孔　軍

(棗莊學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 ， 山東 棗莊　277160)

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旋風(fēng)分離器分離效率數(shù)值模擬研究

孔軍

(棗莊學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 ， 山東 棗莊277160)

摘要：求解旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)分布以及揭示分離性能的影響因素具有重要意義。對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)建立數(shù)學(xué)描述，運(yùn)用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)其進(jìn)行求解，進(jìn)一步得到分離效率的影響因素。計(jì)算結(jié)果表明，固相顆粒的入口濃度愈大、速度愈大，分離效率愈高；固相顆粒粒徑愈大，分離效率愈高；分離器排氣管直徑愈小、筒體直徑愈小，分離效率愈高。

關(guān)鍵詞：旋風(fēng)分離器 ； 分離效率 ； 數(shù)值計(jì)算

旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、分離效率高，是工業(yè)中常用的氣固分離設(shè)備。揭示旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)、濃度場(chǎng)分布和分離性能的影響因素具有重要意義。旋風(fēng)分離器內(nèi)部的流動(dòng)狀況非常復(fù)雜，過(guò)去較長(zhǎng)時(shí)期，研究分離器內(nèi)部流場(chǎng)、濃度場(chǎng)和分離性能依靠理論求解和實(shí)驗(yàn)研究這兩種方法。理論求解的方法為克服數(shù)學(xué)上的困難，對(duì)流場(chǎng)作了大量簡(jiǎn)化和特定假設(shè)，這些簡(jiǎn)化和假設(shè)導(dǎo)致了求解結(jié)果與實(shí)際工況存在較大偏差[1-2]。實(shí)驗(yàn)研究因分離器流場(chǎng)的復(fù)雜性需要極高的實(shí)驗(yàn)次數(shù)和實(shí)驗(yàn)成本，且得出的結(jié)論一般具有局限性[3-4]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，運(yùn)用數(shù)值計(jì)算方法求解旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)并計(jì)算分離效率成為一種更優(yōu)異的方法。本文運(yùn)用FLUENT軟件對(duì)分離器流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值求解，進(jìn)一步得到分離效率的影響因素。

1數(shù)學(xué)模型

1.1氣固兩相流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)微分方程

將氣固兩相流場(chǎng)中的氣相看作連續(xù)介質(zhì)，固相看作離散介質(zhì)。因固相顆粒粒徑很小，濃度較低，故僅考慮顆粒所受黏滯力和重力，而在量級(jí)上更小的浮力、壓力梯度力、質(zhì)量力、Basset力、Magnus升力忽略不計(jì)。在三維柱坐標(biāo)系中，固相顆粒運(yùn)動(dòng)微分方程為[5]：

切向

(1)

徑向

(2)

軸向

(3)

式中，up、vp、wp分別為固相顆粒沿切向、徑向和軸向的速度，ρa(bǔ)、ρp分別為氣體、顆粒的密度，t為顆粒與氣流的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，dp為顆粒粒徑，g為重力加速度，r為顆粒所在位置的徑向坐標(biāo)，CD為煤粉阻力系數(shù)，按斯托克斯定律。

(4)

式中，Re為氣流流動(dòng)的雷諾數(shù)，μ為氣體的動(dòng)力黏度。

1.2邊界條件

1.2.1入口邊界

入口氣流為充分發(fā)展的湍流，入口特征速度取入口截面法向時(shí)均速度值[6]。

假定固相顆粒在進(jìn)入分離器時(shí)已具有良好的跟隨性，即固相與氣相間不存在相對(duì)速度，顆粒的初始速度等于氣體的入口速度。將入口處作為固相顆粒的面射流源來(lái)處理，假設(shè)所有固相顆粒在射入分離器時(shí)，都均勻分布于入口斷面各網(wǎng)格的幾何中心。

1.2.2壁面邊界

壁面處的氣流處在湍流的黏性底層，氣體的切向速度為零，故壁面采用無(wú)滑移邊界條件[7]，對(duì)近壁網(wǎng)格點(diǎn)用壁面函數(shù)近似處理。顆粒與壁面的碰撞看作是阻尼彈性碰撞，取碰撞恢復(fù)系數(shù)e=0.40～0.95，沿壁面位置自上向下逐漸降低。

1.2.3排塵口邊界

假設(shè)灰斗最底部為排塵口邊界，此處無(wú)氣流排出。固相顆粒在灰斗最底部端面的邊界條件為捕集邊界條件。

1.2.4排氣口邊界

排氣口處的氣流邊界條件看作管流的充分發(fā)展段，出口斷面處各變量的軸向梯度為零。固體顆粒的出口邊界條件設(shè)為逃逸邊界條件[8]。

2計(jì)算方法

本文以山東省某火電廠HG-XBY3200型細(xì)粉分離器為計(jì)算對(duì)象，按照計(jì)算流體力學(xué)的思路，應(yīng)用FLUENT軟件對(duì)上述數(shù)學(xué)描述進(jìn)行數(shù)值求解?？紤]到旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)是各向異性的強(qiáng)旋轉(zhuǎn)湍流，選用雷諾應(yīng)力模型(RSM)。運(yùn)用數(shù)值求解結(jié)果進(jìn)一步模擬旋風(fēng)分離器的分離效率。

