楊昌智 劉倩 施周

摘? ?要：提出了一種新的高效旋風(fēng)分離器構(gòu)造，在傳統(tǒng)分離器的內(nèi)外渦旋交界面上添加一組與氣流旋轉(zhuǎn)方向相同的旋流葉片，來(lái)阻擋含塵氣流中的顆粒進(jìn)入內(nèi)渦旋區(qū). 基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD），采用雷諾應(yīng)力模型和離散相的隨機(jī)軌道模型來(lái)計(jì)算分離器的氣固兩相流，并用試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了計(jì)算模型的正確性;通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析、比較了添加旋流葉片前后的分離器性能，對(duì)旋流葉片進(jìn)行了性能優(yōu)化. 結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)分離器相比，添加旋流葉片能夠使分割粒徑減小60%～70%，有效地提高了分離效率，而壓降僅增加19.3%，且旋流葉片對(duì)于小粒徑、小密度顆粒的分離效率提升更為顯著.

關(guān)鍵詞：旋風(fēng)分離器;CFD;旋流葉片;效率提升

中圖分類號(hào)：TQ 051.8? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract： This paper presented a new efficient cyclone separator， which can block the particles moving to the inner vortex. The new cyclone separator was obtained by setting a group of swirling blades with the same direction as the rotating direction of the air flow in the internal and external vortex interface of the traditional separator. The Reynolds model and discrete phase model were selected to simulate the gas-solid two-phase flow， and the discrete random walk model was used to study the turbulent dispersion of particles. The accuracy of the numerical simulation was verified by comparing with the experimental data. The performance between the traditional cyclone and new efficient cyclone was compared by numerical simulation. Moreover， the optimization of the swirling blades was performed. The results show that， compared with the traditional cyclone， adding the swirling blades effectively improves the separation efficiency， which can decrease the cut-off size by 60%～70% and increase the pressure drop by 19.3% only. Further， the effect of swirling blades on the separation efficiency of small particle size and low density particles was more significant.

Key words： cyclone separator;CFD;swirling blades;efficiency improvement

旋風(fēng)分離器作為一種重要的氣固分離設(shè)備，廣泛應(yīng)用于石油化工、煤炭發(fā)電和環(huán)境保護(hù)等行業(yè). 為了提高旋風(fēng)分離器的性能，許多學(xué)者開(kāi)展了在分離器中加入額外部件的研究工作. 如Ray等[1-2]設(shè)計(jì)了一種從旋風(fēng)分離器頂部排氣管抽氣的結(jié)構(gòu)，測(cè)試結(jié)果顯示，可使5 μm以下的顆粒逃逸減少35%以上. Chmielniak等[3-4]在旋風(fēng)分離器內(nèi)加入了動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)子，進(jìn)行了理論與試驗(yàn)研究，得到對(duì)應(yīng)的分離效率與壓降. Li等[5-6]提出一種設(shè)置了入口導(dǎo)流葉片的新的排氣管結(jié)構(gòu)，能夠減小壓降，提高顆粒捕集效率. Pei等[7]在傳統(tǒng)Lapple旋風(fēng)除塵器的排氣管內(nèi)插入十字形葉片，使分離器壓降下降16.4%. 陳海焱[8]將旋風(fēng)分離器的排氣管改為旋轉(zhuǎn)渦輪，用電機(jī)帶動(dòng)渦輪，做成一種最簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)旋風(fēng)分離器. 潘傳九等[9]在旋風(fēng)分離器內(nèi)加設(shè)螺旋導(dǎo)流裝置，使得1～5 μm顆粒的捕集效率>25%. 由于顆粒最終都是從排氣管逃逸，降低排氣管逃逸的顆粒數(shù)目是提高旋風(fēng)分離器效率最有效的措施，因此本文提出在旋風(fēng)分離器的排氣管下方、內(nèi)外渦旋交界面處沿氣體旋轉(zhuǎn)的方向設(shè)置一組旋流葉片，阻擋顆粒進(jìn)入內(nèi)渦旋區(qū)，從而提高旋風(fēng)分離器的效率.

1? ?旋流葉片的設(shè)置

在旋風(fēng)分離器的氣流運(yùn)動(dòng)中，由于內(nèi)外渦旋區(qū)存在壓力差，外旋氣流在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)不斷進(jìn)入內(nèi)渦旋區(qū)，外旋氣流中的顆粒會(huì)直接被卷入內(nèi)渦旋. 而在內(nèi)渦旋區(qū)，切向速度隨筒體半徑的減小而減小，顆粒所受離心力也越來(lái)越小，因此顆粒一旦被卷入內(nèi)渦旋，被分離出來(lái)的可能性就微乎其微了.

