旋風(fēng)筒流場綜述

□□楊沛浩，李敏

旋風(fēng)筒流場綜述

A Summary of Flow Field in Cyclone

□□楊沛浩1，李敏2

旋風(fēng)筒自發(fā)明以來，因其結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低、維護(hù)管理方便、分離效率高、粉體顆粒負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)、可在高溫下使用等特點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于石油、化工、冶金、煤炭、電力、醫(yī)藥和水泥等行業(yè)。

1 旋風(fēng)筒氣固分離原理

眾所周知，含粉體顆粒氣流在旋風(fēng)筒內(nèi)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣流主要受離心力、器壁的摩擦力的作用，粉體顆粒主要受離心力、器壁的摩擦力和氣流的阻力作用。此外，兩者還同時(shí)受到一個(gè)由于含粉體顆粒氣流從旋風(fēng)筒上部連續(xù)擠壓而產(chǎn)生的向下推力作用，這個(gè)推力則是含粉體顆粒氣流旋轉(zhuǎn)向下運(yùn)動(dòng)的原因。由此可見，含粉體顆粒氣流中的氣流和粉體顆粒的受力情況是基本相同的。但是由于兩者物理性質(zhì)不同，致使他們在受力狀況基本相同的條件下，得到不同的運(yùn)動(dòng)效果，從而使粉體顆粒和氣流最后得到分離。氣流和粉體顆粒的不同物理特性，主要表現(xiàn)在一個(gè)是氣態(tài)的物質(zhì)，質(zhì)量較小，容易變形；另一個(gè)是固態(tài)物質(zhì)，質(zhì)量較大，不易變形。所以，當(dāng)含粉體顆粒氣流受離心力作用，向旋風(fēng)筒內(nèi)壁收縮時(shí)，它所受到的離心力較氣體為大，因此粉體顆粒在力學(xué)上有條件將氣流擠出，而濃縮于筒壁，而氣流則貼附于粉體顆粒層上。當(dāng)含粉體顆粒氣流運(yùn)動(dòng)時(shí)，粉體顆粒給氣流一個(gè)作用力，可局部改變氣流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；同時(shí)氣流也給粉體顆粒一個(gè)反作用力，這就是氣流對粉體顆粒的阻力,這個(gè)阻力的大小直接影響粉體顆粒濃縮沉降到旋風(fēng)筒壁的難易[1]。旋風(fēng)筒工作原理示意圖見圖1。

2 旋風(fēng)筒流場

自20世紀(jì)30年代荷蘭科學(xué)家Terlinden初次對旋風(fēng)筒內(nèi)的流場進(jìn)行測定之后，不少人在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了比較深入的、系統(tǒng)的測定和研究[2]～[9]。

國內(nèi)外對旋風(fēng)筒流場研究的人很多，采用的方法基本上分為兩種。一種是用五孔探針測量旋風(fēng)筒內(nèi)三維流場，另一種是通過數(shù)值計(jì)算模擬旋風(fēng)筒流場。旋風(fēng)筒的流場基本情況見圖2。

2.1 旋風(fēng)筒切向速度分布

切向速度對于粉體顆粒的捕集與分離起著主導(dǎo)作用，含粉體顆粒氣體在切向速度的作用下，使粉體顆粒由里向外離心沉降。

式中：m——粉體顆粒的質(zhì)量

ar——粉體顆粒圓周運(yùn)動(dòng)的加速度

Ut——粉體顆粒的切線速度

r——粉體顆粒旋轉(zhuǎn)半徑

離心沉降速度：

式中：ρs——粉體顆粒的密度

ρg——?dú)怏w的密度

dp——粉體顆粒的直徑

μp——粉體顆粒的粘度

氣體的切向速度是固體顆粒離心力的提供者，其值的大小表征了氣體對固體顆粒形成離心效應(yīng)的能力，旋風(fēng)筒內(nèi)切向速度分布的規(guī)律性較好。從旋風(fēng)筒中心沿徑向隨半徑的增加，切向速度逐漸增大，直至切向速度達(dá)到最大值。最大切向速度Utmax是表征旋風(fēng)筒分離能力的重要參數(shù)，它在相當(dāng)程度上決定了臨界分離粒徑的大小，在旋風(fēng)筒徑向風(fēng)速一定的前提下，Utmax越大臨界分離粒徑越小。切向速度最大值約為旋風(fēng)筒進(jìn)口氣流速度Ui的2～3倍，切向速度最大值之間所包含的區(qū)域稱為（準(zhǔn)）強(qiáng)制渦流區(qū)(Ut/rn=常數(shù))，又叫“渦核區(qū)”。渦核區(qū)的平均半徑叫“渦核半徑”。在渦核區(qū)外圍，隨著半徑的

