FLUENT在旋風分離器氣固分離中的應用進展

黨敏輝，鄭化安，張生軍，樊英杰，李學強，劉今乾，張 喻

(1.國家煤業化工集團有限責任公司，陜西 西安 710065；2.陜西煤業化工技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710065；3.國家能源煤炭分質清潔轉化重點實驗室，陜西 西安 710065)

FLUENT在旋風分離器氣固分離中的應用進展

黨敏輝1，2，3，鄭化安1，2，3，張生軍1，2，3，樊英杰1，2，3，李學強1，2，3，劉今乾1，2，3，張 喻1，2，3

(1.國家煤業化工集團有限責任公司，陜西 西安 710065；2.陜西煤業化工技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710065；3.國家能源煤炭分質清潔轉化重點實驗室，陜西 西安 710065)

旋風分離器作為一種具有結構簡單、無運動部件、維修方便、分離效率高等優點的氣固分離設備，近年來在理論研究及工程應用等方面受到了研究者的廣泛關注。FLUENT具有強大的網格支持能力、豐富的物理模型、先進的數值算法及強大的前后處理能力，廣泛應用于航空航天、石油化工、材料、冶金、環保等領域的模擬優化。本文就近年來FLUENT軟件在旋風分離器氣固分離中的應用成果和發展情況進行了總結和評述，并進行了展望。

旋風分離器；FLUENT；模擬；氣固分離

旋風分離器是一種常見的氣固分離設備，其具有結構簡單、無運動部件、維修方便、分離效率高、適用于高壓、高溫、含塵濃度高的工況等特點，廣泛應用于化工、冶金、發電、環保等領域[1]。

由于實驗條件的限制以及計算機技術和計算流體力學的快速發展，數值模擬在旋風分離器氣固分離研究中受到廣泛關注和應用。數值模擬方法具有一系列優點，首先它能夠根據需要任意調整各相關參數，不受材料、物性等客觀因素的限制。其次，數值模擬還能夠得出通過實驗方法很難觀察到的流動內部細節，比如可以計算出兩相流中的速度場、溫度場及壓力場等。

FLUENT作為現階段應用最為廣泛的計算流體力學商業軟件，具有強大的網格支持能力、豐富的物理模型、先進的數值算法及強大的前后處理能力。很多研究者都用FLUENT軟件對旋風分離器進行了數值模擬研究[2-4]。

1 FLUENT簡介

FLUENT是目前最為流行的商用軟件之一，在美國的市場占有率為60%，凡是與流體、熱傳遞及化學反應等有關的領域均可使用。它具有豐富的物理模型、先進的數值方法及強大的前后處理功能，在航空航天、石油化工、材料、冶金、核能、環保等很多領域都有著廣泛的應用[5]。

FLUENT能穩健高效地求解不同的物理模型和流動類型，比如穩態或瞬態、不可壓縮或可壓縮流動、層流或湍流、牛頓流或非牛頓流等。FLUENT提供了豐富的湍流模型，比如Spalart-Allmaras模型、k-ε模型、k-ω模型、雷諾應力模型(RSM)、大渦模擬模型(LES)等；也提供了多種多相流模型，比如VOF模型、Mixture模型、Eulerian模型、拉格朗日模型等。

2 FLUENT在旋風分離器氣固分離中的研究進展

黃興華等[2]用RNG k-X模型模擬氣相紊流特性，用FLUENT軟件對切向進口旋風分離器內的氣相流場和顆粒分離效率進行了三維數值研究。與實驗結果對比發現RNG k-X模型能較好地模擬分離器內的強旋流場。采用拉格朗日模型對固相顆粒的軌跡進行了模擬，發現顆粒進口位置及進口速度對分離效率都有較大影響；排氣管直徑越小，分離效率越大，但當排氣管直徑減小到一定值時，效率提高的幅度減小。

Gimbun, J等[3]借用FLUENT軟件，考察了溫度及入口速度對旋風分離器壓降的影響。并與文獻中的四個預測旋風分離器壓降的經驗模型進行了對比，發現數值模擬能很好地預測旋風分離器的壓降，與實驗數據的最大偏差僅為3%。

宋健斐等[6]用雷諾應力模型對蝸殼式旋風分離器內氣相流場進行了數值模擬。發現旋風分離器環形空間的流場呈現明顯的非軸對稱分布；筒體空間和錐體空間的流場也存在一定的非軸對稱性。入口結構不對稱導致了流場的非軸對稱性。從而導致沿軸向氣流的旋轉中心與旋風分離器的幾何中心不重合。

萬古軍等[7]通過FLUENT軟件，采用改進的各向異性的RSM模型，考察了氣體溫度(293～1273 K)對蝸殼式旋風分離器內氣相流場的影響。模擬結果與實驗數據吻合較好。結果表明，溫度對旋風分離器的流場有較大影響，尤其對切向速度影響很大。切向速度隨溫度升高而降低，同時強制渦區擴大，沿軸向的衰減增大。溫度變化是通過引起氣體粘度和切向速度的變化而影響旋風分離器的分離性能。