因此在內(nèi)外渦旋分界面處（0.55De ～0.65De）[10]，設(shè)置一組與氣流旋轉(zhuǎn)方向相同的旋流葉片，如圖1所示. 圖中β為葉片螺旋角，ho為葉片高度. 在含塵氣流從外渦旋區(qū)不斷向內(nèi)作螺旋運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，氣體可繞流通過(guò)旋流葉片進(jìn)入內(nèi)渦旋區(qū)，含塵氣體中的顆粒將會(huì)與旋流葉片發(fā)生碰撞，損失動(dòng)量而從氣流中分離，或者發(fā)生碰撞后粒子的速度大小和方向發(fā)生變化再度進(jìn)入外渦旋，由此增加了粒子向心運(yùn)動(dòng)的難度，可有效阻擋粒子進(jìn)入內(nèi)渦旋，從而提高旋風(fēng)分離器的效率;且內(nèi)外渦旋交界面上，粒子所受離心力最大，損失部分動(dòng)量的粒子更易被甩向器壁滑落至排灰口.

2? ?旋風(fēng)分離器性能的數(shù)值模擬

2.1? ?物理模型與網(wǎng)格劃分

為了檢驗(yàn)數(shù)值模擬方法的正確性，先對(duì)一基礎(chǔ)分離器進(jìn)行模擬，選用一傳統(tǒng)的未設(shè)置旋流葉片的典型Stairmand旋風(fēng)分離器[11]作為該基礎(chǔ)分離器，如圖2所示，分離器尺寸見(jiàn)表1. 網(wǎng)格劃分采用ICEM CFD16.0軟件，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格耦合來(lái)提高計(jì)算精度，網(wǎng)格數(shù)目約為180萬(wàn).

2.2? ?數(shù)值計(jì)算模型

2.2.1? ?氣相場(chǎng)

2.2.1.1? ?連續(xù)相計(jì)算模型

旋風(fēng)分離器的內(nèi)部流場(chǎng)相當(dāng)復(fù)雜，對(duì)于旋風(fēng)分離器的CFD模擬計(jì)算，常用的有3種湍流模型：標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNG k-ε模型、雷諾應(yīng)力模型（RSM），與其他兩種計(jì)算模型相比，RSM模型拋棄了渦黏性假設(shè)[12-14]，完全求解雷諾應(yīng)力的微分輸運(yùn)方程，并考慮了壁面對(duì)雷諾應(yīng)力分布的影響，對(duì)于復(fù)雜流動(dòng)有更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，因此本文選用RSM模型. 考慮到旋風(fēng)分離器內(nèi)的強(qiáng)旋轉(zhuǎn)流，流場(chǎng)控制方程的離散格式采用QUICK格式，并采用PRESTO！格式的壓力差補(bǔ)格式，壓力與速度的耦合采用SIMPLEC[15]算法.

2.2.1.2? ?邊界條件

旋風(fēng)分離器的入口設(shè)置為速度入口（velocity-inlet），氣體密度ρ=1.225 kg/m3，動(dòng)力黏度μ=1.789 4 ×10-5 Pa·s，入口風(fēng)速為15 m/s，湍流強(qiáng)度為4%，水力半徑為0.058 57 m;排氣管出口設(shè)置為outflow，排灰口、固體壁面設(shè)置為wall，壁面采用無(wú)滑移邊界條件.

2.2.2? ?顆粒相

2.2.2.1? 顆粒的計(jì)算模型

本文中顆粒的體積分?jǐn)?shù)小于10%，采用拉格朗日離散相模型（DPM）[16]，遵循歐拉-拉格朗日方法. 顆粒的作用力平衡方程如式（1）～（3）所示，其中FD（u-up）、FG、FX分別為曳力、重力和附加質(zhì)量力.

式中：u為流體相速度;up為顆粒速度;μ為流體動(dòng)力黏度;ρ為流體密度;ρp為顆粒密度;dp為顆粒直徑;Re為相對(duì)雷諾數(shù);曳力系數(shù)CD可采用如下表達(dá)式：

對(duì)于球形顆粒，在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，式中的a1、a2、a3為常數(shù)[17].

