文海龍，李 巍，沈志恒，程新宇，徐 峰，方 堃

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

旋流分離器具有結構簡易、制造及維護費用低等特點，已成為目前工業(yè)分離、除塵設備較為常規(guī)的設備，其在工業(yè)上的應用已有百余年的歷史[1]。在旋流分離器裝置中，要求能在低顆粒濃度下高效地分離出最小顆粒，因此為了設計出性能優(yōu)良的旋流分離器，詳細了解其內部的流場分布是相當必要的。

對于湍流流場的數(shù)值研究，湍流模型的選取是關鍵?，F(xiàn)有的湍流數(shù)值模擬方法包括直接數(shù)值模擬、雷諾平均模擬和大渦數(shù)值模擬等三種方法。直接數(shù)值模擬方法需要較大的計算機內存和耗時較長的計算量，其適合于計算雷諾數(shù)較低的簡單湍流運動；雷諾平均模擬方法只能提供湍流的平均信息，其沒有普適性；大渦模擬方法在較為復雜流動模擬中可以獲得湍流流動的細微結構和流動圖像，因此該方法被廣泛認為是一種非常有前景的湍流數(shù)值模擬方法[2]。

對于旋流分離器內部流場的模擬，很多學者采用穩(wěn)態(tài)方法并認為旋流分離器有明確的進出口邊界條件，而且認為在穩(wěn)態(tài)下可以大大縮短計算時間。他們采用標準的k-ε模型，RNGk-ε模型及RSM湍流模型對旋流分離器內三維流場進行模擬研究[3-4]。有學者提出在非穩(wěn)態(tài)下進行模擬更能符合旋流。

分離器內部流場的流動情況，這是因為旋流分離器內部實際的氣流場是強旋湍流場，湍流的一個重要特征就是隨機性，即流體中的各種物理參數(shù)，如速度、壓力等都隨時間與空間發(fā)生隨機變化，即旋流分離器內部的流場是非穩(wěn)態(tài)的，只是趨向于穩(wěn)態(tài)發(fā)展，因此采用非穩(wěn)態(tài)下模擬的氣相流場與實際的氣相流場更加吻合[2]。近年來，隨著計算機處理性能的大幅度提升，在非穩(wěn)態(tài)下對旋流分離器內部強旋流湍流場進行模擬已經成為可能。為此，針對旋流分離器內三維強旋轉、且具有明顯各向異性的湍流的特點，文章在非穩(wěn)態(tài)下采用大渦數(shù)值模型(LES)對旋流分離器內的三維流場進行了模擬計算，并將模擬結果與實驗實測數(shù)據(jù)進行對比和分析。

1 大渦模型(LES)

LES方法是介于直接模擬和雷諾平均模擬法之間的一種場模擬方法。大渦模擬的基本思想是把包括脈動在內的湍流瞬時運動通過某種濾波方法分成大尺度運動和小尺度運動, 大尺度運動通過求解微分方程直接求出來，小尺度運動對大尺度運動的影響通過次網格模型來模擬[2]。

在LES方法中，通過使用濾波函數(shù)，每個變量都被分成兩部分。濾波函數(shù)處理瞬時狀態(tài)下的N-S方程和連續(xù)方程，有：

(1)

(2)

式(1)和式(2)構成了在LES方法中使用的控制方程組，式中帶有上劃線的量為濾波后的場變量，式(1)中：

(3)

式中，τij定義為亞格子尺度應力。

文章采用Smagorinsky最早提出的亞網格尺度(SGS)模型，對各流場瞬時變量在網格尺度上進行區(qū)域平均，可得到平均形式的三維N-S方程組如下：

(4)

動量守恒方程：

(5)

2 物理模型

模型是根據(jù)Giulio Solero[6]的實驗模型設立，如圖1。

圖1 蝸殼式旋流分離器幾何結構Fig.1 Geometric structure of spiral case cyclone separator

3 邊界條件和模擬參數(shù)

