孔祥功 梁家豪 孔祥領 劉美麗

(1. 北京石油化工學院機械工程學院；2. 中國石油技術開發(fā)公司)

導流板對旋風分離器內非軸對稱流動的影響*

孔祥功**1梁家豪1孔祥領2劉美麗1

(1. 北京石油化工學院機械工程學院；2. 中國石油技術開發(fā)公司)

采用雷諾應力模型(Reynolds Stress Model，RSM)對環(huán)形空間設有導流板的旋風分離器內的氣相流場進行模擬研究，分別考察了導流板徑向、周向位置和導流板半徑、數(shù)目對旋風分離器內氣相流動的影響。結果表明：導流板半徑和導流板數(shù)目對氣相流動的影響最大；導流板數(shù)目為2時，可有效抑制非軸對稱流動，但導流板數(shù)目進一步增多會使流場的軸對稱性變差；導流板半徑越大，流場的軸對稱性越好；外旋流區(qū)的切向速度越大，越有利于提高分離器的性能。

旋風分離器 導流板結構參數(shù) 數(shù)值模擬 非軸對稱流動

旋風分離器是一種廣泛用于動力、化工及煉油等行業(yè)的顆粒除塵設備，它具有結構簡單、操作維護方便、分離效率高及耐高溫、高壓等優(yōu)點[1]。正是由于旋風分離器的普遍應用，國內外學者對其進行了大量研究，在考察結構尺寸和結構形式對分離效率和阻力影響的基礎上提出了各種結構改進措施和尺寸優(yōu)化方案[2～7]。隨著對旋風分離器結構研究的不斷深入，由單入口引起的流場不對稱及偏心氣流等問題越來越被重視[8～10]。為了克服單入口引起的非軸對稱流動對旋風分離器性能的不利影響，眾多研究者提出了雙入口的布置方案，主要包括180°對稱入口結構和單入口雙進氣道結構兩種形式。Winfield D等研究發(fā)現(xiàn)180°對稱入口能夠改善旋風分離器內流場的不對稱性，提高其分離效率[11]。但這種結構存在加工復雜及工業(yè)實用性差等缺點，因此，部分學者在保留單入口結構的基礎上進行了結構改進。其中，Zhao B T等研究了具有多個切向進口回轉通道的入口結構，實驗數(shù)據和數(shù)值模擬均發(fā)現(xiàn)該進口旋風分離器相比傳統(tǒng)切向單入口的旋風分離器具有更高的收集效率和更低的阻力損失[12～18]。王江云等對比分析了新型單入口多進道旋風分離器，研究表明該結構能削弱旋風分離器的渦核擺動，在提高分離效率的同時也大幅地降低了能耗[19]。Lim K S等通過實驗也發(fā)現(xiàn)在直管段設置分流板可以提高小顆粒的捕集效率[20]。因此，筆者所在課題組提出了一種在環(huán)形空間設置L型導流板的入口結構[21]。

研究結果表明，導流板在徑向和軸向對流體的整流作用可以抑制單入口進氣導致的非軸對稱流動，得到較對稱和穩(wěn)定的流場，大幅提高了對小顆粒的捕集效率。在此基礎上，筆者通過數(shù)值模擬考察了導流板的位置和結構參數(shù)對旋風分離器流動特性的影響，為優(yōu)化導流板結構提供依據。

1 數(shù)值模擬方法

1.1幾何模型和網格劃分

筆者選用切向進口的標準Swift型旋風分離器作為研究對象(圖1)，其結構尺寸見表1。L型導流板的結構如圖2所示，通過改變導流板的進口寬度d(7.80、9.75、11.70mm)、旋轉角θ(0、45、90、135°)、半徑R(42.900、48.750、53.625、58.500、63.375mm)和個數(shù)n(2、3、4塊)調整其徑向位置、周向位置、大小和數(shù)目。計算時取蝸殼上頂板為標高起點，豎直方向為z軸正向。采用分塊結構化網格對計算區(qū)域進行離散。劃分網格的同時考慮網格的形狀和疏密分布，盡量保證長寬比為1，以提高計算精度、加快收斂速度。標準旋風分離器和加導流板旋風分離器的網格劃分基本保持一致，經過網格無關性驗證[21]，兩種結構的網格數(shù)目均在10萬左右。旋風分離器網格劃分如圖3所示。

