一種高效旋風(fēng)分離器的分離特性

孟柯含 路義萍 戴景祿 張松松

摘?要：為了研究大氣監(jiān)測系統(tǒng)中涉及的旋風(fēng)分離器的分離性能及影響因素，根據(jù)旋風(fēng)分離器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)尺寸，建立流場三維物理模型，應(yīng)用雷諾應(yīng)力模型（RSM）模擬氣相速度場，然后加入顆粒相應(yīng)用離散相模型進(jìn)行氣固兩相流耦合計(jì)算，得出內(nèi)外旋渦形式的流場對顆粒運(yùn)動影響及顆粒的分離情況;為滿足分離性能的要求，在初始結(jié)構(gòu)方案基礎(chǔ)上，依次改變排氣管長度、直徑等參數(shù)，計(jì)算并比較分離效率曲線的幾何標(biāo)準(zhǔn)差。結(jié)果表明：較優(yōu)結(jié)構(gòu)排氣管長度為42mm、直徑為18mm，可有效抑制短路流產(chǎn)生，增大外部漩渦區(qū)域，保證了幾何標(biāo)準(zhǔn)差為1.5±0.1，提升了分離效率。

關(guān)鍵詞：旋風(fēng)分離;數(shù)值模擬;臨界粒徑;分離性能

DOI：10.15938/j.jhust.2020.03.018

中圖分類號：?TK09

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：?A

文章編號：?1007-2683（2020）03-0116-06

Abstract：In?order?to?study?the?separation?performance?and?influencing?factors?of?cyclone?separator?involved?in?the?atmospheric?monitoring?system，?the?structure?size?of?the?particle?was?designed?and?the?three-dimensional?physical?model?of?the?flow?field?was?established?by?the?design?criterion?of?the?cyclone?separator.?Reynolds?stress?model?（RSM）?was?used?to?simulate?gas?velocity?field，?then?the?particles?phase?was?added?and?the?gas-solid?two-phase?flow?was?calculated?by?the?discrete?phase?model.?The?effect?of?internal?and?external?vortices?on?particle?motion?and?the?separation?of?particles?is?obtained.?In?order?to?satisfy?the?requirements?of?separation?performance，?the?parameters?such?as?the?length?and?diameter?of?exhaust?pipe?were?changed?successively?and?the?geometric?standard?deviation?of?the?efficiency?curve?of?separation?was?calculated?and?compared?on?the?basis?of?the?initial?structure?scheme.?The?result?show?that?the?optimal?exhaust?pipe?length?is?42mm?and?diameter?is?18mm.?It?can?effectively?inhibit?the?generation?of?short?circuit?flow，?increase?the?external?vortex?area，?guarantee?the?geometric?standard?deviation?is?1.5±0.1，?improve?the?separation?efficiency.

Keywords：cyclone?separation;?numerical?simulation，?critical?particle?size，?separation?performance

0?引?言

旋風(fēng)分離器自發(fā)明投入使用以來已有百余年歷史，先后經(jīng)過了3個(gè)發(fā)展階段，通過理論分析、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、模擬計(jì)算等階段對它有了更加深入的認(rèn)識[1-2]，用數(shù)值模擬方法對旋風(fēng)分離器內(nèi)部分離過程進(jìn)行模擬，理論研究相對成熟。

