田秀山，張宏偉

（浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，杭州 310013）

旋風(fēng)分離器內(nèi)流場(chǎng)特征的數(shù)值模擬

田秀山，張宏偉

（浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，杭州 310013）

為了優(yōu)化旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)和操作條件，采用數(shù)值方法分析了旋風(fēng)分離器進(jìn)口速度變化對(duì)其內(nèi)流場(chǎng)特征的影響。計(jì)算模型為直段直徑300 mm的旋風(fēng)分離器，常溫常壓下進(jìn)口空氣速度范圍為15～30 m/s，模擬結(jié)果與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)吻合良好。分析可知分離器壓降主要由排氣管口、排氣管內(nèi)和排塵管口等部位的高湍動(dòng)能損失組成。一定軸向距離上，不同進(jìn)口速度時(shí)的切向速度分布和軸向速度分布分別具有相似性特征。切向速度最大值和最小值的徑向位置在r≈0.6R1和r≈0處。軸向速度兩種分布形態(tài)的過渡發(fā)生在軸向距離Z≈-500 mm處。進(jìn)入分離器氣體的運(yùn)動(dòng)軌跡和停留時(shí)間與氣體在進(jìn)氣管的進(jìn)入位置和氣體速度相關(guān)?；谏鲜鲅芯拷Y(jié)果，可對(duì)旋風(fēng)分離器進(jìn)行定性或定量的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并為分析旋風(fēng)分離器多相流的流場(chǎng)特征和分離特征奠定了基礎(chǔ)。

旋風(fēng)分離器；壓降；速度分布；流線；數(shù)值模擬

0 引言

在眾多多相分離設(shè)備中，旋風(fēng)分離器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、操作方便和分離效率高等諸多優(yōu)勢(shì)。因此該設(shè)備在化工[1]、電力[2-4]、環(huán)保[5]等領(lǐng)域的氣-?；旌衔锓蛛x中被廣泛應(yīng)用。

旋風(fēng)分離器雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其內(nèi)部流場(chǎng)卻具有強(qiáng)旋流動(dòng)、多相混合、高度湍動(dòng)的復(fù)雜特性，其流場(chǎng)特征、壓降特性和分離效率不僅受操作條件的影響，而且與分離器結(jié)構(gòu)尺寸緊密相關(guān)，因此較多研究者對(duì)該設(shè)備進(jìn)行了研究。Kaya等[6]、曹晴云等[7]和陳雪莉等[8]對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)速度分布特征進(jìn)行了研究。Karagoz等[9]、Hoffmann等[10]和王德耕[11]對(duì)分離器內(nèi)局部和整體的壓降特征進(jìn)行了分析。Zhao等[12]、李丹等[13]及吳小林等[14]分析了分離器內(nèi)的多相分離特征。

旋風(fēng)分離器是多相分離設(shè)備，但其宏觀流場(chǎng)特征主要由作為連續(xù)相的氣體決定，加載液滴或顆粒離散相后，流場(chǎng)會(huì)受到一定程度的影響，但整體形態(tài)不會(huì)發(fā)生本質(zhì)變化。在此以空氣作為連續(xù)相介質(zhì)，對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)的壓降特點(diǎn)、速度分布及流線特征進(jìn)行了數(shù)值分析。

1 計(jì)算模型及驗(yàn)證

1.1 計(jì)算模型

數(shù)值計(jì)算的旋風(fēng)分離器為切向進(jìn)氣管結(jié)構(gòu)，排氣管插入深度L1和進(jìn)氣管高度b相等，以排氣管入口中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，分離器結(jié)構(gòu)尺寸的標(biāo)示和數(shù)值如圖1及表1所示。

圖1 旋風(fēng)分離器幾何結(jié)構(gòu)

旋風(fēng)分離器內(nèi)的三維強(qiáng)旋流場(chǎng)，具有很強(qiáng)的各向異性。王海剛等[15]研究發(fā)現(xiàn)反映湍流各向異性的RSM（雷諾應(yīng)力模型）在旋風(fēng)分離器流場(chǎng)模擬時(shí)具有較好的效果，因此本次研究選擇RSM作為湍流模型。采用有限體積法（finitevolumemethod）對(duì)控制方程進(jìn)行離散，壓力梯度項(xiàng)采用PRESTO進(jìn)行處理，各方程對(duì)流項(xiàng)均采用QUICK差分格式，壓力-速度耦合計(jì)算采用PISO模型，時(shí)間離散采用二階隱式法（second order implicit）。