2.2.2.2? ?顆粒的軌道模型

旋風(fēng)分離器內(nèi)的氣固兩相流動(dòng)非常復(fù)雜，因此在對(duì)旋風(fēng)分離器的分離效率進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，采用考慮湍流脈動(dòng)的隨機(jī)軌道模型[18]. 由于當(dāng)顆粒粒徑較小、濃度很小時(shí)，顆粒相的運(yùn)動(dòng)對(duì)氣相場(chǎng)產(chǎn)生的影響十分微弱[19-20]，因此本文采用非相間耦合的隨機(jī)軌道模型，通過(guò)對(duì)顆粒的軌跡追蹤來(lái)計(jì)算旋風(fēng)分離器的分離效率.

2.2.2.3? ?顆粒釋放方式

顆粒釋放方式采用面射流源，面射流源設(shè)置在入口，并在入口平面上按面積均勻分布. 顆粒的初始速度與氣體入口速度相同，并假定顆粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中無(wú)旋轉(zhuǎn)，無(wú)相互碰撞.

2.2.2.4? ?邊界條件設(shè)置旋風(fēng)分離器的底部排灰口設(shè)為trap，出口面設(shè)為escape，其他壁面均為reflect.

2.3? ?數(shù)值計(jì)算的驗(yàn)證

為了保證數(shù)值模擬的正確性，將基礎(chǔ)分離器的數(shù)值計(jì)算結(jié)果和已有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)[21]進(jìn)行比較. 通過(guò)CFD計(jì)算得到不同入口風(fēng)速下對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)分離器的壓降，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示，數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為吻合，平均相對(duì)偏差為7%，說(shuō)明本文采用的RSM模型能夠較好地模擬旋風(fēng)分離器內(nèi)的流場(chǎng).

在入口風(fēng)速為15 m/s時(shí)，向基礎(chǔ)分離器注入密度為2 000 kg/m3的顆粒，通過(guò)離散相的隨機(jī)軌道模型進(jìn)行粒子追蹤，將得到的分級(jí)效率與試驗(yàn)[21]進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示.

在上述工況下，試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算得到的分割粒徑分別為2.5 μm和2.2 μm;在小于2.5 μm的粒徑范圍內(nèi)，數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)非常貼合，當(dāng)粒徑大于3 μm時(shí)，數(shù)值計(jì)算得到的分級(jí)效率整體高于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，這一偏差可能是由于在數(shù)值計(jì)算中假設(shè)壁面水力光滑，且沒(méi)有考慮顆粒之間的碰撞. 總體來(lái)講，通過(guò)離散相的隨機(jī)軌道模型計(jì)算得到的分離效率較為可信，尤其是對(duì)粒徑小于2.5 μm的顆粒的分離效率預(yù)測(cè)非常準(zhǔn)確. 通過(guò)以上與既有試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，說(shuō)明本文所采用的數(shù)值模擬方法是正確可行的.

3? ?新型旋風(fēng)分離器性能數(shù)值模擬結(jié)果

為了比較添加旋流葉片前后的分離器性能，對(duì)添加旋流葉片的新型旋風(fēng)分離器進(jìn)行數(shù)值計(jì)算. 但旋流葉片的螺旋角β和高度系數(shù)γ的取值有很多種組合，為了驗(yàn)證添加旋流葉片對(duì)分離器性能的提升作用，隨機(jī)選擇螺旋角β = 45°，高度系數(shù)γ = 0.28的取值組合;按照本文第一節(jié)的方法，在上述基礎(chǔ)分離器的內(nèi)外渦旋區(qū)分界面處增設(shè)一組螺旋角β = 45°，高度系數(shù)γ = 0.28的旋流葉片，構(gòu)造新型的旋流葉片分離器，其中γ為葉片高度ho與排氣管距錐體底部高度Ho的比值. 將旋流葉片當(dāng)作壁面處理，采用與上述相同的數(shù)值模擬方法對(duì)旋流葉片分離器的性能進(jìn)行模擬研究，模擬結(jié)果如下所述.

