解明，孫立強(qiáng)，宋健斐，魏耀東

（1 河北石油職業(yè)技術(shù)大學(xué)，河北 承德 067000；2 中國(guó)石油大學(xué)（北京）重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249）

旋風(fēng)分離器是利用旋轉(zhuǎn)流形成的超重力離心力場(chǎng)進(jìn)行氣固分離的設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、使用便捷、維修容易等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于石油化工、環(huán)境保護(hù)、燃煤發(fā)電等工業(yè)過(guò)程中，具有獨(dú)特不可替代性。同時(shí)，旋風(fēng)分離器也是經(jīng)典的旋轉(zhuǎn)流研究的物理模型。雖然旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其內(nèi)部的氣相流場(chǎng)是一個(gè)極其復(fù)雜的三維旋轉(zhuǎn)流流場(chǎng)。由于旋風(fēng)分離器內(nèi)流場(chǎng)與氣固分離過(guò)程密切相關(guān)，國(guó)內(nèi)外研究人員采用實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬等手段對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)開(kāi)展了大量研究。但以往的研究大多集中在旋風(fēng)分離器的時(shí)均流場(chǎng)上，受限于測(cè)量方法和表征手段，動(dòng)態(tài)流場(chǎng)特性的分析還不夠完善。隨著工業(yè)發(fā)展的需要，對(duì)氣固分離的精度要求越來(lái)越嚴(yán)格，尤其是粒徑5μm以下顆粒的分離，對(duì)旋風(fēng)分離器分離性能提出了更高的要求。而旋風(fēng)分離器動(dòng)態(tài)流場(chǎng)是影響細(xì)小顆粒分離的主要影響因素：一方面直接影響顆粒的擴(kuò)散，另一方面增加氣流的湍流強(qiáng)度，從而影響氣固分離性能。因此要使旋風(fēng)分離器的分離效率得到進(jìn)一步提高，除了旋轉(zhuǎn)流的時(shí)均流場(chǎng)特性外，還需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)流場(chǎng)特性的研究，完整和深入地認(rèn)識(shí)其流場(chǎng)特性及規(guī)律。為此國(guó)內(nèi)外的研究人員分別采用激光多普勒測(cè)速儀（laser Doppler velocimetry,LDV）、熱線(xiàn)風(fēng)速儀（hot wire anemometry，HWA）、粒子圖像測(cè)速儀（particle image velocimetry，PIV）和動(dòng)態(tài)壓力傳感器等儀器對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)的瞬時(shí)速度和瞬時(shí)壓力進(jìn)行測(cè)量，表明旋風(fēng)分離器的動(dòng)態(tài)流場(chǎng)表現(xiàn)為流動(dòng)參數(shù)的不穩(wěn)定波動(dòng)變化，其中一些文獻(xiàn)將這種不穩(wěn)定波動(dòng)的原因歸結(jié)于旋進(jìn)渦核（precessing vortex core，PVC）的作用。實(shí)際上旋風(fēng)分離器流動(dòng)參數(shù)的波動(dòng)變化是旋轉(zhuǎn)流的偏心擺動(dòng)造成的，即旋轉(zhuǎn)流的旋轉(zhuǎn)中心圍繞著旋風(fēng)分離器的幾何中心隨機(jī)旋轉(zhuǎn)。一些研究也對(duì)瞬時(shí)速度和壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行了頻譜分析，表明瞬時(shí)信號(hào)在頻譜中具有主頻，為流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)分析提供了一定幫助。但尚欠缺對(duì)旋轉(zhuǎn)流流場(chǎng)波動(dòng)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析和挖掘，也缺少定量描述旋轉(zhuǎn)流動(dòng)態(tài)特性的表征方法。為此，本文基于實(shí)驗(yàn)測(cè)量的旋風(fēng)分離器內(nèi)流場(chǎng)中時(shí)間序列的瞬時(shí)速度和瞬時(shí)壓力信號(hào)，進(jìn)行定性、定量的數(shù)據(jù)處理，從時(shí)域和頻域兩個(gè)方面進(jìn)行流場(chǎng)動(dòng)態(tài)特性的分析，探究旋風(fēng)分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)流的動(dòng)態(tài)參數(shù)波動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理及傳遞、衰減特征，探尋可以定量描述旋風(fēng)分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)態(tài)流場(chǎng)表征方法。這些研究可為探究旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)因素、操作條件等對(duì)其流場(chǎng)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)據(jù)處理和分析方法提供重要參考，為進(jìn)一步提高旋風(fēng)分離器的分離效率而進(jìn)行裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和分析方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)量方法