圖1 Swift型旋風分離器結構表1 旋風分離器幾何尺寸

mm

圖2 L型導流板的結構

圖3 旋風分離器網格劃分

1.2數(shù)學模型

針對旋風分離器內具有強烈各向異性的三維強旋轉流動，文獻[22～25]研究表明雷諾應力模型(Reynolds Stress Model，RSM)考慮了流場的各向異性，計算精度較高，故采用RSM計算旋風分離器內的氣相流場。壓力梯度項采用PRESTO方法處理，各方程對流項均采用QUICK差分格式進行離散，通過SIMPLE方法計算壓力和速度的耦合。

采用常溫、常壓空氣作為氣體介質，根據旋風分離器的工作原理和流場特點，氣相進口設為速度進口邊界，給定入口速度為15m/s；排氣管出口假設為充分發(fā)展的流動，設為壓力出口邊界，給定大氣壓力；其余邊界設置為固壁，采用無滑移固體壁面條件，通過標準壁面函數(shù)法求解固壁附近的湍流特性參數(shù)。

2 導流板對氣相流場的影響

圖4為加入導流板前后旋風分離器典型截面上的速度分布。從圖4a可明顯看出，常規(guī)旋風分離器的流場具有很大的非軸對稱性，且在筒體空間、錐體部分、排氣管和排塵管區(qū)域內的特點各不相同，使旋風分離器中心低速區(qū)沿軸向發(fā)生扭曲，從而誘發(fā)渦核擺動，這與文獻[26～30]中的報導一致；加入導流板后，旋風分離器內氣相流場的非軸對稱特性大幅改善，從排塵管到排氣管的整個軸向位置上速度不再擺動，流場的對稱軸與旋風分離器的中心線基本重合(圖4b)。因此，設置導流板極大地改善了分離器內的非軸對稱旋轉流動，使流場的旋轉中心和分離器的幾何中心保持一致，從而抑制由非軸對稱流動引起的渦核擺動和顆粒返混。另外，從速度分布可以看出，設置導流板后旋風分離器分離空間內切向速度增大，這都將有利于提高小顆粒的捕集效率。

圖4 加入導流板前后旋風分離器內的速度分布

2.1導流板徑向位置對氣相流場的影響

圖5、6是保持其他參數(shù)不變，只改變導流板徑向位置(進口寬度d)時，旋風分離器典型截面上的切向速度和壓力的分布。其中，r為旋風分離器的徑向位置，z=-0.2m截面處于旋風分離器的筒體區(qū)域，z=-0.4m截面處于旋風分離器的錐體區(qū)域，而z=-0.6m截面在旋風分離器的排塵口附近。

圖5 導流板徑向位置對切向速度分布的影響

圖6 導流板徑向位置對靜壓分布的影響

從圖5來看，導流板徑向位置不同時旋風分離器內的切向速度都呈典型的雙渦分布，并且保持了較好的軸對稱性。盡管當導流板進口寬度d為7.80、11.70mm時，筒內和錐體部位切向速度的對稱軸與旋風分離器的幾何軸線有些偏離，但偏離程度非常小；導流板進口寬度d為9.75mm時，對單進口旋風分離器內非軸對稱旋轉流動的抑制作用最強，各軸向高度位置處旋轉中心均與幾何中心一致。另外，隨著進口寬度d的增大，外旋流區(qū)域內的切向速度逐漸減小。從圖6可以看出，導流板徑向位置不同時旋風分離器內的靜壓整體也呈軸對稱分布。與速度分布相對應，當導流板進口寬度d為7.80、11.70mm時，z=-0.2m和z=-0.6m處的壓力中心與旋風分離器的幾何中心發(fā)生偏離。

2.2導流板周向位置對氣相流場的影響

圖7、8是保持其他參數(shù)不變，只改變導流板周向位置(旋轉角θ)時，旋風分離器內的切向速度分布和靜壓分布。從圖中切向速度和靜壓的對比情況可以看出，改變導流板的周向位置，對分離器內整體流場影響不大，只是θ=0°時，外旋流區(qū)域的切向速度略高。