流體介質(zhì)為空氣，常溫常壓，進(jìn)口氣速ui=15～30 m/s。氣相進(jìn)口邊界條件為速度進(jìn)口（velocityinlet）， 排氣管出口為壓力出口（pressure-outlet），其他皆為無滑移壁面條件（wall）。共劃分156 936個(gè)六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并在速度梯度較大處進(jìn)行網(wǎng)格加密，最小網(wǎng)格尺寸約1.6 mm，如圖2所示。

圖2 旋風(fēng)分離器計(jì)算網(wǎng)格，右圖為Z=84 mm截面

1.2 模型驗(yàn)證

為檢驗(yàn)計(jì)算模型的可靠性，將模擬結(jié)果與魏耀東等[16]的研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示。在截取的2個(gè)軸向距離上，以R2=D2/2和進(jìn)口速度將徑向位置r和速度量綱1化，由圖3可知量綱1切向速度ut和軸向速度ua的模擬數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)均吻合良好，表明所采用的計(jì)算模型可較好地預(yù)測(cè)旋風(fēng)分離器內(nèi)流場(chǎng)，有較好的可靠性。

2 結(jié)果與討論

2.1 壓降特征

由于流場(chǎng)的強(qiáng)旋流特性，對(duì)旋風(fēng)分離器局部和全局的壓降測(cè)量存在較大難度[10]。旋風(fēng)分離器的壓降由局部損失和摩擦損失組成[10，17，18]，局部損失包括入口的膨脹損失ΔP1，排氣管與排塵管入口的收縮損失ΔP2，摩擦損失包括由氣流與器壁之間的摩擦造成的旋流損失ΔP3，排氣管內(nèi)的氣相動(dòng)能耗散損失ΔP4。流場(chǎng)的湍動(dòng)能分布可以間接地表示能量損失的大小，亦即壓降大小。圖4為旋風(fēng)分離器內(nèi)湍動(dòng)能流場(chǎng)的分布，可知進(jìn)氣管內(nèi)因流動(dòng)空間的突然膨脹而造成的湍動(dòng)能變化很小，僅在分離器器壁表面因摩擦而產(chǎn)生較為明顯的湍動(dòng)能分布；而分離器內(nèi)部，在突縮的排氣管入口、排氣管內(nèi)部和漸縮的排塵管入口湍動(dòng)能均較大，且遠(yuǎn)大于進(jìn)氣管的湍動(dòng)能；并且分離器筒體直段和錐段的湍動(dòng)能也大于進(jìn)氣管中的湍動(dòng)能。因此在上述4項(xiàng)壓降分量中，入口膨脹壓降最小，相比其他壓降可忽略，Hoffmann等[10]也得出了相似的結(jié)論。

表1 旋風(fēng)分離器尺寸

圖3 旋風(fēng)分離器內(nèi)速度計(jì)算值與文獻(xiàn)值的對(duì)比，ui=20 m/s

圖4 旋風(fēng)分離器內(nèi)部湍動(dòng)能分布，ui=25 m/s

2.2 速度特征

旋風(fēng)分離器除進(jìn)氣管處外，整體呈軸對(duì)稱的結(jié)構(gòu)特征，流體發(fā)生旋流運(yùn)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)多相分離的過程主要在軸對(duì)稱筒體中完成。因此分析軸對(duì)稱筒體中流場(chǎng)就具有重要意義。由于分離器內(nèi)存在中心區(qū)域的上升流動(dòng)和邊壁區(qū)域的下降流動(dòng)，因此以排氣管邊壁的延伸線來初步劃分不同流動(dòng)的2個(gè)區(qū)域，即圖5中虛線，其中水平線為不同軸向距離截面。