旋風(fēng)分離器流場(chǎng)動(dòng)態(tài)參數(shù)主要是瞬時(shí)速度和瞬時(shí)壓力。旋風(fēng)分離器流場(chǎng)的切向速度是表征旋轉(zhuǎn)流動(dòng)態(tài)特性的主要參數(shù)，為此，測(cè)量參數(shù)選擇瞬時(shí)切向速度和瞬時(shí)壓力。實(shí)驗(yàn)裝置由實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)組成，見(jiàn)圖1。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為直徑為100mm 的PV型旋風(fēng)分離器。實(shí)驗(yàn)采用吸風(fēng)負(fù)壓操作，介質(zhì)為常溫空氣，通過(guò)離心風(fēng)機(jī)由旋風(fēng)分離器的入口吸入空氣，在旋風(fēng)分離器內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)流，最后經(jīng)過(guò)升氣管排出。為保證旋風(fēng)分離器進(jìn)氣平穩(wěn)，在出口管路與離心風(fēng)機(jī)間設(shè)立穩(wěn)壓罐。采用皮托管和閘閥對(duì)空氣流量進(jìn)行測(cè)量和調(diào)控，設(shè)定旋風(fēng)分離器的入口氣速=6.8m/s。

圖1 旋風(fēng)分離器流場(chǎng)動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)量裝置示意圖

測(cè)量系統(tǒng)采用美國(guó)TSI 公司的IFA 300（TSI Inc.,Seattle,WA,USA）熱線(xiàn)/熱膜風(fēng)速儀和動(dòng)態(tài)壓力數(shù)據(jù)信號(hào)采集系統(tǒng)（壓力傳感器采用靈敏度較高的微差壓變送器，型號(hào)為CGYL-300B）。熱線(xiàn)/熱膜風(fēng)速儀和動(dòng)態(tài)壓力數(shù)據(jù)信號(hào)采集系統(tǒng)分別測(cè)量旋風(fēng)分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)的瞬時(shí)切向速度和瞬時(shí)壓力。測(cè)量時(shí)，將熱絲探頭或引壓管通過(guò)旋風(fēng)分離器上的測(cè)量孔插入旋風(fēng)分離器內(nèi)，實(shí)時(shí)測(cè)量不同測(cè)點(diǎn)處的瞬時(shí)切線(xiàn)速度和瞬時(shí)壓力。采用坐標(biāo)架來(lái)確定熱絲探針的位置，引壓管根據(jù)測(cè)點(diǎn)不同設(shè)計(jì)不同的插入長(zhǎng)度。為了減小熱絲探頭或引壓管的影響，切向速度和瞬時(shí)壓力的測(cè)量分組單獨(dú)完成測(cè)量。切向速度和壓力的采樣頻率1000Hz，采樣時(shí)間16s，即每個(gè)測(cè)點(diǎn)取16000個(gè)數(shù)據(jù)。

旋風(fēng)分離器模型采用有機(jī)玻璃制造，結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)圖2和表1。軸向坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置在圓筒段上端中心處，取向下方向?yàn)檎?。測(cè)量截面（0°，-180°）的設(shè)置見(jiàn)圖2和表2，分別在圓筒段，錐體段的上、中、下區(qū)域和灰斗段共設(shè)置5個(gè)測(cè)量截面。在每個(gè)測(cè)量截面的徑向位置分別取/為0.12、0.28、0.44、0.60、0.76和0.92六個(gè)測(cè)量點(diǎn)。

圖2 旋風(fēng)分離器尺寸及測(cè)點(diǎn)

表1 旋風(fēng)分離器尺寸單位：mm

表2 旋風(fēng)分離器軸向測(cè)量截面

1.2 動(dòng)態(tài)參數(shù)分析方法

對(duì)瞬時(shí)切向速度和瞬時(shí)壓力時(shí)間序列信號(hào)有以下3種分析方法，即波形分析、標(biāo)準(zhǔn)偏差分析和功率譜密度分析。

