袁惠新 ，凌繼萬 ，2，付雙成 ，2，周發(fā)戚 ，2

（1.常州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇常州 213016；2.江蘇省綠色過程裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇常州 213164）

0 引言

顆粒分級(jí)作為目前粉體材料加工與應(yīng)用的基本技術(shù)之一，已被廣泛的應(yīng)用于礦物加工、冶金等方面［1］。旋風(fēng)分離器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造和維護(hù)成本低，操作安全和能在高溫下分離的優(yōu)點(diǎn)［2-3］，已被眾多領(lǐng)域應(yīng)用。旋風(fēng)分離器不僅可以對(duì)顆粒進(jìn)行分離，還可以對(duì)顆粒進(jìn)行分級(jí)，如在采礦、陶瓷、水泥等行業(yè)，將形狀、密度、尺寸不同的顆粒產(chǎn)品進(jìn)行分級(jí)，使其適用于使用范圍［4］。

顆粒分級(jí)有許多的影響因素，如進(jìn)氣速度、結(jié)構(gòu)、尺寸等。孫占朋等［1，4］發(fā)現(xiàn)在進(jìn)氣速度為18m/s時(shí)，分級(jí)器分級(jí)精度達(dá)到最大值且在中心區(qū)域進(jìn)料的分級(jí)精度較高。Yoshida等［5-6］在排塵口底部增加尖錐，當(dāng)錐頂為圓形且角度為70°時(shí)分級(jí)粒徑最小。Yoshida等［7］還研究了二次流注入法對(duì)亞微米顆粒分離的影響。Yuki Wakizono等［8］發(fā)現(xiàn)在上板處使用自由空氣流入旋風(fēng)分離器可以減小其分級(jí)粒徑。Yuki Wakizono等［9］還發(fā)現(xiàn)在出口管上部添加錐形環(huán)可以提高顆粒收集效率。Huang等［10］在入口處添加了整流器，發(fā)現(xiàn)其稍微增加了壓降，并減小了其分級(jí)粒徑。隨后Huang等［11-12］發(fā)現(xiàn)狹縫錐的切口增加了氣體的徑向運(yùn)動(dòng)流動(dòng)并改善夾套捕獲亞微米顆粒的能力。唐守強(qiáng)［13］發(fā)現(xiàn)隨著排氣管插入深度的增大，壓力降也隨之增大，但趨勢(shì)在逐漸平緩。谷瑞青［14］發(fā)現(xiàn)旋風(fēng)長(zhǎng)度隨著排氣管插入深度的增大而減小。王樂勤等［15］研究筒體高度變化的旋風(fēng)分離器，發(fā)現(xiàn)壓力降隨著筒體高度的增大而減??；筒體高度在一定范圍內(nèi)，分離效率與壓力降都能保持在一個(gè)理想值。Brar等［16］發(fā)現(xiàn)增大椎體長(zhǎng)度會(huì)導(dǎo)致湍流強(qiáng)度降低，增大顆粒的捕集效率。

旋風(fēng)分離器的分級(jí)性能不僅與入口形式、進(jìn)氣速度、進(jìn)氣方式、內(nèi)構(gòu)件等有關(guān)，還與旋風(fēng)分離器的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。筆者認(rèn)為，排氣管插入深度與錐角對(duì)分級(jí)的影響是不容忽視的，其根本影響的是自然旋風(fēng)長(zhǎng)。自然旋風(fēng)長(zhǎng)是在旋風(fēng)分離器設(shè)計(jì)過程中重要的參數(shù)之一，其被定義為內(nèi)部準(zhǔn)自由渦消失的位置到排氣管下底面的長(zhǎng)度［17］，但目前尚無文獻(xiàn)研究自然旋風(fēng)長(zhǎng)對(duì)分級(jí)性能的影響。本文將變化錐角與排氣管插入深度以改變自由旋風(fēng)長(zhǎng)的大小，探索其對(duì)分級(jí)性能的影響規(guī)律，為旋風(fēng)分離器分級(jí)方面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一些思路。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 模型建立