3.1? ?氣相場(chǎng)旋風(fēng)分離器的分離效率和壓降是最重要的兩個(gè)性能指標(biāo)，而切向速度是決定氣流速度大小的最重要速度分量，也是決定氣流中顆粒離心力大小的主要因素，因此本文通過(guò)分析基礎(chǔ)分離器和旋流葉片分離器的切向速度和靜壓分布變化來(lái)說(shuō)明旋流葉片對(duì)分離器氣相場(chǎng)的影響.?以排灰口底面中心為坐標(biāo)原點(diǎn)（如圖2所示），分別在基礎(chǔ)分離器和旋流葉片分離器上截取y=0平面，并在y=0的面上截取z=500 mm，z=600 mm. 圖5所示為y=0截面的切向速度云圖對(duì)比，二者的切向速度分布都呈現(xiàn)了良好的對(duì)稱性，旋流葉片分離器的外渦旋區(qū)的切向速度整體高于基礎(chǔ)分離器，且在旋流葉片附近，切向速度的增幅最大. 圖6所示為旋流葉片分離器在z=600 mm平面上的速度矢量圖，由于葉片的阻擋作用，氣流繞流進(jìn)入內(nèi)渦旋區(qū)，而后在內(nèi)渦旋區(qū)繼續(xù)做旋流運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)方向與外渦旋方向相同;如圖7所示，氣體發(fā)生繞流時(shí)，在葉片處切向速度為0，開(kāi)始做旋流運(yùn)動(dòng)后，切向速度先隨半徑的減小而增大，而后隨半徑的減小而減小，可以認(rèn)為在優(yōu)化模型的內(nèi)渦旋區(qū)，也存在一個(gè)類似的“內(nèi)外渦旋交界面”.

圖8所示為基礎(chǔ)分離器和旋流葉片分離器在y=0截面的靜壓云圖對(duì)比，旋風(fēng)分離器中的強(qiáng)旋流運(yùn)動(dòng)使得靜壓隨半徑的減小而急劇降低，中心位置存在真空區(qū). 旋流葉片分離器中心位置形成的真空區(qū)域較大，這主要是因?yàn)樵趦?nèi)渦旋區(qū)，旋流葉片分離器的切向速度低于基礎(chǔ)分離器;且添加旋流葉片后，分離器內(nèi)渦旋區(qū)的氣相旋流強(qiáng)度較小，切向速度變化小，靜壓變化非常平緩，如圖9所示.

3.2 顆粒相

在氣相場(chǎng)中加入顆粒相，顆粒入口速度與氣流入口速度相同，為15 m/s，在基礎(chǔ)分離器和旋流葉片分離器中分別注入密度2 000 kg/m3的顆粒，通過(guò)隨機(jī)軌道模型進(jìn)行追蹤，得到添加旋流葉片前后，單個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖10所示（圖中跡線的顏色表示粒子在分離器中停留的時(shí)間）. 未添加旋流葉片時(shí)，粒子進(jìn)入分離器后，先外旋向下，而后向上旋轉(zhuǎn)進(jìn)入內(nèi)渦旋從排氣管逃逸;添加旋流葉片后，在粒子朝著排氣管的方向上旋時(shí)，旋流葉片阻止了其進(jìn)入內(nèi)渦旋，使粒子再度進(jìn)入外渦旋，繼續(xù)向下旋轉(zhuǎn)，直至到達(dá)排塵口被捕集.通過(guò)離散相的隨機(jī)軌道計(jì)算得到不同密度、不同粒徑對(duì)應(yīng)的分級(jí)效率，如圖11所示. 旋流葉片對(duì)粒徑在3 μm以下的顆粒的分級(jí)效率有顯著的提升，其性能變化見(jiàn)表2. 添加旋流葉片后，使分割粒徑減小了45%，有效提升了分離效率，而旋風(fēng)分離器的壓降只增大了10%.

4? ?旋流葉片的優(yōu)化

模擬計(jì)算葉片螺旋角β和高度系數(shù)γ的變化對(duì)旋風(fēng)分離器性能的影響，對(duì)旋流葉片的尺寸進(jìn)行優(yōu)化，β分別取30°和45°時(shí)改變?chǔ)玫娜≈?，?jiàn)表3.

在入口速度為15 m/s，追蹤顆粒密度為2 000 kg/m3的工況下，使高度系數(shù)γ不變，改變旋流葉片的螺旋角，發(fā)現(xiàn)分離器壓降變化非常小，如圖12所示. 在螺旋角分別為45°和30°時(shí)，得到分離器壓降的最大差異僅為2%. 圖13所示為高度系數(shù)γ在不同取值下，螺旋角分別為45°和30°時(shí)的分級(jí)效率，由圖可知，β=45°時(shí)的分級(jí)效率整體較高，與β=30°時(shí)的分級(jí)效率最大差異為9%.