通訊地址：1西安建筑科技大學(xué)粉體工程研究所，陜西 西安 710055；2西安市市政設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710054；

式中：n——速度分布指數(shù)

在理想情況下，n=－1時(shí)，為強(qiáng)制渦流（似固體旋轉(zhuǎn)）；n=1時(shí)，為自由渦流（勢流）。在實(shí)際情況中，－1.5＜n＜－2.0時(shí)，為準(zhǔn)強(qiáng)制渦流；0.5＜n＜0.9時(shí)，為準(zhǔn)自由渦流。對于準(zhǔn)自由渦流，根據(jù)Alexander測定并得出的經(jīng)驗(yàn)公式可以計(jì)算出n值的大小。即：

式中：D0——筒體直徑

T——熱力學(xué)溫度

一般認(rèn)為速度分布指數(shù)n的具體數(shù)值是以筒體尺寸為特征長度的Re數(shù)的函數(shù)。研究表明，n值大小對旋風(fēng)筒阻力損失的影響是不同的，當(dāng)n值較小時(shí)，阻力損失相對較小，當(dāng)n值增大時(shí)，阻力損失相應(yīng)提高。

雖然切向速度分布比較規(guī)整，呈現(xiàn)較好的對稱性，但最大切向速度點(diǎn)的位置在不同的截面上有波動(dòng)，分界點(diǎn)半徑re值的大小，對分離效率有一定的影響。旋風(fēng)筒內(nèi)渦核半徑re的大小，在某種程度上間接反映了其分離能力的高低。一般說來，渦核半徑愈大，則離心分離區(qū)愈小，分離能力愈低；渦核半徑愈小，則離心分離區(qū)愈大，分離能力愈高。這是因?yàn)椋L(fēng)筒內(nèi)的流場可分為由（準(zhǔn)）自由渦氣流構(gòu)成的離心捕集區(qū)和由（準(zhǔn)）強(qiáng)制渦氣流構(gòu)成的逸流區(qū)，其邊界為切向速度最大的渦核半徑re。由于渦核半徑上的離心效應(yīng)最大，因此，物料一旦隨徑向氣流進(jìn)入（準(zhǔn)）強(qiáng)制渦，便會在軸向氣流的帶動(dòng)下逸出排氣管。當(dāng)渦核半徑減小時(shí)，意味著離心捕集空間的增大和逸流區(qū)的減小，會相應(yīng)提高旋風(fēng)筒的分離效率。根據(jù)不同資料統(tǒng)計(jì)，re=(0.4～0.8)rc，其中rc為排氣管半徑。表1列出了幾種文獻(xiàn)報(bào)道的re值。

2.2 旋風(fēng)筒徑向速度分布

正值表示沿徑向?qū)χ行牧鲃?dòng)的匯流，負(fù)值表示沿徑向背著中心向外流動(dòng)的源流。一般認(rèn)為，在（準(zhǔn)）自由渦區(qū)，徑向風(fēng)速表現(xiàn)為匯流，即氣體由外向內(nèi)流動(dòng)；而在（準(zhǔn)）強(qiáng)制渦區(qū)，則表現(xiàn)為源流，即氣流由內(nèi)向外流動(dòng)。顯然，源流有利于生料的捕集分離。從旋風(fēng)筒徑向速度Ur分布可以看到徑向速度相對較小，并且大部分是向心的，只在中心渦核處才有小部分的向外源流。此外，沿軸向上，徑向速度也不是均勻分布。在內(nèi)筒下口附近，徑向向心流速較大，這些較大的向心氣流會把粉體顆粒帶到中心上旋氣流中去，很快進(jìn)入排氣管，對分離是不利的。在錐體下部邊壁的粉體顆粒隨匯流推動(dòng)重新進(jìn)入逸流區(qū)而導(dǎo)致分離效率下降。以開爾文定理為基礎(chǔ)推出的任一點(diǎn)（r，z）的徑向速度為：