圖7 導流板周向位置對切向速度分布的影響

圖8 導流板周向位置對靜壓分布的影響

2.3導流板半徑對氣相流場的影響

圖9、10是保持其他參數(shù)不變，只改變導流板半徑時，旋風分離器內的切向速度和靜壓分布?？梢钥闯?，導流板半徑不同時，旋風分離器內的流場分布形態(tài)基本一致，均以幾何軸為對稱中心呈較好的雙渦旋流分布。但隨著導流板半徑的增大，環(huán)形空間內的過流面積減小，使流動速度逐漸增大，旋轉強度增大，所以外旋流區(qū)域的切向速度隨著導流板半徑的增大逐漸增大，內部剛性渦的影響范圍也略微增大(圖9)。旋轉強度增強會引起徑向壓力梯度增大，導致旋風分離器內的靜壓分布如圖10所示，即隨著導流板半徑的增大，周圍壁面處的壓力逐漸增大而中心位置處壓力逐漸減小，徑向壓力梯度升高。另外，通過不同軸向位置處切向速度的對比發(fā)現(xiàn)，當導流板半徑R為48.750、53.625mm時，在旋風分離器筒體的局部位置會發(fā)生速度偏移，出現(xiàn)負半軸速度大于正半軸速度或者旋轉中心偏離幾何軸的現(xiàn)象；當R為58.500、63.375mm時，旋風分離器不同軸向高度位置處的流場均呈現(xiàn)很好的對稱性。

圖9 導流板半徑對切向速度分布的影響

圖10 導流板半徑對靜壓分布的影響

2.4導流板數(shù)目對氣相流場的影響

圖11、12是保持其他參數(shù)不變，只改變導流板數(shù)目時，旋風分離器內典型截面上的切向速度和壓力分布。從圖中可以明顯看出：隨著導流板數(shù)目的增加，切向速度逐漸減小，而且錐段和灰斗內的氣旋流動越來越不穩(wěn)定，當導流板數(shù)目n為3或4時，切向速度和靜壓分布都呈現(xiàn)出明顯的非軸對稱分布。經分析，這是由于導流板數(shù)目增加后，加劇了氣流在環(huán)形空間的徑向分離和混合，減弱了旋流的穩(wěn)定性。另外，氣流的徑向分離和混合致使湍動程度增加，使湍動耗散率增大，能量耗散升高，從而使旋轉強度減弱，切向速度減小。因此，旋風分離器內的切向速度隨著導流板數(shù)目的增大而減小，并且渦核擺動現(xiàn)象隨著導流板數(shù)目的增加逐漸增強。與速度分布相對應，靜壓呈中心低邊壁高的對稱分布，并且隨著導流板數(shù)目的增多，徑向壓力梯度逐漸降低，壓力中心開始偏離旋風分離器的幾何中心。

圖11 導流板數(shù)目對切向速度分布的影響

圖12 導流板數(shù)目對靜壓分布的影響

3 結論

3.1在環(huán)形空間引入導流板可以消除普通單入口分離器內的非軸對稱流場，在旋風分離器內形成穩(wěn)定的軸對稱流場，同時增大了外旋流區(qū)域的切向速度，有利于提高旋風分離器的分離效率。

3.2在導流板的位置和結構參數(shù)中，導流板半徑和導流板數(shù)目對旋風分離器氣相流動的影響最大，導流板徑向位置的影響次之，而導流板周向位置對流場幾乎沒有影響。

3.3隨著導流板半徑的增大，外旋流區(qū)域的切向速度逐漸增大，旋轉強度增大；導流板半徑R=58.500mm和R=63.375mm時，流場的軸對稱特性最好。

3.4隨著導流板數(shù)目的增多，環(huán)形空間內氣流的徑向混合程度增強，流場的穩(wěn)定性減弱，軸對稱性越來越差；旋風分離器內的切向速度隨著導流板數(shù)目的增多逐漸減小，這都不利于旋風分離器性能的提高，因此導流板以兩塊為宜。

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ResearchonDeflectorImpactonAsymmetryFlowinCycloneSeparator

KONG Xiang-gong1,LIANG Jia-hao1,KONG Xiang-ling2,LIU Mei-li1

(1.CollegeofMechanicalEngineering,BeijingInstituteofPetrochemicalTechnology,Beijing102617,China; 2.ChinaPetroleumTechnology&DevelopmentCorporation,Beijing100028,China)

The Reynolds Stress Model (RSM) was used to simulate the gas flow field in cyclone separator equipped with deflectors; and the influences of the deflector’s radial and circumferential location, radius and numbers on the asymmetric flow were researched to show that, the deflector’s radius and number influence the gas flow much; and two deflectors in mumber can greatly restraine the asymmetric flow, but more than two deflectors equipped can lessen the restrained effect. As the deflector radius increases, the symmetry of the flow field gets better and the tangential velocity enlarged, which is conducive to improving the separator’s separation performance.

cyclone separator, deflector’s structural parameters, numerical simulation, asymmetric flow

*北京市屬高等學校人才強教深化計劃資助項目(PHR201107213)。

**孔祥功，男，1989年7月生，碩士研究生。北京市，102617。

TQ051.8

A

0254-6094(2015)02-0259-07

2014-06-06，

2015-03-10)