旋轉渦旋管分離器分離效率數值分析

湯 浩，李 麗，畢云棟，譚曉東

(大連交通大學機械工程學院，遼寧 大連 116028)

0 引言

渦旋管分離器作為過濾系統的前端，適用于大多數軍工領域和化工領域，渦旋管分離器通過內置旋流葉片，使混有固體顆粒的氣流進入渦旋管分離器后，在慣性力的作用下，分離固體顆粒和空氣，從而達到凈化空氣，減輕后續過濾裝置的壓力，延長過濾系統的壽命，減少維修成本的目的[1-3]。

文獻[4]介紹了新型高效渦旋管分離器的工作原理和應用，解決了壓縮空氣管道繡粉等固體顆粒的處理問題。文獻[5-6]對多管式渦旋管分離器其中的單管進行數值模擬，研究得出適當的進氣預旋角度和降低集塵口的掃氣比可以提高顆粒直徑較小時的分離效率，但是對顆粒直徑較大的則影響很小。文獻[7]對空氣分離器中工作氣體類型對渦流管性能的影響進行了數值分析比較，結果表明二氧化氮產生的分離效率比較大。文獻[8]建立了防砂渦旋管中砂粒和空氣的兩相流模型，研究了設計參數對分離效率的影響規律，并提出了一種渦旋管設計方法。

目前，國內外對渦旋管分離器做出了大量研究，但大部分渦旋管結構為旋流葉片為固定不動，與渦旋管壁為一體。該設計對新型可旋轉旋流葉片的渦旋管分離器的分離效率進行模型構建和數值分析，探究渦旋管內部速度矢量分布以及設計參數對分離效率的影響，從而為渦旋管分離器優化設計奠定基礎。

1 計算模型及模擬方法

1.1 計算模型

該渦旋管分離器由渦旋管入口、可旋轉的旋流葉片、集塵口和集氣管組成，具體結構如圖1所示。混有固體顆粒的空氣通過渦旋管入口導入，經過順時針旋轉的旋流葉片時，在慣性力作用下進行分離，固體顆粒沿壁面經集塵口排出，去除雜質后的空氣經過收縮狀集氣管出口排出，從而達到過濾凈化的效果。

圖1 渦旋管分離器結構圖

渦旋管分離器數值模型，采用非結構網格，網格數為45萬。主要分為3個計算域，分別為靜域、旋轉域和靜域，如圖2所示。其中，旋轉域包括旋流葉片和旋轉軸部分，旋轉域的運動方式為moving mesh，內部靜域與旋轉域的接合面設為交接面邊界，順時針旋轉，旋轉單位為rpm。

邊界條件主要設定為：渦旋管入口為壓力入口、逃逸邊界；集氣管出口為壓力出口、逃逸邊界；集塵口為壓力出口、捕獲邊界；旋流葉片表面為無滑移壁面邊界，與旋轉域相對靜止，壁面、旋流葉片、集氣管出口均為反射邊界。

圖2 模型網格域及邊界條件

1.2 氣固兩相流模型

由于數值模擬顆粒濃度低于5.5%，不考慮顆粒間的作用力，所以顆粒相采用基于Lagrange的隨機軌道模型[9]，在數值模擬時固體顆粒受到氣體的力的方程為：

(1)

其中，up為顆粒速度，u為氣流速度，FD(u-up)為單位質量的顆粒受到的曳力，gx為在x方向上的重力加速度，ρp為顆粒密度，ρ為氣流密度，Fx為在x方向上受到的其他力。

1.3 模擬方法

渦旋管分離器中的氣流屬于強旋流，采用realizable k-ε湍流模型。控制方程為二階迎風格式，并使用SIMPLEC算法求解離散方程組。

2 計算參數

2.1 分離效率

渦旋管分離器的分離效率重點分析的性能參數，是評判渦旋管分離器好壞的重要參數之一。這里用η表示：

(2)

2.2 正交試驗設計

正交試驗設計為研究多因素多水平的一種設計方法，根據正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的組[10-11]。這里具體因素選取為轉速(順時針)、出口壓力(包括集塵口和集氣管出口)、葉片個數、顆粒大小4個參數，每個因素取三個水平，共9組實驗，正交試驗設計參數表如表1所示。

表1 正交設計參數表

3 數值模擬結果與分析

3.1 速度矢量

當氣流從渦旋管分離器入口進入，遇到旋流葉片后發生干涉，隨著順時針旋轉的旋流葉片做螺旋運動，同時由于葉片做旋轉運動，氣流同時受到離心力作用。在流出旋流葉片區域后，速度趨于穩定，如圖3所示。

圖3 速度矢量圖

3.2 分離效率

通過對9組不同的參數數值模擬，得出各組分離效率，如圖4所示。從分離效率折線圖中可以看出，只有第五組低于90%，其余各組的分離效率普遍較高，說明該旋轉渦流管分離器可以達到較高的分離效率。其中，第四組正交試驗的分離效率最高，達到了98.9%。具體工況為轉速為500 rpm，出口表壓力為-5000 Pa，葉片數為4個，顆粒大小為0.01 mm。

圖4 分離效率

圖5為第4組工況的渦旋管分離器葉輪處速度截面云圖。從每個截面的分布情況看出，由于離心力的作用，氣流速度葉輪越遠，速度越大。同時，氣流經過葉輪后，速度增加的趨勢比較明顯。

圖5 速度截面云圖

圖6為第4組工況的渦旋管分離器的壓力云圖，空氣從左側渦旋管入口進入，經過旋轉的葉片，靠近旋轉軸的地方壓力明顯降低，經過后部軸區域壓力也有一定降低，最后壓力逐步降低至集塵口和集氣管出口設定壓力。

圖6 壓力云圖

3.3 極差分析

極差分析法是正交試驗設計中常用的方法之一，通過極差分析方法，對分析效率進行結果分析，得出極差R來研究4個因素對分離效率的影響大小如正交試驗結果表2所示。

表2 正交設計參數表

從表中極差R的大小可以看出各個因素對分離效率的影響，極差值越大說明對分離效率的影響越大，反之則越小。結果表明，對渦旋管分離器分離效率影響最大的是固體顆粒大小，其次是渦旋管葉片數，集塵口和集氣管出口壓力，影響最小的是渦旋管旋轉葉片轉速。

4 結論

以具有可旋轉的旋流葉片渦旋管分離器為模型，通過數值計算和正交試驗設計，分析渦旋管葉片轉速、出口壓力、葉片數和顆粒大小4個參數對渦旋管分離器分離效率的影響大小，結果表明：

(1)4種因素中對旋轉渦旋管分離器分離效率影響最大的是顆粒大小，其次是葉片數，再是出口壓力，最小的是葉片轉速。

(2)通過數值模擬得出，第4組的分離效率最高，對應結構參數和工況為，葉片轉速為500 rpm，出口表壓力為-5000 Pa，葉片數為4個，顆粒大小為0.015 mm時，分離效率為98.9%。數值計算結果表明，該設計的新型旋轉渦流管分離器可以實現較高的分離效果，為下一步的旋轉渦旋管結構優化打下基礎。

(3)這里只對渦旋管分離器部分參數對分離效率的影響進行了分析，今后還可以考慮對旋流管長度，空氣出口大小等參數的影響。