式中參數(shù)如圖3所示。

式中：z——軸向位置

r——徑向位置

B0——常數(shù)，對長錐體旋風(fēng)器，B0=14.2

2.3 旋風(fēng)筒軸向速度分布

軸向速度分布構(gòu)成旋風(fēng)筒外層下行，內(nèi)層上行的氣體雙層旋轉(zhuǎn)流動(dòng)結(jié)構(gòu)。正值表示軸向速度為向上旋流，負(fù)值表示軸向速度為向下旋流。從軸向速度分布圖上可看出，旋風(fēng)筒的軸向速度分布規(guī)律性也比較好，軸向速度Uz分成兩個(gè)區(qū)域，即旋風(fēng)筒邊壁區(qū)域的向下流動(dòng)以及筒體中部區(qū)域的向上流動(dòng)。上下旋流分界面的半徑與所在截面半徑之比在0.55～0.75之間。氣流進(jìn)入旋風(fēng)筒后按初始旋轉(zhuǎn)動(dòng)量的慣性作向下螺旋線運(yùn)動(dòng)，物料被攜帶向旋風(fēng)筒下部運(yùn)動(dòng)同時(shí)被分離，邊壁的向下流動(dòng)對粉體顆粒的向下卸料起到了推動(dòng)作用。氣流達(dá)到錐體下部后受到排氣管的吸流作用折流向上進(jìn)入內(nèi)旋流區(qū)域，最后從內(nèi)筒排出。內(nèi)筒端面上軸向速度呈“馬鞍形”分布。在錐體下部的邊壁，軸向向下流動(dòng)的數(shù)值較高，這對防止分離后粉體顆粒在錐體斜坡處的堆積起到明顯效果，由于減弱了分離后粉體顆粒在錐體處的堆積，可降低粉塵的二次飛揚(yáng)，從而提高分離效率。以開爾文定理為基礎(chǔ)推出的任一點(diǎn)（r,z）軸向速度為：

式中：z——軸向位置

r——徑向位置

B0——常數(shù)，對長錐體旋風(fēng)器，B0=14.2 r0——筒體半徑z0——如圖3所示Uz——軸向速度Ur——徑向速度

2.4 旋風(fēng)筒壓強(qiáng)分布

旋風(fēng)筒內(nèi)的靜壓力場，主要受離心力場的支配，而軸向速度或徑向速度對其影響很小。沿旋風(fēng)筒軸向，幾乎不產(chǎn)生壓力差。在旋風(fēng)筒同一截面的四個(gè)不同方位上，氣流切向速度變化不大，靜壓力變化也很小，只有沿旋風(fēng)筒的徑向，氣流切向速度變化很大，壓力變化也很顯著。沿徑向的壓力梯度主要不是由于氣流的摩擦阻力損失造成的，而是由于氣流切向速度的變化，即由離心力產(chǎn)生的。靜壓的分布曲線的規(guī)律性較好，形狀穩(wěn)定。靜壓力值沿徑向從壁面至中心依次降低，在邊壁附近，靜壓隨半徑的變化較小，而在中心區(qū)域存在一個(gè)明顯的高負(fù)壓區(qū)。旋風(fēng)筒（準(zhǔn)）自由渦范圍內(nèi)任意半徑r處的靜壓力分布，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：p0——筒體邊壁靜壓

Ut——切向速度ρg——?dú)怏w密度

在準(zhǔn)強(qiáng)制渦區(qū)范圍內(nèi)任意半徑r處的靜壓力分布，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：re——渦核半徑

由于中心特別是卸料口處的負(fù)壓較高，容易引起漏風(fēng)現(xiàn)象，而漏風(fēng)不僅會引起熱效率的降低，也會引起分離效率的降低,因此在錐體下部尤其是卸料口區(qū)域的防漏風(fēng)顯得更為重要。

3 旋風(fēng)筒流場總結(jié)[5]