1.2.1 波形分析

時(shí)域分析中的波形分析簡(jiǎn)單、直觀、快速，利用顯示的信號(hào)波形讀取特征參數(shù)。以簡(jiǎn)諧波為例，可以從波形中得到信號(hào)的幅值（）、周期（）、相位（）、頻率（）等特征量。波形分析對(duì)象是采集的原始信號(hào)，所以包含的信息量大，但是缺點(diǎn)是對(duì)于復(fù)雜的波形缺乏深入挖掘，不容易看出所包含的信息與流場(chǎng)特性之間的聯(lián)系。以往的研究表明旋風(fēng)分離器內(nèi)流場(chǎng)的瞬時(shí)速度和瞬時(shí)壓力存在著隨時(shí)間的波動(dòng)變化，可以通過(guò)瞬時(shí)參數(shù)的波形分析獲取流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的細(xì)節(jié)特征。

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)偏差

標(biāo)準(zhǔn)偏差（standard deviation）是一種度量數(shù)據(jù)分布的分散程度的標(biāo)準(zhǔn)量度，用以衡量數(shù)據(jù)值偏離算術(shù)平均值的程度。假設(shè)任意時(shí)刻瞬態(tài)參量分解為平均值ˉ與波動(dòng)值′之和，即式(1)。

平均值ˉ的計(jì)算見(jiàn)式(2)。

式中，X為瞬時(shí)參量離散為個(gè)點(diǎn)時(shí)點(diǎn)的數(shù)值，則任意一個(gè)測(cè)量點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)偏差為式(3)。

標(biāo)準(zhǔn)偏差分析由于剔除了穩(wěn)定分量，對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)的動(dòng)態(tài)參數(shù)而言，時(shí)間序列速度和壓力信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)偏差能夠用于表征旋風(fēng)分離器內(nèi)瞬時(shí)參量波動(dòng)數(shù)據(jù)值偏離平均值的程度，直觀地衡量速度和壓力脈動(dòng)的強(qiáng)度。式(1)表明任意時(shí)刻的速度（壓力）可以表示成平均速度（平均壓力）和波動(dòng)速度（脈動(dòng)壓力）的疊加，因此可通過(guò)式(3)計(jì)算瞬時(shí)速度和瞬時(shí)壓力的標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)定量描述波動(dòng)信號(hào)的波動(dòng)強(qiáng)度。而在研究旋風(fēng)分離器流場(chǎng)動(dòng)態(tài)特性時(shí)，某點(diǎn)速度的標(biāo)準(zhǔn)偏差也常被定義為該點(diǎn)的湍流強(qiáng)度。

1.2.3 功率譜密度

頻譜分析是動(dòng)態(tài)信號(hào)處理中使用最廣泛的方法之一，其目的是把復(fù)雜的時(shí)間序列波形經(jīng)傅里葉變換[其中快速傅里葉變換（fast Fourier transform,FFT）是最常用工具]分解成若干個(gè)單一的諧波分量來(lái)研究，以獲得信號(hào)的頻率結(jié)構(gòu)以及各諧波的幅值、相位和能量等信息。以傅里葉級(jí)數(shù)和傅里葉積分為基礎(chǔ)，信號(hào)頻率域上的功率譜密度函數(shù)（power spectral density function）能很好地反映旋風(fēng)分離器內(nèi)波動(dòng)信號(hào)本質(zhì)，代表不同頻率下的能量分布，用于分析流場(chǎng)動(dòng)態(tài)參數(shù)波動(dòng)產(chǎn)生原因和傳遞等特性。對(duì)于單個(gè)參數(shù)的時(shí)間序列()，在有限時(shí)間區(qū)間(0，)內(nèi)，通過(guò)原始數(shù)據(jù)的有限范圍傅里葉變換估計(jì)得功率譜密度函數(shù)，表示為式(4)。