萬古軍等[8]考察了壓力對旋風分離器內顆粒濃度分布的影響。氣相采用修正的雷諾應力模型，顆粒相運動采用顆粒隨機軌道模型，對0.1～6.5 MPa壓力下旋風分離器內氣固兩相流流場進行了模擬。結果表明，旋風分離器粒級效率隨壓力的增加而增大，當壓力超過3.0 MPa后，壓力對粒級效率影響不大。

姜小放等[9]采用RSM模型模擬氣相有旋流動，利用DPM離散模型進行顆粒相跟蹤，通過FLUENT軟件對引入二次流的旋風分離器各項參數進行了優化設計。發現二次流有助于提高旋風分離器的分離效率及流場穩定性，不同的進風角度和速度對分離效率都有影響，為旋風分離器的開發提供了參考依據。

趙宏強等[10]利用大渦模擬，對切向入口的Stairmand旋風分離器內流場進行了三維數值模擬。研究發現，大渦模擬適合于三維強旋流的流場模擬，分離器內部的內、外兩個流動區域中，氣體壓力、速度的分布有較大的差異，且壓力分布與速度分布不是絕對的軸對稱分布。

高翠芝等[4]通過數值模擬的方法考察了排氣管直徑及結構對旋風分離器內軸向速度分布形態的影響。研究發現，隨著排氣管直徑增大，軸向速度徑向分布由倒V形轉變成M形，軸向速度滯流最先產生在排氣管內并不斷向分離器下部擴展，排氣管直徑增大到一定值，軸向速度滯流甚至擴展至整個分離器空間。排氣管下端擴口或縮口均影響軸向速度的分布形態。

趙新學等[11]用雷諾應力模型和離散相模型，對旋風分離器壁面磨損進行了研究，并對磨損原因進行了分析。結果發現，數值模擬能夠定性預測旋風分離器壁面的磨損情況，發現壁面磨損的主要部位為入口區域、錐體下部、灰斗以及料腿的上部等，同時也得出了壁面磨損的分布云圖，這些為旋風分離器的優化設計、壁面磨損的分析及防磨措施的提出具有一定的參考價值。

劉成文等[12]利用FLUENT軟件考察了壁面粗糙度對旋風分離器內流場的影響。結果發現，隨壁面粗糙度的增大，切向速度明顯減小，軸向速度沒有明顯的變化規律，徑向速度在流場大部分區域減小，外旋流區的靜壓力明顯減小。

葛坡等[13]選用RSM模型，利用FLUENT軟件研究了對稱多入口型旋風分離器內部的流場。該對稱多入口型由周向布置的12個導流葉片組成。結果表明，對稱性的結構有助于對稱流場的形成；切向速度分布有著明顯的駝峰特征，軸向速度分布分為上行流、下行流區域，壓力為順壓分布。

路偉等[14]借助FLUENT軟件，采用RSM模型，對螺旋式旋風分離器內的三維強旋流場進行了模擬。該旋風分離器內流動較為穩定，但在螺旋通道的中心區域存在回流和二次流。回流增大了中心區域的流動阻力，能量損失主要發生在中心區域及壁面處。

梁紹青等[15]基于非穩態RSM，采用FLUENT軟件對旋風分離器流場進行了模擬，將Q判據應用于旋風分離器內漩渦結構的識別，并與實驗結果進行對比。結果表明，非穩態RSM模型對切向速度能很好的預測，幾乎與實驗一致，軸向速度與實驗結果趨勢一致，能夠很好的預測軸向速度的"駝峰"結構；利用Q判據能夠將旋風分離器內部的旋進渦及環形空間二次渦進行準確識別。

劉豐等[16]利用FLUENT軟件，對比模擬了單旋風分離器和兩套完全軸對稱排布的并聯旋風分離器的氣相流場。結果表明，兩臺和四臺并聯時各分離元件流量偏差分別不超過0.35%和0.28%，壓降最大偏差為0.79%和0.43%，流量分配均勻；對稱排列的分離元件在公共灰斗中會形成自穩定性的對稱渦系，對分離元件內旋進渦核的擺動有約束作用，旋流穩定性增強。

陳建義等[17]研究了差異旋風分離器并聯性能。作者按中心對稱方式建立了相同、旋向差異和芯管差異等三種分離器并聯方案。通過冷態實驗測量了單分離器及各并聯方案的性能，并利用FLUENT軟件模擬了各并聯分離器的流場。結果發現，三種并聯分離器的分離效率均高于單分離器，且相同分離器并聯的分離效率最高。因此，工程應用時，應盡可能采用相同分離器對稱并聯的方式。