近年來，國內(nèi)外研究學(xué)者對旋風(fēng)分離器進(jìn)行了大量相關(guān)研究，王海剛等[3]針對標(biāo)準(zhǔn)k-ε、RNG?k-ε、雷諾應(yīng)力（RSM）模型分別進(jìn)行了計(jì)算，通過分析三種不同湍流模型模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)RSM模型更能準(zhǔn)確反映分離器內(nèi)部氣相的真實(shí)狀態(tài);高雪琦等[4]在Fluent中應(yīng)用了RSM和離散相模型（DPM）模型，分別模擬了多種尺寸的旋風(fēng)分離器對細(xì)微粒的分離效果;QI?Z等[5]著重分析了旋風(fēng)分離器內(nèi)部復(fù)雜的流場特征，在流動不同時(shí)期采用不同的模擬方法，開始以RSM模型，穩(wěn)定后過度到大渦模擬，最后激活多相流模型。同時(shí)分析了顆粒的粒徑分布、密度對分離效率的影響。近年來，計(jì)算模型逐漸完善，計(jì)算軟件逐漸發(fā)展，研究不同參數(shù)對分離器性能的影響較多。凌國華[6]分析了進(jìn)氣口顆粒的狀態(tài)對分離效率的影響。袁怡等[7]通過比較不同圓柱體直徑與分離器分離性能的關(guān)系，定性的預(yù)測了旋風(fēng)分離器分離效率和壓降隨圓柱體直徑的變化趨勢。JIN?W?L等[8]發(fā)現(xiàn)內(nèi)外漩渦分界面的形狀對氣流流動和顆粒分離的影響很大，分離器中圓錐體部分及進(jìn)氣口可以影響對內(nèi)外漩渦分界面。調(diào)整圓柱體直徑，可以減小進(jìn)氣流量對總壓降的影響。OSCAR?L等[9]認(rèn)為在旋風(fēng)分離器的設(shè)計(jì)時(shí)最重要的性能參數(shù)是壓降和收集效率，發(fā)現(xiàn)最大切向速度位置向內(nèi)移動，壁面附近切向速度變化梯度增加，均會降低壓降，增加收集效率。蘇偉等[10]通過研究分離器內(nèi)氣相流場的分布，改變?nèi)肟跉怏w流量，顆粒相濃度來分析分離性能的好壞。狄文靜等[11]模擬研究了VSCC型旋風(fēng)分離器的內(nèi)部湍流場，并進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，提出了多種幾何參數(shù)改進(jìn)方案，定性的分析了提高分離效率，減少能耗的途徑。GHASEMI?A等[12]對三維旋風(fēng)分離器進(jìn)行數(shù)值模擬，通過改變排氣口直徑、圓柱體直徑。進(jìn)氣口直徑及傾角，獲得了氣液分離的最佳點(diǎn)。汪林[13]研究了進(jìn)氣口不同位置處顆粒的分離狀況，研究了排氣管截面積、偏置方向、偏心距帶來的壓力損失及分離效率的影響。姜孝國等[14]采用Fluent對分離器效率的影響因素進(jìn)行了分析，著重研究了逃逸的三類顆粒，并分別提出了減少這三類顆粒逃逸的優(yōu)化措施及建議。近期研究重點(diǎn)主要集中在不同結(jié)構(gòu)旋風(fēng)分離器的分離性能研究[15-17]。

綜上所述，在國內(nèi)外的研究中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)的人都集中在定性分析邊界條件及結(jié)構(gòu)參數(shù)對氣相流場及分離效率的影響，對要求有特定切割粒徑的分離器的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)及邊界條件的設(shè)定的研究較少。本文研究的是固定源排放顆粒物濃度監(jiān)測系統(tǒng)裝置中的PM10旋風(fēng)分離器，特點(diǎn)是流量小，流量為10L/min，臨界粒徑應(yīng)為10μm，同時(shí)為后面PM2.5濃度測量的準(zhǔn)確性，還需保證分離效率幾何標(biāo)準(zhǔn)差在理論范圍內(nèi)。

1?物理模型

本文設(shè)計(jì)的PM10旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)及原理示意見圖1，該裝置分為5個(gè)區(qū)域：進(jìn)氣管、圓柱體、圓錐體、排氣管、排塵口，其中h為圓柱體高度，H為分離器高度，De為排氣管直徑，D為圓柱體直徑，a為進(jìn)氣口高度，b為進(jìn)氣口寬度，E為排塵口直徑。圖1（b）為X=0截面。