式中，=Δ為采樣總時(shí)間；(，)為原時(shí)間序列的離散傅里葉變換[式(5)]；為離散振幅。

離散頻率為式(6)。

功率譜密度函數(shù)可寫(xiě)成式(7)。

2 結(jié)果與討論

2.1 瞬時(shí)切向速度的時(shí)域分析

圖3 是旋風(fēng)分離器一個(gè)軸向測(cè)量截面（/=1.23）上不同徑向位置瞬時(shí)切向速度隨時(shí)間變化的測(cè)量曲線(xiàn)。為了更好地顯示瞬時(shí)速度的波形，選取0.10～0.20s、7.10～7.20s 和15.10～15.20s 三個(gè)區(qū)間的數(shù)據(jù)。圖3 顯示旋轉(zhuǎn)流的瞬時(shí)切向速度存在著波動(dòng)，并且波動(dòng)幅值隨著測(cè)量點(diǎn)由邊壁向中心移動(dòng)而逐漸增大。對(duì)測(cè)量點(diǎn)（/=0.12）在0.10～0.20s 區(qū)間的測(cè)量數(shù)據(jù)擬合和局部放大（圖4），表明瞬時(shí)切向速度由湍流引起的高頻不規(guī)則波動(dòng)（局部放大顯示速度信號(hào)呈現(xiàn)隨機(jī)和不規(guī)則性）疊加在低頻準(zhǔn)周期波動(dòng)上（近似正弦波）。

圖3 旋風(fēng)分離器內(nèi)測(cè)點(diǎn)處瞬時(shí)切向速度隨時(shí)間的變化

圖4 一個(gè)測(cè)量點(diǎn)上瞬時(shí)切向速度的正弦擬合

波形分析獲得了瞬時(shí)切向速度脈動(dòng)信號(hào)波動(dòng)幅度、均值、周期等主要特征。聯(lián)系旋風(fēng)分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)流的實(shí)際流動(dòng)情況，旋風(fēng)分離器內(nèi)氣體流動(dòng)為湍流流動(dòng)，波形中高頻率的無(wú)規(guī)則波動(dòng)反映了湍流本身特征，而低頻波動(dòng)（近似正弦波）則表明旋風(fēng)分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)流的旋轉(zhuǎn)中心是圍繞著幾何中心沿著一個(gè)近似圓的軌跡旋轉(zhuǎn)，見(jiàn)圖5。因此可以根據(jù)正弦擬合與測(cè)量數(shù)據(jù)的逼近程度描述旋轉(zhuǎn)流的旋轉(zhuǎn)中心繞旋風(fēng)分離器幾何中心的軌跡形態(tài)。軌跡越接近圓，切向速度變化曲線(xiàn)與擬合曲線(xiàn)的偏差越小，但以往旋風(fēng)分離器內(nèi)動(dòng)態(tài)流場(chǎng)沒(méi)有進(jìn)行相關(guān)的波形分析。

圖5 旋轉(zhuǎn)流旋轉(zhuǎn)中心偏離幾何中心示意圖

通過(guò)式(3)計(jì)算的旋風(fēng)分離器內(nèi)不同徑向和軸向位置瞬時(shí)切向速度的標(biāo)準(zhǔn)偏差，見(jiàn)圖6。在旋風(fēng)分離器的分離空間的徑向上，中心附近較大，隨著徑向位置向壁面移動(dòng)，逐漸下降并趨于穩(wěn)定，表明旋轉(zhuǎn)流在靠近中心區(qū)域的波動(dòng)強(qiáng)度較大，隨著徑向位置由中心向壁面移動(dòng)，波動(dòng)強(qiáng)度逐漸降低；在分離空間軸向上，由于存在錐體段，對(duì)旋轉(zhuǎn)流有增強(qiáng)作用，在分離空間內(nèi)瞬時(shí)切向速度的隨著軸向位置的增加而有所增加，靠近排塵口區(qū)域達(dá)到最大，也說(shuō)明在該區(qū)域的速度波動(dòng)強(qiáng)度最大，這是受到空間減小及灰斗回流的影響造成的。在灰斗內(nèi)，由于旋轉(zhuǎn)氣流通過(guò)直徑較小的排塵口進(jìn)入一個(gè)相對(duì)較大直徑的灰斗，一方面能量耗散較大，另一方面旋轉(zhuǎn)的切向速度降低，導(dǎo)致整體波動(dòng)強(qiáng)度相比錐體段下端有所減小，瞬時(shí)切向速度的相比分離空間呈減小趨勢(shì)；而在徑向方向，由于氣體旋流通過(guò)突然變化的截面，同時(shí)受到氣流折返和偏心旋轉(zhuǎn)的影響，灰斗中的氣體旋流波動(dòng)強(qiáng)度在中心區(qū)域和壁面附近的區(qū)域都較大，所以先減小后又逐漸增大。