4.2 高度系數(shù)γ

如圖12所示，隨著高度系數(shù)γ的增加，分離器的壓降先上升后下降，峰值出現(xiàn)在γ=0.56處. 在旋風(fēng)分離器入口風(fēng)速為15 m/s的工況下，分別注入密度為1 000 kg/m3和2 000 kg/m3的顆粒，在旋流葉片螺旋角β=45°時(shí)，觀察高度系數(shù)γ的變化對(duì)分離器分級(jí)效率的影響. 如圖14所示，隨著γ的增加，分離器的分級(jí)效率均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì). 觀察不同粒徑對(duì)應(yīng)的分級(jí)效率，發(fā)現(xiàn)當(dāng)γ的取值在0.42～0.56之間時(shí)，分離器的分級(jí)效率整體較高.

對(duì)比入射顆粒密度分別為1 000 kg/m3和2 000 kg/m3時(shí)不同粒徑下的分級(jí)效率發(fā)現(xiàn)：與未添加旋流葉片的基礎(chǔ)分離器相比（γ=0），當(dāng)ρ=2 000 kg/m3時(shí)，粒徑在1～2.5 μm的粒子的分離效率增值的最大值 Δηmax 可達(dá)30%～40%;當(dāng)ρ=1 000 kg/m3時(shí)，粒徑在1～3 μm的粒子的分離效率增值的最大值Δηmax 可達(dá)40%～50%.

式中：Δηmax為每一粒徑對(duì)應(yīng)的分離效率增值的最大值;ηmax為添加γ值不同的旋流葉片后，該粒徑下分離效率的最大值;ηγ=0為各粒徑下，未添加旋流葉片時(shí)的分離效率.

由以上分析可知，葉片的螺旋角對(duì)分離器性能影響很小，而高度系數(shù)對(duì)分離器的壓降和分離效率都有著顯著的影響. 當(dāng)旋流葉片的螺旋角為45°，高度系數(shù)為0.56時(shí)，旋風(fēng)分離器的整體性能較優(yōu). 如表4所示，與基礎(chǔ)分離器相比，添加經(jīng)過(guò)優(yōu)化的旋流葉片使分離器的分割粒徑減小了60%～70%，有效提高了分離效率，而分離器壓降僅增加了19.3%.

5? ?結(jié)? ?論

為了提高旋風(fēng)分離器的分離效率，本文提出了一種內(nèi)置旋流葉片的高效旋風(fēng)分離器. 采用RSM模型和離散相的隨機(jī)軌道模型來(lái)模擬分離器內(nèi)的氣相和顆粒相流動(dòng)，并通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行了驗(yàn)證. 通過(guò)數(shù)值模擬，進(jìn)行了添加旋流葉片前后分離器的性能計(jì)算和葉片優(yōu)化，在分離器入口風(fēng)速為15 m/s，入射顆粒密度為1 000 kg/m3和2 000 kg/m3的工況下，主要得出了以下結(jié)論：

1）在旋風(fēng)分離器內(nèi)外渦旋交界面上設(shè)置與氣流旋轉(zhuǎn)方向相同的旋流葉片，含塵氣流中的顆粒會(huì)與葉片發(fā)生碰撞，改變運(yùn)動(dòng)方向并損失部分動(dòng)量，可有效阻擋顆粒進(jìn)入內(nèi)渦旋，從而提高分離效率.

2）添加旋流葉片后，外渦旋區(qū)氣流的切向速度整體提高，有利于提高分離器的分離效率;內(nèi)渦旋區(qū)的切向速度減小，且速度分布沿徑向變化較小;內(nèi)渦旋區(qū)旋流強(qiáng)度減弱，壓力變化平緩.

3）旋流葉片的螺旋角對(duì)分離器性能影響較小，高度系數(shù)對(duì)分離性能影響顯著. 隨著高度系數(shù)的增大，分離器的壓降和分級(jí)效率均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)相對(duì)高度為0.4～0.6時(shí)，分離效率較高.

4）通過(guò)對(duì)旋流葉片的優(yōu)化，可使分離器的分割粒徑減小60%～70%，而壓降僅增大19%.

5）旋流葉片對(duì)于粒徑在1～3 μm的小密度顆粒的分離效率提升更為顯著;且顆粒密度為1 000 kg/m3、粒徑在1～3 μm的粒子的分離效率增值的最大值Δηmax 可達(dá)40%～50%.基于以上理論研究結(jié)果，將進(jìn)一步開(kāi)展內(nèi)置旋流葉片的高效旋風(fēng)分離器性能的試驗(yàn)研究.

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