圖5 旋風(fēng)分離器軸向截面示意

分離器內(nèi)多相分離的動(dòng)力來自不同相之間的離心力差異，即切向速度ut的特征。圖6為不同入口速度ui時(shí)，不同軸向距離上ut的分布，可知同一軸向距離上，不同ui時(shí)的ut分布呈高度相似性，整體上為“M”形的分布形態(tài)。從分離器邊壁到r≈0，ut先單調(diào)遞增后單調(diào)遞減，且當(dāng)不同軸向距離和不同ui時(shí)，切向速度最大值utmax和最小值utmin的徑向位置近似相等，Iozia等[19]也得到了相似的結(jié)論，此處數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如圖7。因此在徑向位置r≈0.6R1處達(dá)到最大值utmax，在r≈0處達(dá)到最小值utmin，即ut的最大值和最小值均落在排氣管延伸區(qū)域內(nèi)。由圖6可知，不同ui時(shí)，（ut/ui）max之間差別較大，而（ut/ui）min則差別很小。同一徑向和軸向位置處，ut/ui的大小與ui呈反相關(guān)關(guān)系，而以相似結(jié)構(gòu)的旋風(fēng)分離器為研究對(duì)象時(shí)，文獻(xiàn)[8，20]數(shù)據(jù)顯示ui對(duì)ut/ui的影響很小，文獻(xiàn)[16]顯示ui與ut/ui呈正相關(guān)關(guān)系，因此有關(guān)ui與ut/ui相互關(guān)系的確定還需開展進(jìn)一步的工作。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，相同ui時(shí)，除排塵管外，隨著軸向距離的增大，utmax緩慢減小，而utmin則呈明顯減小趨勢(shì)；不同 ui時(shí)， （ut/ui）max間差異明顯， 而（ut/ui）min差別較小，如圖6及圖8所示。

圖6 不同軸向距離上ut分布

圖7 不同軸向距離上utmax的徑向位置

圖8 utmax及uimin隨軸向距離的變化特征

圖9 不同軸向距離上ua分布

軸向速度ua是反映分離器內(nèi)流體停留時(shí)間的重要參數(shù)之一。圖9為不同入口速度ui時(shí)，不同軸向距離上ua的分布?？芍惠S向距離上，ua分布形態(tài)具有相似性，但uamax大小與ui無明顯相關(guān)性。從分離器邊壁到r≈0，當(dāng)軸向距離較小時(shí)，ua先緩慢變化后在排氣管延伸區(qū)域單調(diào)增大并在r≈0處達(dá)到最大值uamax，ua分布形成類似倒“V”的形態(tài)；而當(dāng)軸向距離較大時(shí)，ua先緩慢變化，然后在排氣管延伸區(qū)域先增大后減小并形成“M”形的分布形態(tài)，文獻(xiàn)[16，21]中也出現(xiàn)了類似的分布形態(tài)，高翠芝等[22]研究發(fā)現(xiàn)ua分布形態(tài)與排氣管直徑有關(guān)。從倒“V”形向“M”形的轉(zhuǎn)變發(fā)生在軸向距離Z≈-500 mm處。

2.3 流線特征

進(jìn)氣管入口為（a×b）的長(zhǎng)方形，將入口劃分為（5×21）的均勻方格，每個(gè)方格可視作一個(gè)入口點(diǎn)，入口點(diǎn)流線按顏色區(qū)分，從白色到黑色漸變，如圖10所示，故不同入口位置的坐標(biāo)（X，Y， Z）可定義為（Xa， Yconst， Zb）， 其中-199≤Xa≤-115， Yconst=-400， 0≤Zb≤176，單位為 mm。

入口速度ui不同時(shí)，旋風(fēng)分離器內(nèi)流場(chǎng)存在明顯差異，見圖11。當(dāng)速度較小時(shí)，從進(jìn)氣管較小處進(jìn)入的氣流更易形成較大的徑向和軸向位移，隨著進(jìn)口氣速的增大，從進(jìn)氣管較大處進(jìn)入的氣流逐漸形成較大的徑向和軸向位移。

圖10 進(jìn)氣管流線區(qū)分

為了進(jìn)一步分析不同入口位置進(jìn)入氣體的流動(dòng)特征，現(xiàn)取從第15行（50.28lt;Zblt;58.67）進(jìn)入分離器的氣體進(jìn)行流線分析，如圖12所示?？芍S著ui的增大，較小處進(jìn)入的氣體流線的軸向和徑向位移逐漸減小，而較大處進(jìn)入的氣體流線的軸向和徑向位移逐漸增大，即不同徑向位置處進(jìn)入的氣體運(yùn)動(dòng)軌跡隨著入口氣速的增大發(fā)生了轉(zhuǎn)換，并且于較大處進(jìn)入的氣體流線的徑向位移也較于較小處進(jìn)入的流體徑向位移更大。