2.1幾何結(jié)構(gòu)

該旋風(fēng)分離器筒體直徑D=3 200 mm，排氣管直徑d=1 650 mm，固相顆粒為煤粉顆粒。設(shè)計(jì)工況下，煤粉入口參數(shù)為R90=32%，R200=10%，vpi=20 m/s。

2.2網(wǎng)格劃分

根據(jù)旋風(fēng)分離器內(nèi)部的氣流結(jié)構(gòu)和顆粒濃度的分布規(guī)律，劃分網(wǎng)格時(shí)采取分區(qū)組合網(wǎng)格，將其內(nèi)部的氣固兩相流計(jì)算域劃分為3個(gè)區(qū)域，即筒體上部環(huán)形區(qū)域、筒體下部與椎體的外圍區(qū)域和筒體下部與椎體的中心區(qū)域，前兩者又稱外旋流區(qū)，后者又稱內(nèi)旋流區(qū)，如圖1所示。共劃分了144 648 個(gè)非均勻的六面體網(wǎng)格單元。

1.筒體上部環(huán)形區(qū)域　2.筒體下部與椎體的外圍區(qū)域

通過(guò)控制各個(gè)邊界上的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)分布生成非均勻網(wǎng)格：在近軸區(qū)和近壁區(qū)，速度梯度較大，網(wǎng)格分布較密集；其它區(qū)域網(wǎng)格分布較稀疏。為充分體現(xiàn)邊界特性，各個(gè)橫截面上的網(wǎng)格布局由邊界處的邊界層網(wǎng)格確定，整個(gè)計(jì)算域的網(wǎng)格布局考慮分離器的幾何形狀。

2.3差分格式和壓力插補(bǔ)格式的選取

各控制方程的對(duì)流項(xiàng)選取一階迎風(fēng)格式、二階迎風(fēng)格式和QUICK格式進(jìn)行離散，壓力梯度項(xiàng)的插補(bǔ)選取PRESTO格式，數(shù)值求解算法選取非交錯(cuò)網(wǎng)格的SIMPLEC算法。

3計(jì)算結(jié)果分析

在設(shè)計(jì)工況下，該細(xì)粉分離器的分離效率η=89.78%。利用本文的數(shù)值計(jì)算結(jié)果求得設(shè)計(jì)工況下的分離效率η=91.03%，與實(shí)際結(jié)果基本一致。這說(shuō)明計(jì)算結(jié)果可以較好地反映分離器流場(chǎng)和推測(cè)分離效率。

3.1固相顆粒入口濃度和速度對(duì)分離效率的影響

圖2為分離器整體分離效率隨著固相顆粒入口濃度和速度變化情況。由圖2可以看出，固相顆粒入口速度愈大，分離效率愈高；入口濃度愈大，分離效率愈高，且入口速度小時(shí)該趨勢(shì)更明顯。

圖2　入口濃度和速度對(duì)分離效率的影響

3.2固相顆粒粒徑對(duì)分離效率的影響

圖3為固相顆粒粒徑對(duì)分離效率的影響情況。圖3表明，固相顆粒粒徑愈大，分離效率愈高，分離效率受入口速度的影響也愈?。还滔囝w粒入口速度較大時(shí)，粒徑對(duì)分離效率的影響較弱。

圖3　固相顆粒粒徑對(duì)分離效率的影響

3.3排氣管直徑對(duì)分離效率的影響

圖4為分離效率隨固相顆粒粒徑、排氣管直徑的變化情況?？梢钥闯?，排氣管直徑愈大，分離效果愈差。這是因?yàn)榕艢夤苤睆皆龃笫沟脙?nèi)旋流半徑增大，更多的小粒徑煤粉隨內(nèi)旋流排出分離器。此外，煤粉粒徑愈大，分離效率隨排氣管直徑增大而降低的趨勢(shì)愈弱。由圖4可知，減小排氣管直徑可提高分離效率，但排氣管直徑減小到一定尺寸時(shí)，分離效率提高的程度有限。

圖4　分離效果隨顆粒粒徑、排氣管直徑的變化情況

3.4筒體直徑對(duì)分離效率的影響

圖5是分離效果隨筒體直徑、顆粒入口速度的變化情況(改變分離器筒體直徑時(shí)，部分尺寸按比例進(jìn)行縮放)。由圖5可知，分離器筒體直徑愈小，分離效果愈好。原因是筒體直徑增大后，作用在煤粉顆粒上的離心力減小。煤粉速度較高時(shí)，上述影響減弱。

