CFD技術在旋風分離器內部流場中應用的可靠性分析

劉鳳戚　仲凱

摘 要：簡要介紹了CFD技術，并利用CFD技術對旋風分離器進行數值研究，探討了適用于旋風分離器的計算模型，包括湍流模型的選擇、多項流模型的選取以及內部空氣柱的分析方法。以錐形分離器為例進行數值計算和模擬，獲得了旋風分離器中內部流場的靜壓云圖、速度云圖和速度矢量圖，并用模擬結果與實際情況作為參照，得出可信性分析，這在以后對于旋風分離器的優化設計及性能分析有著重要的指導意義。

關鍵詞：CFD技術 旋風分離器 內部流場

中圖分類號：TH43 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）06（b）-0092-02

Abstract：CFD technology was introduced briefly，with which numerical research was carried on.Computational models for Hydrocyclone were discussed，including the choice of turbulence model，multiphase flow model and calculation method for air column.Numerical simulation for taper hydrocyclone was taken as an example.Static pressure cloud chart，velocity cloud chart and vectorgraph of hydroclone internal flow field were achieved.Comparison between the simulation results and practice was made to prove the reliability with the directive significance to hydrocyclone optimization design and performance analysis.

Key Words：CFD Thchnology；Hydrocyclone；Internal Flow Field

旋風分離器廣泛應用于石油化工、燃煤發電和環保等許多行業。它作為一種重要的氣固分離設備，與其他氣固分離設備的技術相比具有機構簡單、無運動部件、分離效率高和壓降適中等特點，尤其適用于高溫、高壓和含塵濃度高的工況。旋風分離器內的流體是一個復雜的三維旋轉流動，流體的旋轉運動簡稱渦流。到現在為止還不能用理論分析的方法來闡明旋流器內部的流體力學規律。近年來，隨著計算機的飛速發展，應用計算機根據計算流體力學（CFD）的原理和方法，對旋流器內部流場進行數值模擬受到越來越多學者的重視。

1 旋風分離技術

旋風分離器的實際工作原理涉及到不同的學科，尤其是與旋轉流動有關的流體力學、流體中顆粒的流動、顆粒特性等知識。

旋風分離器的性能評價主要是總分離效率、分級效率和壓降。因此我們可以分析得出影響旋風分離器性能的主要因素為結構參數、粉塵的物理性質和分離器的運行參數。為了可以實現對結構參數和運行參數的合理性和高度可控性，有必要研究旋風分離器的內部流場特性，在這過程中CFD技術是除了實驗外的可準確分析內部流場特性的唯一手段。

2 CFD技術

CFD軟件將一些難懂的程序代碼打包，因此該項技術更易于掌握和使用，它可以快速地、相對準確地計算并表示旋風分離器內部流場的流動情況，如速度、壓力、濃度甚至湍流動能的分布，可以進一步對流場進行預測和分析，同時也可以通過分析提出問題和解決問題。常用的CFD商用軟件有PHOENICS、CFX、STAR-CD、FIDIP、FLUENT等多個商用CFD軟件，這些軟件的功能比較全面、適用性強；具有比較易用的前后處理系統和與其他CAD及CFD軟件的接口能力；具有比較完備的容錯機制和操作界面，穩定性高；可在多種計算機、多種操作系統，包括并行環境下運行。本文中主要應用了ANSYS ICEM CFD和FLUENT CFD應用軟件進行模擬和分析。

3 旋風分離器的數值模擬

3.1 湍流模型的選擇

旋風分離器內的流體運動可分為短路流、內旋流、外旋流、空氣柱等形式，分離區域可大致分為預分離區、預主分離區。顯然，不同區域流體的運動情況不同，也表示不同區域的固體顆粒的運動特性受不同方式的影響。因此，選擇正確的湍流模型在研究內部流場上是至關重要的。

雷諾應力模型（RSM）比單方程和雙方程模型更加嚴格的考慮線型彎曲、漩渦、旋轉和張力快速變化，它對于復雜流動有更高的精度預測的潛力。可以看出該模型非常復雜，有潛力成為所有經典湍流模型中的通用。計算工作量非常大因此在邊界計算過程中的差分格式采用QUICK差分格式，求解器采用三維雙精度穩態求解器，以便計算結果更為精確。RSM模型是計算重介質旋流器的最佳湍流模型。在流場不是很復雜的情況下也可選擇標準模型。

3.2 網格的劃分

本文中使用ANSYS ICEM CFD，這個商業軟件中可以提供高級幾何獲取、網格生成、網格優化以及后處理工具以滿足當今復雜分析對集成網格生成與后處理工具的需求。旋風分離器的入口的網格是一個難點，本文中應用此軟件為之后的模擬和后處理做了可靠的準備。

3.3 計算結果及對比

分別是旋風分離器內靜壓云圖、切向速度云圖、軸向速度云圖和入口速度矢量圖。由圖可以看出，旋風分離器內部壓力和速度基本沿中軸呈對稱分布。沿徑向方向全壓具有較大梯度；切向速度先增大后減小，具有極大值；軸向速度先減小后增大，有極小值。與現有分析及模擬結果相一致。

圖5為平面z=-270 mm切向速度，在此將模擬結果與參考文獻中的實驗值進行對比，可見模擬結果與實驗值吻合較好。由此表明，所采用的計算模型和數值模擬方法能較好地預測旋風分離器內的氣相流場，有較高的可靠性。其中a圖為參考文獻中結果，b圖為本次模擬結果。endprint

4 結語

本文基于CFD技術，針對旋風分離器模型，探討了適用的湍流模型、網格的劃分以及模擬結果與實驗結果的分析對比，從不同的角度驗證了CFD技術在旋風分離器中的可靠應用。在此基礎上可以通過不同的模擬條件對旋風分離器進行流場分析，從而得到影響旋風分離器的主要因素，最終達到優化設計的目的。CFD技術對旋風分離器的選擇以及準確的預測分離性能有著重要的作用。

當然，CFD技術本身也存在著一定的局限性，比如對物理模型、經驗技巧有一定的依賴，但是因其巨大的優勢，在之后的研究學習過程中它將發揮著越來越多的作用。

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