圖11 ui不同時(shí)的流場(chǎng)特征

多相流體在旋風(fēng)分離器內(nèi)的分離效率與停留時(shí)間正相關(guān)，流體運(yùn)動(dòng)的軸向位移間接表示了停留時(shí)間。由上述分析可知，在入口軸向距離Zb一定時(shí)，不同徑向距離處進(jìn)入的流體停留時(shí)間與入口速度相關(guān)，ui較小時(shí)，較小處進(jìn)入的流體停留時(shí)間較長(zhǎng)，而ui較大時(shí)，較大處進(jìn)入的流體停留時(shí)間較長(zhǎng)；隨著入口軸向距離的增大（Zb減?。?，流體逐漸從短路流發(fā)展到較大的軸向位移，即停留時(shí)間逐漸延長(zhǎng)。

圖12 ui不同時(shí)的流線特征

圖13 入口位置不同時(shí)的流線特征，ui=30 m/s

3 結(jié)論

（1）旋風(fēng)分離器的總壓降主要由突縮的排氣管入口和排氣管內(nèi)部，以及漸縮的排塵管入口的壓降組成。

（2）不同進(jìn)口氣速時(shí)，分離器內(nèi)同一軸向距離上的切向速度和軸向速度分布分別具有相似性。進(jìn)口氣速一定時(shí)，切向速度最大值和最小值隨軸向距離的增大而減小，且前者減小趨勢(shì)更緩慢。

（3）不同進(jìn)口速度時(shí)，一定軸向距離上的切向速度整體上呈“M”形分布，且切向速度最大值和最小值的徑向位置在r≈0.6R1和r≈0處；當(dāng)軸向距離較小時(shí)，軸向速度分布類似倒“V”的形態(tài)，在r≈0處達(dá)到軸向速度最大值；而當(dāng)軸向距離較大時(shí)，軸向速度先增大后減小并形成“M”形的分布形態(tài)，軸向速度從倒“V”形向“M”形的過渡發(fā)生在軸向距離Z≈-500 mm處。

旋風(fēng)分離器是常見的氣-液（固）分離設(shè)備，充分掌握內(nèi)部流場(chǎng)特征，有助于進(jìn)行分離器結(jié)構(gòu)和操作條件的優(yōu)化，后續(xù)將在以上研究結(jié)果的基礎(chǔ)上分析加載固體顆粒（液滴）后的流場(chǎng)特征、分離特征。

[1]趙偉，陸海峰，郭曉鐳，等.CPFD在細(xì)顆粒料倉下料中的應(yīng)用[J].化工學(xué)報(bào)，2015，66（2）∶513-521.

[2]王華軍.超高壓中問再熱循環(huán)化床鍋爐簡(jiǎn)介及試運(yùn)故障分析[J].浙江電力，2004，23（5）∶36-38.

[3]趙剛，柴錫強(qiáng).600 MW燃煤鍋爐汽包帶水問題分析及處理[J].浙江電力，2000，19（6）∶5-8.

[4]田玉柱，劉偉.燃?xì)鈾C(jī)組高壓汽包水位測(cè)量波動(dòng)解決方案[J].浙江電力，2009，28（增刊）∶23-24.

[5]彭園園，宋健斐，朱廷鈺，等.大型煙氣脫硫塔配置旋風(fēng)分離器的流場(chǎng)模擬[J].化學(xué)工程，2010，38（1）∶38-41.

[6]F KAYA，I KARAGOZ.Performance Analysis of Numerical Schemes in Highly Swirling Turbulent Flows in Cyclones[J].Current Science，2008，94（10）∶1073-1078.

[7]曹晴云，姬廣勤，金有海，等.不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下旋風(fēng)分離器氣相流場(chǎng)的數(shù)值研究[J].流體機(jī)械，2008，36（6）∶34-38.

[8]陳雪莉，周增順，呂術(shù)森，等.新型旋風(fēng)分離器氣相流場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)研究[J].化學(xué)工程，2005，33（2）∶30-34.

[9]IRFANKARAGOZ，ATAKANAVCI.Modellingofthe pressure drop in tangential inlet cyclone separators[J].Aerosol Science and Technology，2005，39（9）∶857-865.