圖5　分離效果隨筒體直徑、顆粒入口速度的變化情況

4結(jié)論

本文根據(jù)旋風(fēng)分離器內(nèi)部氣固兩相流場(chǎng)的微分方程，選取不同邊界條件，建立氣固兩相流場(chǎng)數(shù)學(xué)描述。并以HG-XBY3200型細(xì)粉分離器為計(jì)算對(duì)象，運(yùn)用數(shù)值計(jì)算方法，應(yīng)用FLUENT軟件對(duì)上述數(shù)學(xué)描述進(jìn)行數(shù)值求解。運(yùn)用求解結(jié)果進(jìn)一步模擬旋風(fēng)分離器的分離效率。計(jì)算結(jié)果表明，固相顆粒的入口濃度愈大、速度愈大，分離效率愈高；固相顆粒粒徑愈大，分離效率愈高；分離器排氣管直徑愈小、筒體直徑愈小，分離效率愈高。

參考文獻(xiàn)：

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化學(xué)家開(kāi)發(fā)了一種可生物降解和完全可回收的塑料

來(lái)自美國(guó)科羅拉多州立大學(xué)的研究人員使用單體γ-丁內(nèi)酯(GBL)研制出一種新型可生物降解的聚合物。這種新型塑料加熱時(shí)轉(zhuǎn)化回其初始分子狀態(tài)。這種新型的塑料將會(huì)改變?nèi)藗兪褂盟芰系姆绞剑赏耆厥?，重?fù)使用，生物降解而且沒(méi)有任何石油成分。

人們?cè)谇逑匆汉蛷?qiáng)力膠中發(fā)現(xiàn)了這種單體GBL(丁內(nèi)酯)，過(guò)去的研究表明，這種單體由于結(jié)構(gòu)過(guò)于穩(wěn)定難以用于制造塑料，但此次研究人員有了突破。

過(guò)去的研究根據(jù)測(cè)得的反應(yīng)熱力學(xué)數(shù)據(jù)表明單體GBL不能轉(zhuǎn)換成聚合物。化學(xué)教授陳友仁(音譯)和他的團(tuán)隊(duì)對(duì)以前的報(bào)告表示質(zhì)疑，并試圖把單體GBL加聚成為聚合物，并產(chǎn)生了突破。

所得到的新的聚合物稱為聚(GBL)，在溫度為220~300 ℃或420~570 ℃加熱60 min時(shí)，聚合物又會(huì)變回單體GBL。陳教授和他的團(tuán)隊(duì)決心制造可降解聚合物和塑料，以取代目前以石油為原料的塑料。

最常見(jiàn)的人造聚合物是塑料。合成聚合物如聚苯乙烯和聚乙烯很大程度上通過(guò)垃圾填埋場(chǎng)和海洋處理。 從技術(shù)上講，這些塑料封裝和瓶子上標(biāo)有“可回收”僅僅是一定程度的重復(fù)使用。然而，這些使用過(guò)的塑料回到原始狀態(tài)，并且制造出新產(chǎn)品是不可能的。

現(xiàn)在最新潮的趨勢(shì)是生產(chǎn)生物可再生和生物可降解的聚合物以及塑料。然而，在原料回收方面這只是一部分解決方案，因?yàn)榭山到饩酆衔锞筒恍枰厥铡?/p>

我們每年制造的塑料產(chǎn)品超過(guò)270 萬(wàn)t，其中約18 萬(wàn)t最終回歸到海洋中。據(jù)估計(jì)，全球每人每年消耗約200磅由人造聚合物制成的塑料產(chǎn)品。

杜蘭大學(xué)化學(xué)家斯科特·格雷森贊揚(yáng)了陳教授的研究并且描述陳教授的調(diào)查結(jié)果是在正確的方向走出了很好的一步。格雷森將這一領(lǐng)域中這種可生物降解、生物利用和循環(huán)利用聚合物的發(fā)現(xiàn)比喻為尋找圣杯的發(fā)現(xiàn)。

Study on Numerical Simulation of Separation Efficiency in Cyclone Separator

KONG Jun

(School of Mechanical and Electronic Engineering , Zaozhuang University , Zaozhuang277160 , China)

Abstract:To obtain the flow field distribution inside the cyclone separator and reveal the influencing factors of the separation performance has great significance.The mathematical description of internal flow field of cyclone separator is established, and is solved by numerical calculation method.Then the influencing factors of the separation efficiency are further got.The calculation results show that the higher inlet concentration and speed of solid phase particles is,the higher separation efficiency is.The greater the particle size is,the higher separation efficiency is.The smaller the diameter of separator exhaust pipe and cylinder,the higher separation efficiency is .

Key words:cyclone separator ; separation efficiency ; numerical model

中圖分類號(hào)：TQ050.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-3467(2016)01-0027-04

作者簡(jiǎn)介：孔軍(1960-)，男，副教授，從事流體機(jī)械及設(shè)備方面的研究工作，E-mail：491154451@qq.com。

收稿日期：2015-11-05