(1)入口邊界。取入口為常溫下的空氣，入口速度為6.5 m/s；

(2)出口邊界。設置出口邊界為Outflow。因排塵口幾乎沒有氣流流出，所以排塵口的流量權重為0, 排氣口的流量權重為1；

(3)固壁邊界。壁面為無滑移邊界條件，湍流采用壁面函數(shù)法。

模擬計算中的數(shù)值參數(shù)如表1。

表1 模擬參數(shù)Tab.1 Simulation parameters

4 計算結果及分析

切向速度和軸向速度是旋流分離器內部流場的兩個重要參數(shù)。切向速度使顆粒具有離心力而分離，而軸向速度則吹著顆粒向灰斗流動而將其捕獲。切向速度和軸向速度反映了旋流分離器內部氣流的流動特性，因此文章著重分析氣流的切向速度和軸向速度，并將模擬值與文獻[6]中的試驗數(shù)據(jù)進行對比和分析。圖2為非穩(wěn)態(tài)下對氣相流場采用采用LES模型得到的速度矢量分布。

圖2 非穩(wěn)態(tài)下的速度矢量分布Fig.2 Velocity vector distribution in unsteady state

從圖2中可以看到旋流分離器流場內部的準強制渦和外部的自由渦，且內渦與外渦的交界面很清晰。另外，氣相流場在圓筒段的對稱性比較好，而在圓錐段的對稱性則較差，并出現(xiàn)擺尾現(xiàn)象，這與許多學者的研究結果相吻合，這表明在非穩(wěn)態(tài)下采用LES模型可以很好地預測旋流分離器內部流場的流動特性。下面就在不同徑向角度及不同橫截面處的切向和軸向速度分布特點加以模擬分析。

(1)環(huán)形區(qū)域。

圖3為沿徑向10°、100°兩個方向，在z=70 mm高度處的模擬結果與實驗結果的切向速度對比圖?？梢钥闯?切向速度由外向內逐漸增大，除了壁面附近，可以認為符合準自由渦分布。切向速度在兩側壁面附近下降較大，說明壁面附近速度梯度很大，形成一個速度剪切層，從而極易形成壁面二次渦，且速度“剪切層”對具有粘附性的顆粒在排氣管外壁的沉積有重要的影響。圖3(a),切向速度值在排氣管外壁處達到最大值，同時在另一點處也存在一個極大值，而非沿半徑方向一直減小，這主要是因為在蝸殼區(qū)域內的兩股氣流相互作用的結果，一股是排氣管壁面附近上升的主氣流，另一股則是入口氣流。兩股氣流的相互作用，擾亂了主氣流的穩(wěn)定性，從而切向速度產生震蕩波動，使得速度場規(guī)律性變差。

圖3 z=70 mm截面處沿不同徑向方向的切向速度分布Fig.3 Tangential velocity distribution along different radial directions at z=70 mm

另外，比較圖3(a)、圖3(b)發(fā)現(xiàn)，切向速度分布在環(huán)形空間是非軸對稱的，在10°方位縱剖面的值明顯高于在100°方位縱剖面的值。主要是因為從0°方位縱剖面到90°方位縱剖面，蝸殼式旋流分離器的環(huán)形空間的徑向寬度逐漸縮小，促使切向速度加大；而從90°到270°，環(huán)形空間的徑向寬度不變，使得氣流向下進入分離空間造成切向速度減小。文章還采用RSM湍流模型也進行模擬計算，計算結果與LES模型模擬計算結果及實驗數(shù)據(jù)吻合較好。

(2)圓筒區(qū)域。

圖4為θ=180°-0°縱剖面上，切向速度和軸向速度在Z=330 mm高度處的LES模擬值和RSM模擬值與實驗值的對比圖。從圖4中不難看出，正如所預料的那樣，在旋流分離器的速度場中, 切向速度起著主導作用，某點處的切向速度值大于其軸向速度值，固體顆粒在切向氣流作用下作高速旋轉運動，在離心效應下被甩向分離器壁面而被分離出來。預報結果顯示切向速度為Rankine渦結構，軸對稱性較好，呈現(xiàn)典型的強旋流動特征。軸向速度預報值與實測值符合，在軸線上呈單峰形，流場分為外側下行流與內側上行流兩個區(qū)域，軸對稱性較好。

圖4 z=330 mm截面處的速度分布Fig.4 Velocity distribution at z=330 mm section

(3)圓錐區(qū)域。

圖5為θ=180°-0°縱剖面上，切向速度和軸向速度在z=700 mm高度處的LES模擬值以及RSM模擬值與實驗值的對比圖。從圖中可以看出，在錐形區(qū)域內，LES模型模擬所得結果更加接近于實驗值。這是因為在旋流分離器錐形區(qū)域內，氣流流動速度的變化較慢，需要較長的時間來對錐形區(qū)域內氣流流場進行模擬，模擬時間越長，LES的模擬結果越好，故此，LES模型更能很好地模擬出此區(qū)域內強制渦中心渦流的流動特性。

