎相同;排氣管直徑過大時(shí),切向相對(duì)湍流度沿徑向分布紊亂,說明此時(shí)氣流脈動(dòng)非常劇烈,離心力不穩(wěn)定。

圖8為不同排氣管直徑比旋風(fēng)分離器內(nèi)氣流軸向湍流度在z=-10 mm及z=-300 mm截面沿0°～180°方向的分布。圖9為不同排氣管直徑比旋風(fēng)分離器內(nèi)氣流軸向相對(duì)湍流度在z=-10 mm及z=-300 mm截面沿0°～180°的分布。由圖8、9可見,氣流軸向湍流度沿徑向分布較為平緩,僅在排氣管入口處相對(duì)旋風(fēng)分離器中、下部有較大的波動(dòng),中心區(qū)域與邊壁處稍大;排氣管直徑過大時(shí),氣流軸向湍流度沿徑向分布紊亂。與軸向湍流度相比,氣流軸向相對(duì)湍流度沿徑向的分布曲線形態(tài)差異較大,其沿徑向變化很大,在軸向速度零點(diǎn)處急劇增大,湍流脈動(dòng)非常劇烈,湍動(dòng)能消耗較大;并且,在上、下行流分界點(diǎn)附近,由于旋流的不穩(wěn)定性導(dǎo)致了交界點(diǎn)的波動(dòng),從而擴(kuò)大了脈動(dòng)范圍。

圖6 不同排氣管直徑比旋風(fēng)分離器內(nèi)氣流的切向湍流度沿0°～180°方向的分布

圖7 不同排氣管直徑比旋風(fēng)分離器內(nèi)氣流的切向相對(duì)湍流度沿0°～180°方向的分布

圖8 不同排氣管直徑比旋風(fēng)分離器內(nèi)氣流的軸向湍流度沿0°～180°方向的分布

圖9 不同排氣管直徑比旋風(fēng)分離器內(nèi)氣流的軸向相對(duì)湍流度沿0°～180°方向的分布

從以上分析可知,隨著排氣管直徑的增大,旋風(fēng)分離器內(nèi)旋流穩(wěn)定性減弱,雙旋流結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)形式中,沿幾何中心的上下扭擺造成中心處的氣流的切向湍流度和切向相對(duì)湍流度的增大,以及軸向相對(duì)湍流度在上、下流分界點(diǎn)處劇增。此種現(xiàn)象表明,整個(gè)旋流結(jié)構(gòu)都在發(fā)生著非軸對(duì)稱性的擺動(dòng),并隨著排氣管直徑的增大而加劇。

2.3 旋風(fēng)分離器旋轉(zhuǎn)中心偏離性分析

將旋風(fēng)分離器某一軸向位置上氣流旋轉(zhuǎn)中心偏離幾何結(jié)構(gòu)中心的距離(Δr)定義為氣流在該軸向位置上的偏心距,如圖10所示。圖11為不同排氣管直徑比旋風(fēng)分離器12個(gè)軸向位置的氣流旋轉(zhuǎn)中心位置。由圖11可見,排氣管直徑比越小,各測(cè)點(diǎn)的氣流旋轉(zhuǎn)中心越集中在旋風(fēng)分離器幾何中心附近。將不同軸向方向的相應(yīng)點(diǎn)連線,得到了旋風(fēng)分離器內(nèi)氣流旋轉(zhuǎn)的無量綱偏心距Δr/R的軸向分布,如圖12所示。由圖12可見,在排氣管附近及筒體底部,氣流旋轉(zhuǎn)中心嚴(yán)重偏離幾何結(jié)構(gòu)中心;隨著旋風(fēng)分離器排氣管直徑比的減小,氣流旋轉(zhuǎn)中心與幾何結(jié)構(gòu)中心不重合的現(xiàn)象大為緩解,dr/D=0.21時(shí)Δr最小,隨著dr/D的增大,Δr增大。表1為不同排氣管直徑比旋風(fēng)分離器12個(gè)測(cè)量截面的平均偏心距。由表1可見,相對(duì)于dr/D=0.21,dr/D為0.36、0.46、0.57時(shí)的平均偏心距增加。這是由于排氣管直徑過大,旋流穩(wěn)定性減弱,筒體上部氣流速度分布的非軸對(duì)稱性變強(qiáng),但是流場(chǎng)能量的迅速耗散導(dǎo)致筒體下部旋流特征基本消失,偏心現(xiàn)象不明顯,因而整體平均后的偏心距有所減小。

綜上分析可見,旋風(fēng)分離器排氣管直徑越大,器內(nèi)氣流旋轉(zhuǎn)中心連線的扭擺越劇烈,各軸向截面旋轉(zhuǎn)中心的投影越分散,非軸對(duì)稱性越顯著;在排氣管底端附近截面及筒體底端截面旋轉(zhuǎn)中心偏離幾何結(jié)構(gòu)中心嚴(yán)重,在筒體中部偏心距變化較小,非軸對(duì)稱性減弱。過大的排氣管直徑會(huì)加大旋風(fēng)分離器內(nèi)非軸對(duì)稱性,且易導(dǎo)致旋風(fēng)分離器遠(yuǎn)離入口部位旋流減弱,不利于氣-固分離。

圖10 偏心距方向示意圖

圖11 不同排氣管直徑比旋風(fēng)分離器內(nèi)12個(gè)軸向位置的氣流旋轉(zhuǎn)中心位置

圖12 不同排氣管直徑比旋風(fēng)分離器氣流旋轉(zhuǎn)中心的

表1 不同排氣管直徑比旋風(fēng)分離器12個(gè)測(cè)量截面氣流旋轉(zhuǎn)中心的平均偏心距(Er)