圖6 瞬時(shí)切向速度波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差

瞬時(shí)切向速度時(shí)域上的標(biāo)準(zhǔn)偏差可以直觀地表征旋風(fēng)分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)流的波動(dòng)強(qiáng)度，即旋轉(zhuǎn)流的湍流強(qiáng)度。波形分析和標(biāo)準(zhǔn)偏差的分布表明旋風(fēng)分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)流的切向速度的湍流強(qiáng)度是由湍流自身脈動(dòng)和旋轉(zhuǎn)低頻準(zhǔn)周期波動(dòng)兩部分構(gòu)成。在旋風(fēng)分離器中心附近，旋轉(zhuǎn)流低頻波動(dòng)是湍流強(qiáng)度主要組成部分，隨著徑向位置向壁面移動(dòng)，低頻波動(dòng)逐漸變得不明顯，湍流自身的無(wú)規(guī)則脈動(dòng)是湍流強(qiáng)度的主要部分。

2.2 瞬時(shí)切向速度的頻域分析

頻域的主頻和功率譜密度（PSD）可用于描述旋轉(zhuǎn)流的準(zhǔn)周期行為、傳遞行為和強(qiáng)度衰減特征，也是旋轉(zhuǎn)流擺動(dòng)行為及其影響范圍的反映。時(shí)域分析中瞬時(shí)切向速度分布存在一定的準(zhǔn)周期行為，通過(guò)對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)流在（/=1.23）截面的瞬時(shí)切向速度進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT），得到如圖7所示的不同測(cè)點(diǎn)的頻率分布曲線(xiàn)。雖然得到信號(hào)的頻譜是連續(xù)的，不具有周期性信號(hào)的離散譜特性，但連續(xù)譜區(qū)域內(nèi)具有一個(gè)（有時(shí)會(huì)個(gè)）明顯的峰值，說(shuō)明存在一個(gè)或個(gè)因素造成動(dòng)態(tài)流場(chǎng)的波動(dòng)。圖7中不同測(cè)點(diǎn)的瞬時(shí)切向速度存在一個(gè)約為82Hz 的主頻。這個(gè)主頻是旋轉(zhuǎn)流的準(zhǔn)周期擺動(dòng)引起的，并且擺動(dòng)引起的切向速度的波動(dòng)在徑向上具有一定的傳遞行為。同時(shí)在同一個(gè)截面不同徑向測(cè)點(diǎn)的頻率的PSD 幅值（）存在差異，主頻PSD幅值沿旋風(fēng)分離器中心到邊壁逐漸減小，到邊壁附近主頻變得不明顯，表明由旋轉(zhuǎn)流擺動(dòng)引起的切向速度的波動(dòng)沿徑向具有一定的衰減特征。這是由于旋風(fēng)分離器的流體是由外部的準(zhǔn)自由渦流向內(nèi)部的強(qiáng)制渦的，旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性的擺動(dòng)是中心區(qū)域的強(qiáng)制渦產(chǎn)生的，對(duì)上游的準(zhǔn)自由渦的擺動(dòng)影響有限，呈現(xiàn)衰減變化。

圖7 瞬時(shí)切向速度的頻譜分析

對(duì)不同截面的數(shù)據(jù)進(jìn)行上述頻譜分析，得到不同軸向截面上測(cè)點(diǎn)的主頻及主頻的PSD 幅值分布，見(jiàn)圖8。旋風(fēng)分離器每個(gè)截面的主頻沿徑向方向基本沒(méi)有明顯變化；同樣在軸向方向上，主頻隨軸向位置的增加基本沒(méi)有變化，只是在灰斗中稍有減小。說(shuō)明旋風(fēng)分離器內(nèi)低頻速度波動(dòng)沿徑向和軸向上具有傳遞行為，也表明旋轉(zhuǎn)流旋轉(zhuǎn)中心的擺動(dòng)頻率基本不變。主頻PSD幅值隨著徑向位置從中心到壁面逐漸減小，并且靠近中心附近測(cè)點(diǎn)的主頻PSD幅值明顯比靠近壁面附近測(cè)點(diǎn)的高很多。說(shuō)明旋轉(zhuǎn)流的擺動(dòng)對(duì)內(nèi)部的準(zhǔn)剛性渦區(qū)的影響明顯高于外部的準(zhǔn)自由渦區(qū)，導(dǎo)致瞬時(shí)切向速度的波動(dòng)隨著徑向位置/的減小而增加，在中區(qū)域附近，低頻波動(dòng)特征表現(xiàn)得更明顯。但軸向各個(gè)測(cè)點(diǎn)的PSD 幅值（）差異不大。