基礎(chǔ)模型采用Stairmand標(biāo)準(zhǔn)型旋風(fēng)分離器，結(jié)構(gòu)如圖1所示，具體尺寸如表1所示。模型利用ProE建模，利用ICEM CFD進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

表1 旋風(fēng)分離器研究中的通用尺寸

圖1 旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)

1.2 湍流模型與邊界條件

數(shù)值模擬采用FLUENT軟件。模擬過程采用雷諾應(yīng)力模型（RSM），采用SIMPLEC算法，壓力插補(bǔ)格式采用PRESTO！格式，各對(duì)流項(xiàng)采用QUICK差分格式。

入口處邊界條件設(shè)置為速度入口，速度大小為15 m/s，湍流強(qiáng)度根據(jù)公式計(jì)算為4.4%，當(dāng)量直徑為28.57 mm。排氣口邊界條件設(shè)置為壓力出口，當(dāng)量直徑為45 mm。其余邊界條件均設(shè)置為壁面條件。

1.3 離散項(xiàng)非穩(wěn)態(tài)模擬

模擬采用非穩(wěn)態(tài)模擬，在流場(chǎng)穩(wěn)定后加入離散項(xiàng)模型（DPM）模擬顆粒在流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)情況。顆粒以面射源的形式噴射，采用Rosin-Rammler分布，采用密度為4 950 kg/m3的顆粒，顆粒分布為0.5～4.1 μm，中位粒徑為2.24 μm，經(jīng)過計(jì)算得到分布指數(shù)為1.625。入口與排氣口離散項(xiàng)設(shè)置為逃逸（escape），其余壁面均設(shè)置為反彈（reflect），壁面反彈系數(shù)采用分段設(shè)置。

1.4 模擬可靠性驗(yàn)證

圖2，3分別示出試驗(yàn)［10］與模擬對(duì)比結(jié)果，在不同的進(jìn)氣量下，試驗(yàn)與模擬的壓力降與分割粒徑最大誤差均在20%以下，與文獻(xiàn)［10］的結(jié)果大致相同，在一定程度上說明了模擬方法的可靠性。

圖2 在不同進(jìn)氣量下的壓力降

圖3 在不同進(jìn)氣量下的分割粒徑

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 排氣管插入深度

排氣管插入深度可以直接影響旋風(fēng)分離器內(nèi)部的流場(chǎng)，并對(duì)短路流現(xiàn)象產(chǎn)生影響，是旋風(fēng)分離器的重要參數(shù)之一。

2.1.1 排氣管插入深度對(duì)湍流強(qiáng)度的影響

為研究排氣管插入深度L0對(duì)旋風(fēng)分離器分級(jí)性能的影響，本文建立了L0/D從0到2.0的一系列旋風(fēng)分離器模型，即L0從0 mm變化到200 mm。

從圖4中可以看出，隨著L0/D增大，即自然旋風(fēng)長(zhǎng)減小，旋風(fēng)分離器內(nèi)湍流強(qiáng)度逐漸變大，且隨著排氣管插入深度的增大，排氣管底部?jī)?nèi)邊壁區(qū)域湍流強(qiáng)度逐漸增大，排塵口附近區(qū)域湍流強(qiáng)度先減小后增大。內(nèi)腔湍流強(qiáng)度越大，顆粒的分散性就越好，越有利于顆粒的分級(jí)；排塵口附近區(qū)域湍流強(qiáng)度越大，沉降到壁面的粗顆粒進(jìn)入上升氣流的可能性就越大，顆粒返混越多，越不利于分級(jí)的進(jìn)行。

2.1.2 排氣管插入深度對(duì)分級(jí)性能的影響

圖5示出不同L0/D時(shí)的粒級(jí)效率曲線，通過對(duì)其進(jìn)行分析，得出如圖6示出的分級(jí)粒徑曲線以及如圖7所示的分級(jí)精度曲線。分級(jí)精度用分級(jí)銳度［18］（粒級(jí)效率為25%的粒徑與粒級(jí)效率為75%的粒徑的比值x25/ x75）來表征，分級(jí)精度越接近100%代表分級(jí)效率越高，分級(jí)效果越好。