Table 1 The average eccentricity(Er) of airflow vortex center at 12 measured sections in cyclone separators with different vortex finder diameter

dr/DEr/mmΔEr/Er10 211 8700 362 910 5560 464 921 6310 574 181 235

3 結(jié) 論

(1)采用相位多普勒分析儀測(cè)量了4種不同排氣管直徑的直筒型旋風(fēng)分離器內(nèi)氣相流場(chǎng),得到了旋風(fēng)分離器內(nèi)部氣流速度和湍流度等流場(chǎng)分布細(xì)節(jié)。實(shí)測(cè)結(jié)果均表現(xiàn)出了旋風(fēng)分離器內(nèi)典型雙層旋流結(jié)構(gòu)(內(nèi)剛性渦和外準(zhǔn)自由渦)的基本流動(dòng)特征。

(2)隨著旋風(fēng)分離器排氣管直徑的增大,氣流切向相對(duì)湍流度沿徑向分布紊亂,旋流穩(wěn)定性變?nèi)?增加了粉塵進(jìn)入內(nèi)旋流的幾率,降低了分離效率。且排氣管直徑過大時(shí),在排氣管下方的軸線附近,氣流會(huì)出現(xiàn)軸向速度小于兩側(cè),甚至出現(xiàn)負(fù)值的雙峰式分布,造成滯留和回流現(xiàn)象,不利于旋風(fēng)分離器的氣-固分離。

(3)4種不同排氣管直徑旋風(fēng)分離器均存在氣流旋轉(zhuǎn)中心與其幾何結(jié)構(gòu)中心不重合的現(xiàn)象,隨著排氣管直徑的減小,其內(nèi)部流場(chǎng)分布的非軸對(duì)稱性明顯減弱,兩中心之間的偏心距也明顯減小。因此,在壓降升高的合理范圍內(nèi),適當(dāng)?shù)販p小排氣管直徑有利于提高旋風(fēng)分離器的分離性能。

符號(hào)說明：

dr——旋風(fēng)分離器排氣管直徑,mm;

D——旋風(fēng)分離器筒體直徑,mm;

N——測(cè)量采樣數(shù);

r——徑向位置,mm;

R——旋風(fēng)分離器筒體半徑,mm;

ū——測(cè)量樣本的時(shí)均速度,m/s;

u——測(cè)量樣本的瞬時(shí)速度,m/s;

u′——測(cè)量樣本的脈動(dòng)速度,m/s;

vt,vz——分別為切向、軸向的測(cè)量速度,m/s;

vin——入口氣速,m/s;

uRMS——湍流脈動(dòng)速度的均方根值,m/s;

Δx,Δy——旋轉(zhuǎn)中心在x、y坐標(biāo)上離原點(diǎn)的距離,mm;

Δr——某一軸向位置上旋轉(zhuǎn)中心偏離幾何結(jié)構(gòu)中心的距離,mm;

z——軸向坐標(biāo),mm;

σ,σt,σz——分別為湍流度和切向、軸向湍流度,m/s;

δ,δt,δz——分別為相對(duì)湍流度和切向、軸向相對(duì)湍流度;

i——測(cè)量樣本點(diǎn);

Er——12個(gè)測(cè)量截面的平均偏心距,mm;Er=[Δr1+Δr2+……+Δr12]/12

Er1——排氣管直徑比為0.21時(shí)流場(chǎng)的平均偏心距,mm;

ΔEr——偏心距增量,mm;ΔEr=Er-Er1

ΔEr/Er1——偏心距相對(duì)增量。

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Effect of Vortex Finder Diameter on Non-axisymmetric Rotating Flow Field in Cyclone Separator

MENG Wen1，2, WANG Jiangyun1, MAO Yu1, ZHANG Guo1, WANG Juan1

(1.StateKeyLaboratoryofHeavyOilProcessing,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China;2.COOEC-ENPALEngineeringCo.,Ltd.,Qingdao266101)

The non-axisymmetric rotating flow field in cyclones with four different vortex finder diameters was studied by phase doppler analyzer. The results showed that the measured tangential velocity, axial velocity and turbulent intensity distributions were in agreement with the typical cyclone flow field distribution. The asymmetry of the internal flow field was obviously weakened as the vortex finder diameter decreased, meanwhile, the eccentric distance between the vortex centre and the geometric centre reduced, which is in favor of improving the collection efficiency and reducing the frictional resistance induced by vortex core oscillating. Therefore, setting vortex finder diameter reasonably is one effective method to restrain the non-axisymmetric rotating flow in the single inlet cyclone separator and to improve the performance of the cyclone separator.

cyclone separator; phase doppleranalyzer; vortex finder; non-axisymmetric rotating flow field; turbulent intensity

2014-07-07

國(guó)家自然科學(xué)基金 (21106181)、中國(guó)石油大學(xué)(北京)科研基金項(xiàng)目(KYJJ2012-03-15)資助

孟文，女，碩士，從事多相流動(dòng)與分離過程的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究；E-mail：mengwen2@cnooc.com.cn

王江云，男，助理研究員，博士，從事多相流動(dòng)與分離、腐蝕及燃燒過程的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究；Tel： 010-89733293； E-mail：wangjy@cup.edu.cn

1001-8719(2015)06-1309-08

TE624

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2015.06.009