使用SolidWorks建立物理計(jì)算模型，根據(jù)文[18]得出各結(jié)構(gòu)尺寸如表1：

2?數(shù)學(xué)模型及求解條件

2.1?數(shù)學(xué)模型

氣相模型：根據(jù)以往研究發(fā)現(xiàn)RSM模型[3]更能準(zhǔn)確反映分離器內(nèi)部氣相的真實(shí)狀態(tài)，故選用該模型方程：

氣固兩相模型：本文的PM10旋風(fēng)分離器，粒子濃度相對較低，則應(yīng)使用離散相模型（DPM）[19]，對粒子的軌跡進(jìn)行追蹤。由于體積分?jǐn)?shù)較小，不需要考慮考慮離散相對氣相的作用，因此選用單向耦合。由以往的研究可知，曳力對顆粒運(yùn)動的影響最大，其余的對其影響非常小，固可忽略不計(jì)。曳力表達(dá)式如下：

分離性能指標(biāo)：

1）臨界粒徑dc50是分離性能的一個(gè)關(guān)鍵參考因素，通常情況下，用dc50表示在分離器中分離效率為50%的顆粒空氣動力學(xué)直徑[20]。

2）認(rèn)為排塵口流出的顆粒數(shù)N逃逸與進(jìn)氣口射入的顆粒總數(shù)N總數(shù)的比值為總分離效率η，也可以表示為分級分離效率，指在某一粒徑范圍內(nèi)的分離效率，可以直觀反映對不同粒徑顆粒的分離程度[21]。

式中：dc84，dc50，dc16，分別代表分離效率為84%，50%，16%的顆粒粒徑;δg為無量綱常數(shù)，用來表示分離器的分離性能。

2.2?求解條件

氣相邊界條件：①進(jìn)氣口：給定體積流量入口10L/min，煙氣溫度150℃，設(shè)置進(jìn)氣口為速度入口2.3m/s，水力直徑為10mm;②排氣口：設(shè)置為自由出流;③壁面：無滑移。

顆粒相邊界條件：①進(jìn)氣口：在進(jìn)氣口進(jìn)入的粒子群按初始尺寸分組，使不同粒徑的粒子在進(jìn)氣口截面不同的位置均勻射入，粒子與氣體的初始速度相同;②壁面：設(shè)置壁面為reflect;③排氣口：設(shè)置為escape（4）排塵口：設(shè)置排塵口邊界條件為trap。

采用ICEM軟件劃分網(wǎng)格，發(fā)現(xiàn)當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為30萬以上時(shí)，模擬結(jié)果基本不隨網(wǎng)格數(shù)變化。壓力離散格式采用PRESTO！，其他離散格式相采用具有三階精度的QUICK格式。離散方程組求解時(shí)壓力速度耦合采用SIMPLEC方法，近壁面處使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法，獲得網(wǎng)格獨(dú)立收斂解。

3?計(jì)數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1?流動分析

假設(shè)顆粒相的體積分?jǐn)?shù)很小，將其視為稀疏相處理，顆粒相的受力與運(yùn)動受分離器中氣相流場作用的影響較強(qiáng)烈，首先計(jì)算分離器中的氣相流場。

流場Y=0截面（見圖1）速度矢量分布見圖2。由圖可知，分離器內(nèi)有內(nèi)旋渦與外旋渦構(gòu)成的雙層旋流以外，還有局部的二次渦流;由進(jìn)氣口射入的大部分氣流進(jìn)入分離器內(nèi)，有一小部分氣流沿軸向朝上運(yùn)動，碰到上壁面后，在排氣管外壁面附近形成了二次渦流，這些渦流會將其中未經(jīng)分離的顆粒聚集在長時(shí)間停留，最終增加了這部分粒子撞擊到壁面上的概率，影響了分離的性能;由進(jìn)氣口射入的氣流速度較大，紊流程度較強(qiáng)，并且進(jìn)氣口距離排氣口下端較近，所以一部分顆粒流并未跟隨主流體向下運(yùn)動，未經(jīng)分離過程經(jīng)排氣管流出，類似短路流，嚴(yán)重降低了分離性能。