通過分析流場可知，旋風(fēng)筒內(nèi)的流場是兩種不同性質(zhì)的旋流(準(zhǔn)自由渦流與準(zhǔn)強(qiáng)制渦流)及流向相反的源流與匯流疊加起來的流場。兩種旋流分界面以外是準(zhǔn)自由渦流與匯流的疊加，而分界面以內(nèi)的核心是準(zhǔn)強(qiáng)制渦流與源流的疊加，旋風(fēng)筒的分離作用是在準(zhǔn)自由渦與匯流疊加的流場內(nèi)進(jìn)行的。整個(gè)流場是一個(gè)三元流場，即由切向分速Ut,軸向分速Uz與徑向分速Ur組成。粉體顆粒被捕集分離的主導(dǎo)流速分量是切向速度Ut與徑向速度Ur。前者產(chǎn)生徑向加速度Ut2/r，因而使粉體顆粒在半徑方向由里向外作離心沉降，把粉體顆粒推到圓筒壁而被分離；后者是把粉體顆粒在半徑方向由外向內(nèi)推到中心部位而隨上升氣流從排氣管排出，這是旋風(fēng)筒內(nèi)流場中諸流速分量中的一對主要矛盾，因而可以稱為主流。至于軸向分速Uz與徑向分速Ur則構(gòu)成另一對矛盾，這對矛盾對分離效率與分離過程起到次要的作用，稱為次流。一般有兩種次流，筒體次流與錐體次流。次流的作用就是產(chǎn)生灰環(huán)，筒體次流產(chǎn)生上灰環(huán)，錐體次流產(chǎn)生下灰環(huán)。上灰環(huán)使原來已捕集分離在圓筒邊緣的粉塵先沿外筒壁向上運(yùn)動(dòng)，然后沿頂蓋向內(nèi)移動(dòng)，又沿內(nèi)筒的外壁向下移動(dòng)，最后短路而排出旋風(fēng)筒，使分離效率降低。下灰環(huán)則是推動(dòng)已捕集分離在錐體邊緣的粉體顆粒向下移動(dòng)，最后被收集排出，這是有利于分離效率提高的灰環(huán)。

[1]魏平.旋風(fēng)預(yù)熱器的流場測試與分析[J].和田師范專科學(xué)校學(xué)報(bào)（漢文綜合版），2005，7.第25卷第一期，總第33期.

[2]李利，熊萬榮，胡明，等.導(dǎo)流板在旋風(fēng)除塵器中的應(yīng)用研究[J].武漢工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1992，6.第1卷第2期.

[3]薛勇，黃文熙，張昌祥，等.AGCP預(yù)熱器旋風(fēng)筒三維流場的測定及分析[J].四川建材學(xué)院學(xué)報(bào)，1991，9.第6卷第3期.

[4]張吉光，葉龍.高效旋風(fēng)器分級效率理論計(jì)算的新方法[J].青島建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，第12卷第4期.

[5]張長森，倪文龍，吳其勝.低阻高效雙出風(fēng)口旋風(fēng)筒的研究[J].礦山機(jī)械，2004，10.

[6]姬忠禮，時(shí)銘顯.蝸殼式旋風(fēng)分離器內(nèi)流場的特點(diǎn)[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1992，第16卷第1期.

[7]張冠卿，李昌勇.5500t/d頂級旋風(fēng)預(yù)熱器的綜合研究與評述[J].水泥技術(shù)，2006，3.

[8]王曉峰，李建偉.旋風(fēng)預(yù)熱器的流場測試與分析[J].洛陽工業(yè)高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2000，6.第10卷第2期.

[9]凌志光，黃存魁.旋流式分離器三維流場測定[J].力學(xué)學(xué)報(bào)，1989，5.第21卷第3期.

book=20,ebook=33

TQ172.622.29

A

1001－6171（2010）05－0020－03

2010－01－13；編輯：趙 蓮

表1 最大切向速度點(diǎn)的位置

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楊沛浩（1970，4－），男，西安市戶縣人，工程師，在職碩士研究生，現(xiàn)從事旋風(fēng)預(yù)熱器性能的研究和預(yù)熱器分解爐的制造。增加切向速度逐漸減小，直至壁面處達(dá)到最小值而接近Ui，這區(qū)域氣流叫（準(zhǔn)）自由渦流區(qū)(Utrn=常數(shù))。把上述兩種旋流用一個(gè)通式來表示：