[10]HOFFMANN A C，SANTEN A V，ALLEN R W K，et al.Effects of geometry and solid loading on the performance of gas cyclones[J].Powder Technology，1992（70）∶83-91.

[11]王德耕.旋風(fēng)分離器速度分布指數(shù)及壓降計(jì)算通用模型[J].化學(xué)工程，1998，26（1）∶44-47.

[12]ZHZO B，SU Y.Simulation of gas flow pattern and separa tion efficiency in cyclone with conventional single and spiral double inlet configuration[J].Chemical Engineering Research and Design，2006（84）∶1158-1163.

[13]李丹，馬貴陽，杜明俊，等.基于離散相模型的旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值研究[J].流體機(jī)械，2011，39（9）∶21-25.

[14]吳小林，熊至宜，姬忠禮.天然氣凈化用旋風(fēng)分離器氣液分離性能[J].化工學(xué)報(bào)，2010，61（9）∶2430-2436.

[15]王海剛，劉石.不同湍流模型在旋風(fēng)分離器三維數(shù)值模擬中的應(yīng)用和比較[J].熱能動(dòng)力工程，2003，18（4）∶337-342.

[16]魏耀東，宋健斐，陳建義，等.旋風(fēng)分離器內(nèi)氣相流場(chǎng)的相似?；治觯?）流動(dòng)參數(shù)[J].化工學(xué)報(bào)，2010，61（9）∶2265-2273.

[17]CHEN J，SHI M.A Universal Model to Calculate Cyclone Pressure Drop[J].Powder Technology，2007（171）∶184-191.

[18]熊至宜，吳小林，楊云蘭，等.高壓下多管旋風(fēng)分離器壓降模型[J].化工學(xué)報(bào)，2010，61（9）∶2424-2429.

[19]IOZIA D L，LEITH D.Effect of cyclone dimensions on gas flow pattern and collection efficiency[J].Aerosol Science and Technology，1989，10（3）∶491-500.

[20]陳啟東，左志全.不同側(cè)向入口旋風(fēng)分離器流場(chǎng)數(shù)值分析[J].中國工程科學(xué)，2014，16（2）∶58-67.

[21]萬古軍，魏耀東，時(shí)銘顯.高溫條件下旋風(fēng)分離器內(nèi)氣相流場(chǎng)的數(shù)值模擬[J].過程工程學(xué)報(bào)，2007，7（5）∶871-876.

[22]高翠芝，孫國剛，董瑞倩.排氣管對(duì)旋風(fēng)分離器軸向速度分布形態(tài)影響的數(shù)值模擬[J].化工學(xué)報(bào)，2010，61（9）∶2409-2416.

2017-09-22

田秀山（1985），男，工程師，從事煤炭清潔利用方面的研究工作。

（本文編輯：陸 瑩）

Numerical Simulation on Flow Field Characteristics in Cyclone Separators

TIAN Xiushan，ZHANG Hongwei
（Zhejiang Energy Group Ramp;D Co.， Ltd.， Hangzhou 310003， China）

In order to optimize the structure and operating condition of cyclone separators，the effect of inlet gas velocity on the flow field characteristics in cyclone separators was investigated by numerical simulation.The diameter of the modeling cyclone is 300 mm，and the inlet gas velocity range is 15～30 m/s under normal temperature and pressure.The simulation result is in consistency with file data.The analysis shows that overall pressure drop is mainly attributed to the high turbulent flow in the gas exhaust pipe outlet，gas exhaust pipe and dust exhaust pipe.Tangential velocity and axial velocity in cyclone for different inlet velocities have similar characteristics at constant axial distance.The radial positions of the maximum and the minimum tangential velocity lie at r≈0.6R1and r≈0.The transition point of different distribution shape for axial velocities lies at Z≈-500 mm.The trajectory and residence time of gas is related to the inlet velocity and the inlet position.Based on the above results，the cyclone can be optimized and designed qualitatively and quantitatively,which pave the way for flow field characteristics and separation characteristics analysis on multiphase flow of cyclone separator.

cyclone separators； pressure drop； velocity distribution； flow line； numerical simulation

10.19585/j.zjdl.201711004

1007-1881（2017）11-0023-07

TM621

A