SLK分離器數值模擬及實驗研究*

田 坪

（北京理工大學珠海學院）

田 巍

（吉林農業工程職業技術學院)

0 前言

旋風分離器是一種利用氣固兩相流體的旋轉運動，使固體顆粒在離心力的作用下從氣流中分離出來的設備。由于它具有結構簡單、設備緊湊、無相對運動部件、價格低廉、操作維修方便等特點，可以滿足不同生產中的特殊要求，因而成為最常用的一種分離、除塵設備，廣泛地應用于氣體凈化、固體顆粒的分離回收和環境保護等領域。但是由于旋風分離器的性能尤其是除塵效率還不能滿足實際的要求，一些工礦企業為了達到廢氣排放標準而不得不使用價格昂貴的袋式除塵器或其它除塵器，因此，有必要設計開發一種高效低阻旋風分離器，最大限度地提高旋風分離器的性能，以滿足工礦企業的實際需求。筆者在參考國內外各種傳統的和新型的分離設備基礎上[1]，通過研究不同粒徑的微粒在渦流場中的動力學特征，設計制作了高效低阻SLK旋風分離器，并在該機上完成了測試分析。

1 SLK旋風分離器的分離過程

SLK旋風分離器由筒體、錐體、進氣入口、排氣管和排灰管等組成，如圖1所示。旋風分離器的工作過程如下：當含塵氣體由切向進氣口進入旋風分離器時，氣流由直線運動變為圓周運動。旋轉氣流的絕大部分沿器壁自圓筒體成螺旋形向下朝錐體處流動，通常稱此為外旋流。含塵氣體在旋轉過程中產生離心力，將密度大于氣體的塵粒甩向器壁。塵粒一旦與器壁接觸，便失去徑向慣性力而靠向下的動量和向下的重力沿壁面下落，進入排灰管。旋轉下降的外旋氣體到達錐體處時，因圓錐殼體的收縮而向除塵器中心靠攏。根據 “旋轉矩”不變的原理，其切向速度不斷提高，塵粒所受的離心力也不斷加強。當氣流到達錐體下部某一位置時，氣流以同樣的旋轉方向從旋風分離器中部由下反轉向上繼續做螺旋形流動，即內旋氣流。最后凈化氣體經排氣管排出管外，一部分未被捕集塵粒也由此排出。

圖1 SLK旋風分離器工作原理

自進氣入口流入的另一小部分氣體則向旋風分離器頂蓋流動，然后沿排氣管外側向下流動；當到達排氣管下端時即反轉向上，隨上升氣流的中心流一同從排氣管排出。分散在這一部分氣流中的塵粒也隨同被帶走[2]。

2 SLK旋風分離器的數值模擬

2.1 數學模型的建立

SLK旋風分離器較傳統的旋風分離器結構復雜，包括偏心的螺旋向下的進口，其對網格的質量要求比較高，若直接進行求解，不僅較難收斂，網格數量也將受到限制。由于分離區域主要為兩相流區域，故本文僅結合連續方程、動量方程與Reynolds應力方程（后簡稱RSM）進行耦合隱式不可壓縮單相穩態3 D雙精度求解。進行求解的控制方程為：

在目前DNS（直接數值模擬）和LES（大渦模擬）還難以應用于復雜工程問題的情況下，雖然RSM在2D求解中加入了4個方程，會比κ-ε和κ-ω類湍流模型耗費更多計算資源，但由于其放棄了各向同性湍流黏度假設，直接對Reynolds方程中的湍流脈動應力建立微分方程，因而在各項異性的強旋轉流動求解中更具有優勢。RSM流動方程表示為：

式（1）～（3）中， μ 為氣體動力黏度（Pa·s），ρg為氣體密度 （kg/m3）， vi、 vj、 vk為直角坐標系下 i、 j、 k方向氣流速度 （m/s）， xi、xj、xk為直角坐標系下i、j、k方向向量， gi為直角坐標系下i方向重力加速度（m/s2），p 為壓力（Pa）。 式（3）中等號左端第一、第二項分別為湍流隨時間變化率及平均運動的對流；右端依次為湍流擴散項、壓力產生項、浮力產生項、壓強應變項、耗散項、旋流產生項和顆粒作用源項。具體符號意義及推導過程詳見文獻[3] 。

2.2 邊界條件設置

具體分析的模擬機為SLK旋風分離器。由Pro／E建立實體模型，并將其導入Gambit中作網格劃分。網格如圖2所示，模型區域主要采用四面體結構，但是在適當位置可以包含六面體、 錐形和楔形網格單元。進風口設置速度進口邊界條件，出口設置壓力出口邊界條件，固壁無滑移且不可穿透，采用標準壁面函數處理。在FLUENT里進行有限體積法求解。其中流體密度、黏度、出口風壓、風量等參數按裸機工作狀況選取，Reynolds應力分量按文獻 [4] 計算。各變量均為Second order upwind格式，壓力速度耦合方程采用SIMPLE算法，方程中的欠松弛因子按經驗選取。

圖2 邊界條件設置

完成初步求解后進行網格自適應調整，共迭代大約2500步之后達到較優結果。

3 結果與分析

3.1 軸向速度

從圖3可以明顯地看出，分離器的中心區域形成了類似柱狀的氣芯柱，在氣流到達底部的過程中，也有少部分氣流進入該氣芯柱。在出口管附近氣流的速度較大，紊流程度較強；在分離器筒體部分有渦存在，這是由氣體在筒體內進行強旋轉運動產生的。

