基于計(jì)算顆粒流體力學(xué)的旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

趙峰，孫明興，郝哲峰，車(chē)德勇

（1．華能伊春熱電有限公司，黑龍江省 伊春市 153000； 2．東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林省 吉林市 132000）

0 引言

由于旋風(fēng)分離器內(nèi)部不存在運(yùn)動(dòng)附件，具有能耗小、故障率低以及易維護(hù)等特點(diǎn)，因此被能源行業(yè)大量使用[1-8]。但旋風(fēng)分離器工作時(shí)，內(nèi)部氣體和固體顆粒同時(shí)流動(dòng)，使得內(nèi)部流動(dòng)特性十分復(fù)雜，特別是在入口顆粒體積分?jǐn)?shù)較大的工況下，實(shí)際運(yùn)行情況和理論設(shè)計(jì)相差甚遠(yuǎn)，因此，通過(guò)數(shù)值模擬手段了解內(nèi)部?jī)上嗔鬟\(yùn)動(dòng)情況，對(duì)優(yōu)化分離器性能是十分必要的。

目前，已有學(xué)者對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)部流動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行了研究，如陳俊冬等[9]采用CFD軟件對(duì)旋風(fēng)分離器分離性能進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)芯管深度會(huì)影響分離效率；王帥等[10]采用LES-DEM耦合方法研究旋風(fēng)分離器內(nèi)氣固兩相流動(dòng)特性，結(jié)果表明，顆粒在壁面附近因速度下降而被捕捉；張峰等[11]采用FLUENT軟件對(duì)褐煤干燥過(guò)程中旋風(fēng)分離器的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了入口速度對(duì)分離性能的影響。然而以上研究并未對(duì)大量顆粒群在不同類(lèi)型分離器中的運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行深入分析，為此，本文以2種結(jié)構(gòu)旋風(fēng)分離器為研究對(duì)象，采用計(jì)算顆粒力學(xué)理論模型對(duì)分離器內(nèi)部氣固兩相流的流動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行模擬分析，以期為實(shí)際工程中旋風(fēng)分離器的選型與優(yōu)化提供參考。

1 數(shù)值方法

Barracuda是一款大型氣體顆粒流化床反應(yīng)器模擬軟件，主要基于計(jì)算顆粒流體力學(xué)(computational particle fluid dynamics，CPFD)數(shù)值方法，適用于計(jì)算量較大的兩相流工程仿真。CPFD方法是Snider[12]最先提出來(lái)的，運(yùn)用歐拉?拉格朗日耦合求解方式來(lái)解決流體中顆粒三維運(yùn)動(dòng)的高效求解問(wèn)題。與其他多相流數(shù)值方法不同的是，CPFD方法在求解過(guò)程中提出了“顆粒團(tuán)”概念，即將一定數(shù)量同類(lèi)特征的實(shí)際顆粒進(jìn)行打包，形成計(jì)算顆粒。計(jì)算顆粒在流場(chǎng)中受到重力、摩擦力和顆粒相互碰撞作用力，氣體相和顆粒相運(yùn)動(dòng)通過(guò)各自的控制方程完成求解，在這個(gè)過(guò)程中對(duì)應(yīng)氣體的控制方程[13]為

式中：θg為氣體體積分?jǐn)?shù)；ρg為氣體密度；υg為氣體流動(dòng)速度；τg為氣相應(yīng)力張量；Sg為氣體源項(xiàng)；P為氣壓；g為重力加速度；F為兩相之間的黏性力，表示為

式中：μg為氣相動(dòng)力黏度；rp為顆粒半徑；υp為顆粒速度；ρp為顆粒密度；f為概率分布函數(shù)；fb為由曳力模型決定的系數(shù)；m為質(zhì)量。

本文中曳力模型是Wen-Yu/Ergun模型[14-15]，其通過(guò)Wen-Yu模型與Ergun模型進(jìn)行線(xiàn)性變換得到，因此由曳力模型決定的系數(shù)fb可表示為

式中：θcp為顆粒處于壓實(shí)狀態(tài)的體積分?jǐn)?shù)；θp為顆粒在流化過(guò)程中的體積分?jǐn)?shù)；fw、fe通過(guò)Wen-Yu模型和Ergun模型計(jì)算獲取。