圖8 不同截面主頻及主頻PSD幅值沿徑向的變化

2.3 速度和壓力描述動(dòng)態(tài)特性的對(duì)比分析

為了對(duì)比瞬時(shí)切向速度和瞬時(shí)壓力在時(shí)域和頻域上的流場(chǎng)動(dòng)態(tài)特性，選取旋風(fēng)分離器的兩個(gè)測(cè)量截面[圓筒段（/=1.23），錐體段下端（/=3.30）]的瞬時(shí)切向速度和瞬時(shí)壓力在時(shí)域和頻域上進(jìn)行分析。圖9是兩個(gè)截面的瞬時(shí)切向速度和瞬時(shí)壓力在7.0～8.0s期間的測(cè)量數(shù)據(jù)分布曲線(xiàn)。兩個(gè)截面上的瞬時(shí)切向速度和瞬時(shí)壓力均存在隨時(shí)間的波動(dòng)變化，并表現(xiàn)出一定的準(zhǔn)周期行為，靠近旋風(fēng)分離器邊壁測(cè)點(diǎn)的瞬時(shí)參數(shù)波動(dòng)較小，越靠近中心，波動(dòng)幅度越大，準(zhǔn)周期行為也越明顯，瞬時(shí)切向速度和瞬時(shí)壓力的分布均表明旋轉(zhuǎn)流的擺動(dòng)對(duì)旋風(fēng)分離器中心附近區(qū)域的影響較大。

圖9 瞬時(shí)切向速度和瞬時(shí)壓力分布

依據(jù)旋風(fēng)分離器內(nèi)的壓力平衡方程，壓力的計(jì)算見(jiàn)式(8)。

式(8)表明瞬時(shí)壓力取決于瞬時(shí)切向速度的分布，兩者有著密切的直接關(guān)系。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算的兩個(gè)截面上各測(cè)點(diǎn)的瞬時(shí)切向速度和瞬時(shí)壓力的標(biāo)準(zhǔn)偏差，見(jiàn)圖10。無(wú)論是切向速度還是壓力的分布，兩者表現(xiàn)出一致的變化趨勢(shì)，即靠近中心切向速度和壓力均波動(dòng)強(qiáng)烈，隨著測(cè)點(diǎn)向邊壁移動(dòng)，波動(dòng)逐漸減弱并趨于平穩(wěn)。上述速度的時(shí)域分析表明旋轉(zhuǎn)流的湍流強(qiáng)度不單純是氣流自身湍流脈動(dòng)部分，而且受旋轉(zhuǎn)流擺動(dòng)的影響，是兩種流動(dòng)結(jié)構(gòu)湍流強(qiáng)度的疊加。而旋轉(zhuǎn)流的擺動(dòng)導(dǎo)致了中心區(qū)域的湍流強(qiáng)度遠(yuǎn)大于壁面區(qū)域的湍流強(qiáng)度。根據(jù)式(8)，瞬時(shí)切向速度的這種變化直接導(dǎo)致了類(lèi)似的瞬時(shí)壓力變化。