3 結論與展望

綜述所述，許多研究者利用FLUENT軟件考察了設備結構、操作條件等對各種類型旋風分離器的速度場、溫度場及壓力場等的影響?？梢钥闯?，FLUENT軟件在旋風分離器氣固分離中具有廣闊的應用前景。隨著計算機技術的快速發展，耗時更多、但更精確的雷諾應力模型湍流模型逐漸被廣泛選用?？梢灶A判更加耗時，但更加準確的直接數值模擬模型必將會得到廣泛應用，從而進一步提高數值模擬預測的準確性，為旋風分離器優化設計提供指導。

[1] 霍夫曼 A C,斯坦因 L E. 旋風分離器--原理、設計和工程應用[M]. 彭維明,姬忠禮,譯. 北京: 化學工業出版社, 2004.

[2] 黃興華,王道連,王如竹,等. 旋風分離器中氣相流動特性及顆粒分離效率的數值研究[J]. 動力工程,2004,24(3):436-441.

[3] Gimbun J, Chuah T G, Fakhru'l-Razi A, et al. The influence of temperature and inlet velocity on cyclone pressure drop: a CFD study[J]. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 2005,44(1):7-12.

[4] 高翠芝,孫國剛,董瑞倩. 排氣管對旋風分離器軸向速度分布形態影響的數值模擬[J].化工學報,2010,61(9):2409-2416.

[5] 屈一新. 化工過程數值模擬及軟件[M]. 北京: 化學工業出版社, 2006.

[6] 宋健斐,魏耀東,時銘顯. 蝸殼式旋風分離器氣相流場的非軸對稱特性的模擬[J].化工學報,2005,56(8):1397-1402.

[7] 萬古軍,魏耀東,時銘顯. 高溫條件下旋風分離器內氣相流場的數值模擬[J]. 過程工程學報,2007,7(5):871-876.

[8] 萬古軍,孫國剛,魏耀東,等. 壓力對旋風分離器內顆粒濃度分布影響的模擬[J]. 石油學報(石油加工),2008,24(6):689-696.

[9] 姜小放,曹西京. 二次流旋風分離器的數值模擬與優化設計[J]. 輕工機械,2009,27(6):34-37.

[10] 趙宏強,蔣海華,謝武裝. 基于大渦模擬的旋風分離器內流場數值模擬研究[J]. 環境工程學報,2009,3(4):759-763.

[11] 趙新學,金有海,孟玉青,等. 旋風分離器壁面磨損的數值分析[J]. 流體機械,2010,38(4):18-22.

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[14] 路偉,胡少波,方 敏. 基于CFD的螺旋式旋風分離器數值模擬[J]. 湖北工業大學學報,2012,27(4):37-40.

[15] 梁紹青,王鋮健. 旋風分離器流場數值模擬及其渦結構識別[J]. 煤炭學報,2014,39(S1):262-266.

[16] 劉 豐,陳建義,張愛琴,等. 并聯旋風分離器的旋流穩定性分析[J]. 過程工程學報,2015,15(6):923-928.

[17] 陳建義,高 銳,劉秀林,等. 差異旋風分離器并聯性能測量及流場分析[J]. 化工學報,2016,67(8):3287-3296.

(本文文獻格式：黨敏輝，鄭化安，張生軍，等.FLUENT在旋風分離器氣固分離中的應用進展 [J].山東化工，2017，46(12)：82-83，85.)

The Application of FLUENT in Gas-Solid Cyclone Separator

DangMinhui1，2，3,ZhengHuaan1，2，3,ZhangShengjun1，2，3,FanYingjie1，2，3,LiXueqiang1，2，3,LiuJinqian,ZhangYu1，2，3

(1.Shaanxi Coal and Chemical Industry Co.,Ltd.,Xi'an 710065, China;2.Shaanxi Coal and Chemical Technology InstituteCo., Ltd.,Xi'an 710065, China;3.State Energy Key Laboratory of Clear Coal Grading Conversion, Xi'an 710065, China)

As a gas-solid separation device with simple structure, no moving parts, easy maintenance and high separation efficiency, cyclone separator has attracted much attention in recent years in theoretical research and engineering application. FLUENT has a strong grid support capability, rich physical model, advanced numerical algorithms and powerful pre-processing and post-processing capabilities, and it is widely used in the simulation and optimization of aerospace, petrochemical, materials, metallurgy, environmental protection. In this paper, the application and development of FLUENT software in gas-solid cyclone separators are summarized and reviewed, and the prospect is also discussed.

cyclone separator; FLUENT; simulation; gas-solid separation

2017-04-14

國家重點研發計劃“煤熱解共性關鍵技術研究及碎煤熱解工程化應用”(2016YFB0600403)

黨敏輝(1984—)，河南漯河人，博士，工程師，主要從事煤熱解技術的研究。

TQ028.2; TQ015.9

A

1008-021X(2017)12-0082-02