圖5 z=700 mm截面處的速度分布Fig.5 Velocity distribution at z=700 mm section

另外,圖5(a)預報值和實測值都顯示,在圓錐形區(qū)域內的下端部分，正切向速度值明顯比其他區(qū)域的要大，也就是雷諾正應力值比其他區(qū)域的要大。這是因為圓錐形區(qū)域內的下端部分即排塵口附近,外層的下行氣流在分離器底部向上折返時，流線急劇變化，一部分氣體會進入分離器底部的排塵口中，受壁面摩擦的影響，這部分氣體的流速將減小，而后又會返回分離器的錐體下端，與該處高速旋轉的內漩流混合，產生強烈的動量交換和湍流能量耗散，形成偏心環(huán)流。另外，由于內漩流的中心線和分離器的中心線并不完全重合，傾斜的內漩流下端就會呈現(xiàn)“擺尾”現(xiàn)象，周期性地掃到壁面上，形成若干個縱向的偏心環(huán)流，它會把已經聚集在壁面附近的顆粒重新夾帶到分離器內部的上行氣流中去，從而降低了分離器的分離效率，可以通過改變分離器底部結構來減小這一部分損失。

(4)排氣管區(qū)域。

圖6給出了不同計算方法得到的在排氣管區(qū)域內z=-70 mm橫截面處的切向速度(a)和軸向速度(b)分布圖?？梢钥闯?，排氣管區(qū)域內的速度分布形態(tài)仍然是中心高、邊壁附近低,而且切向速度大于軸向速度，起主導作用,說明排氣管內湍流仍然是各向異性的。RSM模擬結果和實測的速度結果存在明顯的差異，而LES模型卻能得到較好的效果。軸向速度分布與排氣管以下空間內的分布形態(tài)迥異,在旋轉流的幾何中心,軸向速度很小,但隨半徑的增大,其值急劇增大,靠近壁面處變化量減小。

圖6 z=-70 mm截面的速度分布Fig.6 Velocity distribution of z=-70 mm section

由圖6(b)可以看出,軸向速度的分布并不是沿著旋流分離器的幾何中心對稱，而是有一定的偏心距離,這表明在排氣管區(qū)域內存在一個明顯的偏離軸心的旋轉蝸核區(qū)域，同時在排氣管末端有氣流短路現(xiàn)象存在。由于角動量守恒和和截面積半徑的減小，排氣管區(qū)域中心蝸核區(qū)的角速度值ω=Wmax/rmax≈650 rad/s，這明顯高于圓環(huán)區(qū)域中心蝸核區(qū)的角速度值(ω≈400 rad/s)。角速度的陡升，促使排氣管區(qū)域內流場湍流程度增強，存在強制渦中心渦流區(qū)，致使RSM模擬結果與實驗結果有一定的偏差。

5 結束語

旋流分離器內部進行的是兩相流運動，是氣相和固體顆粒相的分離過程，而顆粒相屬于稀疏相， 固體顆粒的運動在很大程度上還是要取決于分離器內部的氣體流場，而速度場是旋流分離器內部最主要的流場。文章采用LES模型對在非穩(wěn)態(tài)下旋流分離器內的三維氣相流場的流動特性進行了模擬計算。結果表明:

(1)采用LES模型對旋流分離器模擬計算，得出的結果與實驗數(shù)據(jù)對比分析可知，LES模型可以獲得比RSM模型更多的湍流信息，尤其是細微的強制渦中心渦流運動情況的信息。因此，LES模型更能較真實準確的模擬循環(huán)旋流分離器內部湍流流場的流動特性。

(2)按照速度場的分布規(guī)律可將分離器內部的流動空間外側下行流與內側上行流兩個區(qū)域, 其分界面大致為排氣管壁面向下的延長線。在不同的流動區(qū)域中, 速度場的分布有較大的不同， 內部區(qū)域中切向速度沿徑向變化梯度比外部區(qū)域中大得多。

(3)旋流分離器內速度分布呈現(xiàn)組合渦的特點，氣相流場是雙層旋轉流, 中心區(qū)域強制渦有利于將顆粒甩向外部, 外部準自由渦區(qū)有利于顆粒在壁面附近被捕集, 內部旋流壓力分布差異導致分離器錐底出現(xiàn)返流現(xiàn)象,這與實際情況相吻合。