圖10 切向速度和壓力的標(biāo)準(zhǔn)偏差分布

對(duì)瞬時(shí)切向速度和瞬時(shí)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT得到的對(duì)應(yīng)截面上不同測(cè)點(diǎn)的頻率-功率譜密度分布，見(jiàn)圖11。在圓筒段（/=1.23）截面的切向速度和壓力波動(dòng)均存在一個(gè)主頻，而且基于瞬時(shí)切向速度和瞬時(shí)壓力分析得到的主頻是一致的。在錐體段（/=3.30）截面切向速度和壓力波動(dòng)除了存在一個(gè)與圓筒段一樣的主頻外，在靠近中心區(qū)域還存在另一個(gè)主頻。這個(gè)主頻是灰斗內(nèi)旋轉(zhuǎn)流擺動(dòng)產(chǎn)生的，當(dāng)灰斗內(nèi)流體回流到分離空間時(shí)，這個(gè)主頻疊加到分離空間內(nèi)旋轉(zhuǎn)流的擺動(dòng)主頻上，形成了雙主頻的現(xiàn)象。本文作者已經(jīng)在前期研究成果中對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)分析。瞬時(shí)切向速度和瞬時(shí)壓力在靠近中心區(qū)域的主頻均較明顯，但是基于瞬時(shí)切向速度的波動(dòng)主頻特征在邊壁附近要比基于瞬時(shí)壓力的主頻特征更明顯。這是因?yàn)樗俣葴y(cè)量時(shí)熱線(xiàn)探針直接插入流場(chǎng)中，對(duì)動(dòng)態(tài)流場(chǎng)波動(dòng)的敏感度高，在較小波動(dòng)強(qiáng)度下也能比較準(zhǔn)確地獲得流場(chǎng)波動(dòng)信息；而壓力測(cè)量時(shí)，式（8）表明，氣體的密度較低限制了傳感器的敏感度，而且需要借助引壓管將氣流引入到微差壓傳感器中，當(dāng)動(dòng)態(tài)流場(chǎng)波動(dòng)強(qiáng)度較小時(shí)，如在靠近邊壁附近區(qū)域敏感度有所降低。但壓力測(cè)量便于實(shí)施，測(cè)量環(huán)境在溫度、壓力比較高的條件下也可以實(shí)現(xiàn)，尤其是在氣固兩相流的環(huán)境下。

圖11 瞬時(shí)切向速度和瞬時(shí)壓力數(shù)據(jù)的頻譜分析

依據(jù)上述分析，瞬時(shí)切向速度和瞬時(shí)壓力數(shù)據(jù)均可以在時(shí)域和頻域上表征旋轉(zhuǎn)流流場(chǎng)的波動(dòng)特點(diǎn)，兩者的波動(dòng)強(qiáng)度和頻譜特征上具有一致的趨勢(shì)，因此二者均可以用于分析旋風(fēng)分離器內(nèi)氣相旋轉(zhuǎn)流的動(dòng)態(tài)特性。但壓力測(cè)量不受顆粒的限制，可以進(jìn)一步拓展應(yīng)用瞬時(shí)壓力測(cè)量和分析考察旋風(fēng)分離器內(nèi)氣固兩相旋轉(zhuǎn)流流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)特性。

旋風(fēng)分離器的氣相旋轉(zhuǎn)流具有很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)特性，這種動(dòng)態(tài)特性表現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)流旋轉(zhuǎn)中心的準(zhǔn)周期擺動(dòng)，由此導(dǎo)致了瞬時(shí)切向速度隨時(shí)間的脈動(dòng)變化。旋轉(zhuǎn)流的擺動(dòng)會(huì)增強(qiáng)氣流的湍流強(qiáng)度，加劇顆粒的碰撞、返混和擴(kuò)散，尤其是細(xì)小顆粒的擴(kuò)散作用，降低了旋風(fēng)分離器分離效率。此外，旋風(fēng)分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)流的擺動(dòng)使得湍流強(qiáng)度的劇增后，增加了流體流動(dòng)的能耗，使旋風(fēng)分離器的壓降增大。實(shí)驗(yàn)表明通過(guò)在旋風(fēng)分離器內(nèi)部設(shè)置穩(wěn)渦桿，可以降低旋轉(zhuǎn)流的擺動(dòng)幅度，提高旋風(fēng)分離器的分離效率，同時(shí)降低壓降。因此，旋轉(zhuǎn)流的擺動(dòng)對(duì)顆粒的分離過(guò)程有重要作用，需要建立定量描述旋風(fēng)分離器內(nèi)氣相旋轉(zhuǎn)流動(dòng)態(tài)特性的表征方法，從流場(chǎng)動(dòng)態(tài)特性方面進(jìn)行分析和解釋?zhuān)酝暾J(rèn)識(shí)其內(nèi)部的氣固分離過(guò)程，為旋風(fēng)分離器的性能改進(jìn)和提高提供重要參考。

