兩級串聯旋風分離器不同連接通道截面積對流場及性能的影響

趙 瀟，李 杰

1.中石油貴州天然氣管網有限公司，貴州貴陽 550081

2.黔南民族職業技術學院，貴州都勻 558000

1 數值計算模型

1.1 流體湍流模型

兩級旋風分離器[1-7]內部流體為各向異性的強旋流，采用Navier-Stokes方程描述氣體相，通過雷諾應力模型求解應力輸運方程，基本方程表示如下：

（1） 連續性方程：

（2） 動量方程：

（3） 雷諾應力模型輸運方程：

式中：ρ為流體密度，kg/m3；i、j、k為坐標方向；xi、xj、xk為空間位置，m；ui、uj、uk為流體瞬時速度分量，m/s；為流體平均速度分量，m/s；u′i、u′j為流體脈動速度分量，m/s；為平均壓力，Pa；為雷諾應力分量，m2/s2；μ為流體動力黏度，Pa·s；t為時間，s；DT，ij為湍流擴散項；DL，ij為分子擴散項；Gij為應力產生項；φij為應力應變再分配項；εij為耗散項。

1.2 固體顆粒運動模型

兩級旋風分離器內部固體顆粒在氣流的帶動下運動，由牛頓第二定律可得固體顆粒在拉格朗日坐標下的軌跡運動方程：

式中：mp為顆粒質量，kg；為顆粒速度，m/s；為顆粒阻力，N；為顆粒重力，N；為顆粒浮力，N；為附加質量力，N；為壓力梯度力，N；為旋轉科氏力，N；為離心力，N。

2 仿真模型建立

2.1 幾何模型及網格劃分

兩級串聯旋風分離器之間的連接通道截面積與筒體截面積之比為K，即K=，其中D為旋風分離器筒體直徑，a、b分別為旋風分離器進口的高和寬。

本文主要研究3組兩級串聯旋風分離器即K7.85+K7.85 組、K7.85+K6.28 組、K7.85+K10.47 組的流場與性能。3 組兩級串聯旋風分離器連接通道的不同截面尺寸如表1所示。

表1 3組兩級串聯旋風分離器連接通道的不同截面尺寸

K7.85+K7.85 組是由兩個尺寸完全相同的標準Stairmand型旋風分離器串聯而成的（一級出口接二級進口），一、二級旋風分離器的入口截面積相等，即兩級的入口速度相同，是一種等氣速匹配的串聯組合；K7.85+K6.28 組是由兩個尺寸完全相同的標準 Stairmand 型旋風分離器串聯而成的（除入口截面積不同外），第二級旋風分離器的進口截面積大于第一級旋風分離器入口截面積，是一種氣速遞減匹配的串聯組合；K7.85+K10.47 組是由兩個尺寸完全相同的標準 Stairmand 型旋風分離器串聯而成的（除入口截面積不同外），第二級旋風分離器的進口截面積小于第一級旋風分離器入口截面積，是一種氣速遞增匹配的串聯組合。

兩級串聯旋風分離器結構與網格劃分如圖1所示，標準 Stairmand 型旋風分離器的具體尺寸見表2。

圖1 兩級串聯旋風分離器結構與網格劃分示意

表2 旋風分離器的具體尺寸

兩級串聯的連接通道總長度為2D，一級旋風分離器排氣管外延長度Le為D，二級旋風分離器的排氣管外延長度為0.5D。為了研究不同旋風分離器內部流場及壓力變化，設定S線截面（見圖1（a）），該區域位置距離平行于排塵口的平面3.25D。用ANSYS有限元軟件對旋風分離器的流體域進行O型結構化網格劃分[8-9]，全部采用六面體單元對壁面進行邊界層網格細化。

2.2 邊界條件及數值解法

仿真模型中氣相流體采用常溫常壓空氣，其正常壓力設置為P=0.101 MPa，密度1.225 kg/m3，黏度μ為1.78×10-5Pa·s。排氣口邊界為自由流動；排塵口和其他邊界采用光滑的無滑移壁面；旋風分離器的壁面采用無滑移邊界，通過標準的壁面函數來處理該區域，壁面粗糙度ks=0.046；旋風分離器數值模擬的粉塵顆粒采用滑石粉，顆粒密度為870 kg/m3，流量為0.001 kg/m3；排氣管出口區域設置為逃逸，排塵口區域設置為捕捉，其他壁面區域設置為反彈，顆粒與壁面發生的碰撞設置為彈性碰撞[4，10-13]。

Shukla、馬欣等分析了旋風分離器不同的數值解法，其研究表明[13-15]：在湍流模型中選用雷諾應力模型（RSM）最為適宜，SIMPLEC算法應用于壓力與速度耦合，QUICK 算法應用于離散格式，PRESTO算法應用于壓力插補格式；二階迎風對應于耗散率與湍流動能和一階迎風對應于雷諾應力項與試驗值最相符。對于顆粒相質量分數很小（低于10%）的情況，采用DPM算法處理顆粒相，使用RTAPEZOIDAL格式離散顆粒相控制方程，考慮到氣相流動對顆粒相運動的影響，顆粒相采用隨機軌道模型來處理以及單相耦合來計算。

3 連接通道截面積對流場及性能的影響分析

3.1 不同連接通道截面積對流場的影響分析

K7.85+K6.28組、K7.85+K7.85組、K7.85+K10.47組的兩級串聯旋風分離器的靜壓流場云圖如圖2所示。由圖2可知，3組串聯旋風分離器的一級旋風分離器內部靜壓云圖的壓力值相對于坐標系原點處的靜壓值基本都為正，二級旋風分離器內部靜壓云圖的壓力值相對于坐標系原點處的靜壓值大小，正負值均有呈現；隨著兩級串聯旋風分離器連接通道截面面積的減小，一、二級的最大靜壓值增大。