圖3 x=0平面的速度矢量

3.2 切向速度

如圖4和圖5所示，在出風筒所在空間內切向速度分布不均勻，遠離出風筒進口一側即x軸的正方向切向速度值要大一些。這是由于單向的旋轉流動產生的必然結果。這種流動情況還會使渦核偏離設備的幾何中心線，造成一種渦核非穩態現象，即旋進渦核。

圖4 出風筒下端的速度矢量

圖5 筒體任一平面的速度矢量

速度矢量示意圖 （圖4和圖5）表明，對于這種單進口分離器內部會出現氣流偏心、不利于微小粉塵顆粒分離的問題。為此，SLK旋風分離器設計了新型的進口，渦核變形比較小，偏心也比較小，在過軸直徑上具有較好的軸對稱性，呈準軸對稱，解決了單進口分離內部氣流偏心影響微小粉塵顆粒分離的問題。

3.3 顆粒軌跡

本文考察了三種粒徑的顆粒3μm、5μm和20μm在進口速度分別為8.8 m/s、13.9 m/s和16.2 m/s時的9種顆粒運動軌跡，如圖6、圖7和圖8所示。

圖6 顆粒運動軌跡（8.8 m/s）

圖7 顆粒運動軌跡（13.9 m/s）

圖8 顆粒運動軌跡（16.2 m/s）

由不同粒徑的顆粒運動軌跡可以看出，顆粒的運動情況非常復雜。對于粒徑較小的顆粒，流場脈動對其軌跡的影響較大，從而使其隨機性增加，因此即使顆粒粒徑相同，進口速度也相同，運動軌跡也可能不同。對于粒徑較大的顆粒，流場脈動對其軌跡的影響有限，而且這種影響隨粒徑的增加而減弱，不影響軌跡的基本形狀。

不同粒徑的顆粒從入口同一位置進入分離器時，粒徑較大的顆粒由于所受的離心力較大，很快到達器壁回轉向下，進入下錐體被捕集；粒徑較小的顆粒，隨流體運動的跟隨性較好，有相當大一部分顆粒跟隨氣流在分離器內作旋轉運動，離開過程（被捕集或逃逸）的時間較長。

通過模擬顆粒在分離器內的運動軌跡，可以直觀地顯示旋風筒的工作過程，揭示分離器內氣、固分離的機理。在模擬過程中，可以清晰地看到顆粒在內流場作用下的螺旋運動形式。顆粒隨氣流進入分離器后，在離心力的作用下，顆粒向分離器外筒內壁靠近而變成了沿筒壁旋轉的薄層顆粒帶，同時顆粒帶又隨氣流旋轉向下運動，當到達分離器底部時，氣流變為向上旋轉。此時，絕大部分顆粒在重力和慣性力的作用下，繼續向錐筒底部運動，實現氣固分離；少部分顆粒 (粒徑較小的顆粒)被氣流帶入內旋流，轉而向上運動，隨即進入出風筒排出。另外，也可以清晰地看到，極少部分的顆粒在剛進入分離器時就發生短路，迅速進入出風筒。從模擬結果來看，顆粒的運動軌跡基本可以反映實際的顆粒運動狀況[5]。

4 實驗測試

旋風分離器在工業生產中應用較多，有著廣泛的用途。根據以上的分析和模擬結果，我們設計、制造了SLK旋風分離器，并進行了半工業性測試和分析，為其放大及商品化提供必要的基礎數據。

實驗的進口氣速在9.9～19.9 m/s時，SLK旋風分離器的分離效率可達90%以上，壓力損失為100～400 Pa。上述值均優于其它類型的旋風分離器。

SLK旋風分離器實測的分級除塵效率如表1所示，表2為收下粉塵的粒度分布。SLK旋風分離器測試流程如圖9所示。

表1 SLK旋風分離器實測的分級除塵效率 （%）

表2 旋風分離器收下粉塵粒度和累計質量分布

圖9 SLK旋風分離器測試線

5 結論

（1）根據數值模擬設計的SLK旋風分離器，優勢顯而易見。該旋風分離器不僅內氣流的流動狀態得到改善，有效地降低了錐體部分的二次揚塵，避免了上灰環現象的發生，而且由于旋風分離器內氣流旋轉速度的增加而增大了塵粒的離心力，使傳統型旋風分離器除不掉的小顆粒得以在改進型高效旋風分離 （除塵）器內除去。

（2）通過FLUENT軟件并應用拉格朗日模型對旋風分離器內部區域進行兩相模擬分析與參數優化，得到了關鍵尺寸和壓力控制參數。

（3）與傳統的旋風分離器相比，該旋風分離器可以作為中、小型水泥廠或其它行業的除塵設備使用。其體積小，易制造，經濟適用。

[1] Jon Dirgo， David Leith.Cyclone collection efficiency：comparison of experimental results with heoretical predictions.Aerosol Science and Technology， 1985(4)：401-405.

[2] 張力德.超細粉體制備與應用技術 [M] .北京：化學工業出版社，2001.

[3] 于勇，張俊明，姜連田，等.FLUENT入門與進階教程[M] .北京：北京理工大學出版社，2008：238-243.

[4] Shapiro M,Galperin V.Air classification of solid particles:a review [J] .Chemical Engineering and Processing，2005， 44(2)： 285-297.

[5] 周謨仁.流體力學泵與風機 [M] .北京：中國建筑工業出版社，1985.