3 結(jié)論

采用熱線(xiàn)/熱膜風(fēng)速儀和動(dòng)態(tài)壓力傳感器測(cè)量旋風(fēng)分離器內(nèi)氣相旋轉(zhuǎn)流流場(chǎng)的瞬時(shí)切向速度和瞬時(shí)壓力，并對(duì)測(cè)量的動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行定性、定量的數(shù)據(jù)處理和分析，主要結(jié)論如下。

（1）旋風(fēng)分離器內(nèi)瞬時(shí)切向速度信號(hào)時(shí)間序列的波形分布與旋轉(zhuǎn)流的擺動(dòng)存在聯(lián)系，瞬時(shí)切向速度時(shí)域上波形分析中高頻率的無(wú)規(guī)則波動(dòng)反映了旋轉(zhuǎn)流湍流自身無(wú)規(guī)則脈動(dòng)特征，而低頻波動(dòng)表明旋風(fēng)分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)流的旋轉(zhuǎn)中心的軌跡變化。軌跡越接近圓，切向速度的變化越接近于擬合的正弦曲線(xiàn)變化。此外瞬時(shí)切向速度時(shí)域上的標(biāo)準(zhǔn)偏差可以直觀地表征旋風(fēng)分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)流的波動(dòng)強(qiáng)度，即旋轉(zhuǎn)流速度的湍流強(qiáng)度。

（2）瞬時(shí)切向速度的頻域分析表明旋風(fēng)分離器內(nèi)瞬時(shí)切向速度波動(dòng)存在主頻，這個(gè)主頻是由旋轉(zhuǎn)流的準(zhǔn)周期擺動(dòng)引起的；主頻分布表明旋轉(zhuǎn)流擺動(dòng)引起的切向速度的波動(dòng)在徑向上具有傳遞行為；主頻PSD 幅值（）沿旋風(fēng)分離器中心到邊壁逐漸減小，表明由旋轉(zhuǎn)流擺動(dòng)引起的切向速度的波動(dòng)沿旋風(fēng)分離器的徑向由內(nèi)至外具有一定的衰減特征。但沿軸向各個(gè)測(cè)點(diǎn)的PSD幅值（）差異不大。

（3）瞬時(shí)切向速度和瞬時(shí)壓力在時(shí)域和頻域的對(duì)比分析表明，瞬時(shí)速度和瞬時(shí)壓力均能較好地反映旋轉(zhuǎn)流流場(chǎng)的波動(dòng)情況，兩個(gè)參數(shù)在時(shí)域上的標(biāo)準(zhǔn)偏差的分布趨勢(shì)一致，均能用于描述動(dòng)態(tài)流場(chǎng)的波動(dòng)強(qiáng)度；在頻域上，瞬時(shí)切向速度和瞬時(shí)壓力波動(dòng)的主頻一致，反映了動(dòng)態(tài)流場(chǎng)波動(dòng)的準(zhǔn)周期行為、傳遞行為和強(qiáng)度衰減特征?；谒矔r(shí)切向速度和瞬時(shí)壓力的時(shí)頻分析均可用于表征旋風(fēng)分離器內(nèi)氣相旋轉(zhuǎn)流的動(dòng)態(tài)特性。

符號(hào)說(shuō)明

—— 功率譜密度幅值，W/Hz

—— 矩形入口的高度，mm

—— 矩形入口的寬度，mm

—— 旋風(fēng)分離器直徑，mm

—— 排塵口直徑，mm

—— 灰斗直徑，mm

—— 灰斗底端直徑，mm

—— 升氣管直徑，mm

—— 頻率，Hz

f—— 離散頻率，Hz

—— 旋風(fēng)分離器圓體段長(zhǎng)度，mm

—— 旋風(fēng)分離器錐體段長(zhǎng)度，mm

—— 旋風(fēng)分離器灰斗長(zhǎng)度，mm

—— 壓力，Pa

—— 徑向坐標(biāo)，mm

/—— 量綱為1徑向位置

—— 旋風(fēng)分離器半徑，mm

—— 標(biāo)準(zhǔn)偏差，m/s

—— 總采樣時(shí)間，s

Δ—— 相鄰兩樣本點(diǎn)間的采樣時(shí)間間隔，s

—— 入口氣速，m/s

—— 切向速度，m/s

ˉ—— 平均切向速度，m/s

Δ—— 切向速度波動(dòng)值，m/s

—— 軸向坐標(biāo)，mm