圖2 一、二級串聯旋風分離器的靜壓流場云圖

一、二級旋風分離器筒體段S線上的靜壓曲線如圖3所示。從圖3中可以看出，隨著兩級串聯旋風分離器連接通道截面積的減小，一、二級旋風分離器的靜壓分布范圍逐漸增大。一、二級旋風分離器的靜壓曲線均呈現“V”字形。

K7.85+K6.28 組、K7.85+K7.85 組、K7.85+K10.47 組的一、二級串聯旋風分離器的軸向速度流場云圖如圖4所示。由圖4可知，相同尺寸旋風分離器串聯的軸向速度云圖基本一致，隨著兩級串聯旋風分離器連接通道截面面積的減小，最大軸向速度逐漸增大。

圖3 旋風分離器S線上的靜壓曲線

圖4 一、二級串聯旋風分離器的軸向速度流場云圖

一、二級旋風分離器筒體段S線上的軸向速度曲線如圖5所示。

圖5 一、二級串聯旋風分離器S線上的軸向速度曲線

由圖5的S線上軸向速度曲線可知，K7.85+K6.28 組的第一級旋風分離器內部軸向速度曲線形狀為單峰，其他一、二級旋風分離器軸向速度曲線都呈倒“W”形或雙峰形，且一級旋風分離器的軸向速度大于二級旋風分離的軸向速度；隨著兩級串聯旋風分離器連接通道截面面積的減小，一、二級旋風分離器的軸向速度都逐漸增大。

K7.85+K6.28 組、K7.85+K7.85 組、K7.85+K10.47 組的一、二級串聯旋風分離器的軸向速度流場云圖如圖6所示。由圖6云圖可知，隨著兩級串聯旋風分離器連接通道截面面積的減小，最大切向速度逐漸增大；K7.85+K6.28 組的一、二級串聯旋風分離器的切向速度云圖呈現一、二級切向速度值大小基本一致，在 K7.85+K7.85 組和 K7.85+K10.47 組的一、二級旋風分離器切向速度云圖中，第二級旋風分離器的切向速度比第一級旋風分離器的切向速度大。

圖6 一、二級串聯旋風分離器的切向速度流場云圖

一、二級旋風分離器筒體段S線上的切向速度曲線如圖7所示，由圖7可知，3組兩級串聯旋風分離器的二級旋風分離器的切向速度均大于一級旋風分離器內部流場的切向速度；從3組串聯的旋風分離器S線上的切向速度對比來看，隨著兩級串聯旋風分離器連接通道截面面積的減小，切向速度逐漸增大。

圖7 一、二級串聯旋風分離器S線上的切向速度曲線

3.2 不同連接通道截面積對壓降的影響分析

K7.85+K6.28 組、K7.85+K7.85 組、K7.85+K10.47 組的一、二級串聯旋風分離器的壓降值如表3所示。隨著3組兩級串聯旋風分離器的連接通道截面積的減小，總壓降逐漸增大；第一級旋風分離器的壓降基本相等，接近于1 000 Pa，第二級旋風分離器的壓降隨著連接通道截面積的減小而逐漸增大。K7.85+K6.28 組串聯旋風分離器的一、二級壓降比為6∶4，K7.85+K7.85 組串聯旋風分離器的一、二級壓降比為5∶5，K7.85+K10.47 組串聯旋風分離器的一、二級壓降比為4∶6。

3.3 不同連接通道截面積對分離性能的影響分析

K7.85+K6.28 組、K7.85+K7.85 組、K7.85+K10.47 組的一、二級串聯旋風分離器的分離效率如圖8所示。3組不同截面積連接通道的串聯旋風分離器的第一級對滑石粉顆粒的分離效率基本一致，第二級的分離效率隨著連接通道截面面積的減小而逐漸增大；3組不同截面積連接通道的旋風分離器的一、二級總分離效率也隨著連接通道截面積的減小而逐漸增大，其中K7.85+K10.47組的一、二級旋風分離器的壓降值最大，一、二級壓降比為4∶6，其分離效率也為最優。

表3 3組不同截面積連接通道的旋風分離器的壓降值

圖8 不同截面積連接通道的旋風分離器分離性能曲線

可以用切割粒徑來表征旋風分離器的分離性能，統計有限元分析結果，得到K7.85+K6.28組、K7.85+K7.85組、K7.85+K10.47組的一、二級串聯旋風分離器的切割粒徑圖（見圖9），隨著3組兩級串聯旋風分離器的連接通道截面積的減小，其切割粒徑逐漸減小。分析結果表明，K7.85+K10.47組的分離效率最優。

圖9 不同截面積連接通道的旋風分離器切割粒徑曲線

4 結論

采用數值模擬方法分析了K7.85+K6.28 組、K7.85+K7.85 組、K7.85+K10.47 組兩級串聯旋風分離器的靜壓、切向速度、軸向速度、壓降、分離效率以及切割粒徑隨著連接通道不同截面積的變化而變化的情況，分析得出：隨著連接通道截面積的減小，一、二級分離器的軸向速度都增大，最大軸向速度值也增大，且第一級軸向速度大于第二級軸向速度；隨著連接通道截面積的減小，切向速度增大，最大切向速度值也增大，且第二級切向速度比第一級切向速度大，一、二級總分離效率增大，切割粒徑減小；其中K7.85+K10.47 組合壓降最大，一、二級壓降比為4∶6，分離效率最優。