圖4 在其他結(jié)構(gòu)尺寸一定時(shí)不同L0 /D的湍流強(qiáng)度云圖

圖5 不同L0 /D下的粒級(jí)效率

圖6 不同L0 /D下的分級(jí)粒徑

圖7 不同L0 /D下的分級(jí)精度

從圖6中可以看出，粒級(jí)效率大體上呈現(xiàn)“S”型。在L0/D=0（即排氣管無插入筒體段）時(shí)，其分級(jí)粒徑較L0/D=0.5時(shí)大，可能的原因是排氣管沒有插入筒體段，在這種情況下幾乎沒有“頂灰環(huán)”的存在，顆粒還未進(jìn)行分級(jí)時(shí)直接通過短路流進(jìn)入排氣管排出旋風(fēng)分離器，使得分級(jí)粒徑增大，分級(jí)精度降低。在L0/D=0.5以上，隨著L0/D增大，分級(jí)粒徑逐漸增大；分級(jí)精度先逐步增大，在L0/D=0.9～1.5時(shí)基本保持不變，在L0/D＞1.5后有所降低。圖8示出L0/D不同時(shí)的壓力降曲線。如圖所示，在L0/D≥0.5后，壓力降的最大波動(dòng)不超過2%，由此可見排氣管插入深度在L0/D=0.5之后對(duì)壓力降的影響很小。

圖8 不同L0 /D下的壓力降

2.2 錐角

錐角是旋風(fēng)分離器重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)之一。在L1/D與Du/D一定的情況下，錐角越大，錐段高度越小，旋風(fēng)器總體高度L就越小。

2.2.1 錐角對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)流場(chǎng)湍流強(qiáng)度的影響

為研究錐角對(duì)分級(jí)性能的影響，本文建立了一系列的旋風(fēng)分離器模型，其錐角 θ 分別為10°，13.75°，16°，17°，19°，20°，22°，26°。圖9示出柱段長(zhǎng)度與排塵口直徑一定時(shí)不同錐角的湍流強(qiáng)度云圖。湍流強(qiáng)度基本沿軸線方向?qū)ΨQ分布。錐角從10°增加到26°時(shí)，旋風(fēng)分離器內(nèi)部區(qū)域湍流強(qiáng)度也在隨之增大，顆粒分散性越來越好；但從錐角為19°開始繼續(xù)增大錐角，排塵口區(qū)域湍流強(qiáng)度較大，易導(dǎo)致顆粒返混，反而不利于分級(jí)的進(jìn)行。

圖9 L1/D與Du /D一定時(shí)不同錐角的湍流強(qiáng)度云圖

2.2.2 錐角對(duì)旋風(fēng)分離器流場(chǎng)的影響

速度場(chǎng)中對(duì)旋風(fēng)分離器起主要影響的是切向速度與軸向速度，徑向速度影響很小，故僅需要分析切向速度與軸向速度。通過對(duì)距離旋風(fēng)分離器柱段頂部100 mm處的截面進(jìn)行分析，研究錐角對(duì)流場(chǎng)的影響。圖10與11分別示出錐角對(duì)切向速度與軸向速度的影響曲線。切向速度在內(nèi)邊壁區(qū)域取得最小值，向中心方向先增大后減小，并在內(nèi)管壁附近取得最大值。錐角越大，切向速度越大。軸向速度由邊壁向中心整體呈現(xiàn)先增大再減小然后增大的趨勢(shì)，并在中心位置處取得最大值，顆粒在排氣口區(qū)域呈現(xiàn)向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，有利于顆粒的分級(jí)。

圖10 錐角對(duì)軸向速度分布的影響

2.3 錐角與溢流管插入深度對(duì)旋風(fēng)分離器分級(jí)性能的影響

為研究錐角與溢流管插入深度對(duì)分級(jí)性能的交互影響，本文建立了L0/D=0.5，0.8，1.0時(shí)不同錐角的旋風(fēng)分離器，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