氣相計(jì)算分析結(jié)束后，加入顆粒相計(jì)算顆粒的運(yùn)動情況，得到各粒徑范圍內(nèi)顆粒的分離效率η，如圖3所示。由圖可知，10μm以下分離曲線上凹，其他下凹;隨著粒徑增加，η數(shù)值逐漸增加;粒徑超過10μm，η增長速率放緩。本研究的PM10分離器不僅要保證臨界粒徑在10±0.5μm范圍內(nèi)，為了保證下一級測量準(zhǔn)確性，須保證分離效率曲線的幾何標(biāo)準(zhǔn)差為δg=1.5±0.1，如果對于大粒徑顆粒的分離效果較差，使得大顆粒進(jìn)入后續(xù)細(xì)分離設(shè)備，會使后續(xù)測量產(chǎn)生誤差。

根據(jù)圖3得到dc84=13.2，dc16=6.71，?dc50=8.7，計(jì)算得到分離效率曲線幾何標(biāo)準(zhǔn)差：δg=dc84/dc50=1.47，δg=dc50/dc16=1.33。數(shù)值小于1.4，分離性能較差。主要是由于在臨界粒徑附近的顆粒，未能按理想的運(yùn)動軌跡發(fā)展，主要表現(xiàn)在過多小粒徑顆粒被PM10旋風(fēng)分離器收集，過多大粒徑顆粒逃逸。

3.2?結(jié)構(gòu)參數(shù)對分離性能的影響

針對上述方案得到的PM10旋風(fēng)分離器分離效率曲線幾何標(biāo)準(zhǔn)差較差的問題，為提高分離性能，依次改變分離器排氣管的長度、排氣管的直徑，使用SolidWorks、ICEM進(jìn)行前期處理，給定相同的邊界條件，分別進(jìn)行數(shù)值模擬，并總結(jié)結(jié)構(gòu)尺寸對分離性能的影響規(guī)律。

排氣管長度影響：設(shè)計(jì)了如下兩組改進(jìn)方案;具體結(jié)構(gòu)參數(shù)改變數(shù)值見表2。第一組方案中圓柱體段高度不變，第二組方案中圓柱體高度隨排氣管改變，設(shè)排氣管長度為36mm時(shí)為初始方案，其他的結(jié)構(gòu)參數(shù)均相同。

得到排氣管長度不同時(shí)4個(gè)方案中分離器Y=0截面的速度分布云圖，見圖4，通過方案一與方案二比較發(fā)現(xiàn)，隨著排氣管長度的增加，在排氣管外壁面附近的二次渦流范圍逐漸變小。氣流進(jìn)入分離器的位置與排氣口底端的距離增加，減少了氣流因兩者距離短直接進(jìn)入排氣口的短路流的發(fā)生，在此處的氣流的速度逐漸增加，減少了氣流直接進(jìn)入排氣口的可能性。但隨著排氣管長度的增加，排氣管增加部分的管壁破壞了原本存在的分離器氣流內(nèi)外雙層漩渦狀態(tài)，減小了對顆粒分離起主要作用的外旋渦區(qū)域，使得分離器內(nèi)沒有足夠的空間使顆粒進(jìn)行分離，導(dǎo)致增加排氣管長度但并不能很好的提高分離性能。

第2組方案，將圓柱體段高度隨排氣管長度改進(jìn)，速度云圖見圖5。通過縱向?qū)Ρ鹊谝弧⑷桨?第二、四方案，可以明顯發(fā)現(xiàn)，在排氣管底端處切向速度減小，避免了較大顆粒逃逸;內(nèi)外漩渦區(qū)域高度增大，使得顆粒有足夠空間進(jìn)行分離，同時(shí)可以減少排塵口附近已被捕集顆粒出現(xiàn)返混的可能性，只改變排氣管長度方案的缺點(diǎn)得到了修正。故初步選定第4方案。