在計(jì)算顆粒碰撞時(shí)，采用的顆粒法向應(yīng)力為

式中：Ps為大于0的常數(shù)；γ為模型的自有系數(shù)，取值范圍為[1.2, 5]；ε為構(gòu)建的一個(gè)小量，用于消除模型中奇異點(diǎn)。

2 計(jì)算條件

圖1為原始直線(xiàn)型、改造后的螺旋型2種結(jié)構(gòu)的旋風(fēng)分離器，均由直筒段、圓錐段和集料斗3部分組成。直筒段直徑為0.80 m，高度為0.78 m，上出口直徑為0.40 m；圓錐段高度為0.82 m，錐口直徑為0.20 m；集料斗上端直徑為0.50 m，直段長(zhǎng)度為0.20 mm，下料口直徑為0.20 m。含顆粒氣流以8 m/s速度從入口進(jìn)入，入口顆粒體積分?jǐn)?shù)為20%，粒徑分布為0.1~1 m正態(tài)分布，顆粒經(jīng)過(guò)旋風(fēng)分離器的作用，大部分顆粒從集料斗下料口排出。本文采用Barracuda軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算所需的物性參數(shù)如表1所示。

圖1 2種不同結(jié)構(gòu)的旋風(fēng)分離器 Fig. 1 Two different types of cyclone separators

表1 物性參數(shù) Tab. 1 Physical and numerical parameters

3 結(jié)果分析

3.1 顆粒運(yùn)動(dòng)情況

圖2為同一邊界條件下不同結(jié)構(gòu)的分離器內(nèi)部顆粒速度分布情況。含顆粒氣流進(jìn)入分離器后，大部分顆粒在離心力的作用下緊貼壁面，使得顆粒速度快速下降，當(dāng)大量顆粒累積后，由于重力作用，這部分顆粒貼壁下落，最終進(jìn)入集料斗中；有小部分顆粒進(jìn)入分離器中心區(qū)域，這部分顆粒在上升氣流的作用下從上端出口排出。

圖2 顆粒速度分布情況 Fig. 2 Particle velocity distribution

從圖2可以看出，2種結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的顆粒速度分布情況相差不大。通過(guò)對(duì)比2種結(jié)構(gòu)中的顆粒運(yùn)動(dòng)情況可以發(fā)現(xiàn)，直線(xiàn)型分離器的右側(cè)低顆粒濃度區(qū)域較大；而螺旋分離器的改進(jìn)可以在不改變顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律的前提下對(duì)空白區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化，使得設(shè)備材料成本降低，同時(shí)節(jié)省使用空間，便于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)其他管路集中布置。

圖3為不同高度截面上的顆粒體積分?jǐn)?shù)分布情況。通過(guò)對(duì)比可知，2種結(jié)構(gòu)在入口中心水平截面上的顆粒體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律相同，入口附近體積分?jǐn)?shù)較大，且顆粒分布較均勻。進(jìn)入直筒段后，離心力作用致使壁面附近顆粒體積分?jǐn)?shù)較大，靠近中心區(qū)域顆粒體積分?jǐn)?shù)較小，但直筒段位置上螺旋型分離器入口中心水平截面上的顆粒體積分?jǐn)?shù)相對(duì)集中。這是由于這些區(qū)域受到Y(jié)軸方向上螺旋壁面約束，強(qiáng)制顆粒大量集中到螺旋上壁面。在直筒段下半部分區(qū)域的截面上，直筒段的高濃度顆粒區(qū)域水平跨度較大，容易造成顆粒充斥低濃度空間，導(dǎo)致分離效率降低，這一現(xiàn)象在圓錐段同樣表現(xiàn)明顯。因此，在同等尺寸條件下，螺旋型分離器能夠使顆粒快速集中，這樣分離效率也比較穩(wěn)定。

圖3 顆粒體積分?jǐn)?shù)分布情況 Fig. 3 Particle volume fraction distribution

3.2 氣相速度分布特點(diǎn)