圖12～14分別示出L0/D=0.5，0.8，1.0時(shí)不同錐角下壓力降、分級(jí)粒徑與分級(jí)精度的曲線。以L0/D=0.5為例，分級(jí)粒徑隨著錐角的增大總體呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)，內(nèi)部湍流強(qiáng)度越大，顆粒分散性越好，其分級(jí)粒徑越大。分級(jí)精度隨著錐角的增大先增大后減小，且在錐角為19°時(shí)分級(jí)精度最高，隨后逐漸降低。在L1/D與Du/D一定的情況下，錐角越大，總體長(zhǎng)度L就越小，顆粒在分離器內(nèi)的停留時(shí)間就越短，較大顆粒在進(jìn)入旋風(fēng)分離器后在離心力的作用下迅速被甩向壁面，較小的顆粒在未沉降到壁面時(shí)被內(nèi)旋氣流帶出排氣管，故適度增大錐角對(duì)旋風(fēng)分級(jí)的分級(jí)性能有所提高。

圖12 不同插入深度下錐角與壓力降關(guān)系曲線

圖13 不同插入深度下錐角對(duì)分級(jí)粒徑的影響曲線

圖14 不同插入深度下錐角對(duì)分級(jí)精度的影響曲線

在L0=50 mm變化到L0=100 mm時(shí)，壓力降也隨之增大，但其變化較小，變化范圍最大不超過5%，與前文中插入深度對(duì)旋風(fēng)分離器的壓力降影響不大的情況相應(yīng)。分級(jí)粒徑也隨著插入深度的增大而有所增大。分級(jí)精度隨著插入深度的增大，曲線的峰值明顯向左移動(dòng)，由L0=50 mm時(shí)錐角為19°分級(jí)精度最高變化到L0=100 mm時(shí)錐角為13.75°，分級(jí)精度最高。隨著插入深度的變大，其自然旋風(fēng)長(zhǎng)逐漸變小。錐角的變化同樣會(huì)引起自然旋風(fēng)長(zhǎng)的變化。圖15示出不同插入深度下自然旋風(fēng)長(zhǎng)l對(duì)分級(jí)粒徑的影響曲線。從圖中可以看出，自然旋風(fēng)長(zhǎng)過大與過小都會(huì)影響分級(jí)精度，對(duì)于柱段長(zhǎng)度與入口結(jié)構(gòu)不變的情況，自然旋風(fēng)長(zhǎng)在3.2D～3.5D之間分級(jí)精度較高。

圖15 不同插入深度下自然旋風(fēng)長(zhǎng)對(duì)分級(jí)精度的影響曲線

3 結(jié)論

（1）排氣管插入深度對(duì)分級(jí)粒徑和分級(jí)精度都有顯著的影響。當(dāng)L1/D=1.5時(shí)，L0/D=0.9～1.5都使分級(jí)精度處于高位，而分級(jí)粒徑基本保持不變。小的插入深度甚至沒有插入深度都對(duì)分級(jí)精度的提高不利，但大的插入深度會(huì)增大分級(jí)粒徑和壓力降。

（2）對(duì)于分級(jí)精度，錐角存在最佳值，但分級(jí)粒徑和壓力降都隨錐角的增大而增大。L0/D=0.5時(shí)錐角為19°分級(jí)精度最高；L0/D=0.8時(shí)錐角為17°分級(jí)精度最高；L0/D=1.0時(shí)錐角為13.75°分級(jí)精度最高。

（3）最佳錐角值與溢流管插入深度有關(guān)，其隨著溢流管插入深度的增大而減小。排氣管插入深度與錐角交互影響時(shí)，分級(jí)精度曲線峰值隨著排氣管插入深度增大而左移，插入深度越大，峰值處對(duì)應(yīng)的錐角越小。

（4）自然旋風(fēng)長(zhǎng)在分級(jí)精度曲線峰值處保持在一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi)。對(duì)于柱段長(zhǎng)度與入口結(jié)構(gòu)不變的情況，自然旋風(fēng)長(zhǎng)在3.2D～3.5D之間分級(jí)精度較高。