排氣管直徑的影響：在對旋風(fēng)分離器的研究中發(fā)現(xiàn)，排氣口直徑對分離性能有重要影響。為了分析排氣管直徑對分離器性能的影響，在上述第4方案的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了排氣管直徑分別為14、18、26mm，3個(gè)改進(jìn)方案，其他的結(jié)構(gòu)參數(shù)均相同。

兩個(gè)方案的切向速度分布見圖6，對比發(fā)現(xiàn)當(dāng)排氣管直徑變小時(shí)，分離器的最大切向速度變大。切向速度對顆粒的分離至關(guān)重要，切向速度越大，顆粒越容易分離。方案一中的最大切向速度是方案3中的1.8倍，所以排氣管直徑越小越好;隨著排氣管直徑逐漸變大，由最大切向速度值組成的CS面沿徑向向外移動，即CS面以外的對顆粒分離起主要作用的外旋渦區(qū)域變小，對顆粒分離效果變差。

方案1、2方案中分離器Y=0截面的軸向速度分布云圖，見圖7，由圖可知，第1方案中心線上，軸向速度由0m/s增加到6.72m/s，而第3方案中心線上軸向速度由0m/s增加到2.24m/s，排氣管直徑越小，上升氣流的流通流截面積變小，使得軸向速度明顯增加。但軸向速度過大，使得一些原本可以被捕集的在內(nèi)漩渦中做上旋運(yùn)動的大粒徑顆粒逃逸，降低了分離性能，所以并不是排氣管直徑越小越好。即取18mm作為直徑。

4?結(jié)果驗(yàn)證

在原方案基礎(chǔ)上，通過計(jì)算分析對PM10旋風(fēng)分離器進(jìn)行了排氣管長度及直徑的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，改善了分離性能，改進(jìn)方案與原方案中各粒徑范圍顆粒的分離效率見圖8，分離效率曲線幾何標(biāo)準(zhǔn)差δg=dc84/dc50=1.45，δg=dc50/dc16=1.42。可以發(fā)現(xiàn)，對于較大粒徑的顆粒分離效率提高，說明結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的PM10旋風(fēng)分離器捕集了更多的大于10μm的顆粒，減小了在原方案這些顆粒逃逸對后續(xù)測量的誤差，較小粒徑的顆粒分離效率降低。

5?結(jié)?論

本章為分離含塵氣流中PM10顆粒，根據(jù)PM10旋風(fēng)分離器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，為滿足臨界粒徑，分離效率幾何標(biāo)準(zhǔn)差的要求，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)，根據(jù)氣固兩相流動模擬結(jié)果，提出了影響因素并進(jìn)行比較分析，得到以下幾條結(jié)論：

1）在旋風(fēng)分離器排氣管外壁上存在二次渦流，增加了顆粒停留的時(shí)間，不利于分離;在排氣管底端存在短路流，導(dǎo)致部分顆粒未經(jīng)分離直接流入排氣口逃逸。

2）隨著排氣管長度增加（圓柱體高度增加相同值），減少了排氣管下端短路流的發(fā)生，當(dāng)其值為42mm時(shí)，分離性能較好。

3）隨著排氣管直徑減小，在各高度截面上的最大切向速度均有不同程度的增加，CS面沿徑向朝中心移動，外旋渦區(qū)域增大，當(dāng)De=14mm時(shí)最大切向速度是De=26mm時(shí)的1.8倍。但直徑過小會導(dǎo)致軸向速度過大，影響正常顆粒分離，分析得到當(dāng)De=18mm時(shí)，滿足要求。

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（編輯：王?萍）