圖4 為2種結(jié)構(gòu)中心截面上的氣相速度分布情況，可以看出，2種結(jié)構(gòu)在直筒段附近均出現(xiàn)氣相低速區(qū)域。結(jié)合圖3的顆粒體積分?jǐn)?shù)分布特點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，這些區(qū)域?qū)?yīng)顆粒密集區(qū)域，大量顆粒的聚集占據(jù)了氣體空間，同時(shí)阻礙氣流運(yùn)動(dòng)，使得這些區(qū)域氣流速度快速下降。對(duì)比2種結(jié)構(gòu) 流速分布特點(diǎn)可知，直線(xiàn)型分離器在截面兩側(cè)均存在這種氣相低速區(qū)域，同時(shí)也驗(yàn)證了圖3中顆粒體積分?jǐn)?shù)跨度較大的特點(diǎn)。而螺旋型分離器僅在單側(cè)局部區(qū)域氣流速度較低，結(jié)合顆粒體積分?jǐn)?shù)分布特點(diǎn)可知，其他氣流速度較高區(qū)域的顆粒體積分?jǐn)?shù)也較低，說(shuō)明顆粒的聚集性能較好，有利于分離。

圖4 中心截面上的氣相速度分布 Fig. 4 Air velocity distribution on the central section

圖5為3個(gè)水平截面上的氣相速度分布情況，可以看出，2種結(jié)構(gòu)的中心區(qū)域氣相速度分布規(guī)律基本相似，均呈現(xiàn)氣流速度較大的特點(diǎn)；在圓錐段上，直線(xiàn)型分離器的氣流低速區(qū)域更接近于圓環(huán)形。

圖5 3個(gè)水平截面上的氣相速度分布 Fig. 5 Air velocity distribution on three horizontal sections

圖6 為直筒段和圓錐段交接處直徑方向上的氣相速度分布曲線(xiàn)，其中，x方向垂直于入口面，y方向平行于入口面。通過(guò)對(duì)比2種結(jié)構(gòu)的分離器可知，螺旋型分離器x、y方向上的平均速度都高于直線(xiàn)型分離器；直線(xiàn)型分離器x、y方向速度變化規(guī)律基本一致，而螺旋型分離器因受到螺旋面的影響，其x、y方向速度分布規(guī)律差異明顯。

圖7為垂直中心線(xiàn)上的氣相速度分布曲線(xiàn)，可以看出，從集料斗到上端出口的中心線(xiàn)上，氣相速度不斷上升，2種結(jié)構(gòu)的分離器中心線(xiàn)上出口段氣相速度先快速上升然后下降。結(jié)合圖4可知，2種結(jié)構(gòu)出口段均存在氣流高速區(qū)，但是螺旋段對(duì)應(yīng)的高速區(qū)域平均速度較高。同時(shí)在圖6中也可以發(fā)現(xiàn)，螺旋型分離器x方向上存在明顯氣流速度變化，這是由于這種結(jié)構(gòu)存在一個(gè)螺旋面，造成直筒段的空間較小，在進(jìn)氣量相同、出口尺寸不改變的前提下，縮小分離器內(nèi)部空間，會(huì)直接影響出口段的氣流速度。

圖6 直徑方向上的氣相速度分布曲線(xiàn) Fig. 6 Air velocity distribution curve in diameter direction

圖7 垂直中心線(xiàn)上的氣相速度分布曲線(xiàn) Fig. 7 Air velocity distribution curve on vertical centerline

4 結(jié)論

以旋風(fēng)分離器為研究對(duì)象，采用CPFD方法研究了不同結(jié)構(gòu)的直筒段對(duì)氣固兩相流運(yùn)動(dòng)的影響，結(jié)論如下：

1）直線(xiàn)型和螺旋型分離器內(nèi)顆粒速度分布情況基本一致，但直線(xiàn)型分離器中存在較大的低顆粒濃度區(qū)域，同時(shí)在圓錐段，氣相低速區(qū)域呈圓環(huán)形分布。

2）螺旋型分離器顆粒體積分?jǐn)?shù)分布較集中，氣流速度較高區(qū)域?qū)?yīng)的顆粒體積分?jǐn)?shù)較小，有利于顆粒分離。

3）在同等外觀尺寸的情況下，螺旋型分離 器直筒段空間較小，使得其直筒段的平均氣流 速度高于直線(xiàn)型分離器，導(dǎo)致其出口氣流速度 較大。