旋风分离器的内部流场模拟分析

刘思宇 张莹莹 高磊

摘 要：以旋风分离器内部流场模拟分析为基础，分别对1 、30、100 μm三种不同粒径的煤粉与滑石粉在分离器中的颗粒轨迹做了分析，首先得出其内部流场速度方向及大小的分布规律，从内部气流走势上看，分离器具有不对称性；从速度矢量图颜色上看，在分离器中心部分的气流具有强烈旋转，气流在壁面附近的位置速度快速降低。再得出不同粒径颗粒在分离器中的轨迹分布规律。为进一步的研究及改进旋风分离器的性能有参考意义。

关 键 词：旋风分离器；内部流场；颗粒轨迹；模拟分析

中图分类号：TQ 052 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2016）08-1903-04

Abstract： Based on simulation analysis of internal flow field in the cyclone separator， particle trajectories of 1，30，100 μm coal powder and talcum powder in the cyclone separator were analyzed， the distribution law of speed direction and speed value in the internal flow field was obtained. The internal air flow direction shows that the separator has asymmetry； the velocity vector chart color shows that air flow in the center part has a strong rotation in the cyclone separator， the speed of the air flow near the wall reduces rapidly. On the other hand， the distribution law of different size particle trajectory in the separator was obtained.

Key words： cyclone separator ； internal flow field； particle trajectory； simulation analysis

旋风分离器是通过离心力来分离气流中固体颗粒或液滴的一种设备[1]。它具有结构简单、操作方便、耐高温等优点，其工作原理是依靠来自于切向的气流将颗粒引入而形成的旋转运动，使本有惯性的固体颗粒或液滴通过离心力的作用而被甩向外壁面进而被分离开来。旋风分离器是一种适用于滤去大于1～3 μm的非粘性、非纤维干燥粉尘的高效净化设施[2]。主要功能是尽可能地除去在输送过程中夹杂在介质中的固体颗粒杂质或液滴而达到气固液分离效果，以确保管道及设备的正常运行。因此，旋风分离器成为在净化设备中被广泛使用的一种分离设备。

1 旋风分离器的几何结构及有限元模型建立

1.1 几何结构的建立

旋风分离器的内部介质流具有较复杂的三维湍流强旋流场，其内部的颗粒运动轨迹更为复杂[3]。筒体直径Φ=190 mm，进气口尺寸为95 mm×38 mm，其矩形部分称为进气管道，大的圆柱部分称为主筒体，下部分的梯形圆台部分称为锥形灰斗，上部分的小圆柱一部分深入到主筒体内且一部分露在外面，将其称为出气管道。旋分分离器的结构尺寸示意图如图1所示。

1.2 工作机理

旋风分离器的工作原理可以概括为当含颗粒气体从入口进入设备后，通过导向叶片的导流作用，致使气流产生强烈的旋转并形成沿轴线向下的外旋流。在外旋流空间区域悬浮的粉尘在离心力的作用下向器壁附近不断移动，颗粒会通过重力作用而随着外旋流旋转到梯形圆台部分进而得以排出，在筒体内的旋转气流不断收缩向中心汇聚，形成向上的二次涡流并带动净化后的气体通过上升的内旋流经由出气管道排出。

1.3 有限元模型的建立

1.3.1 边界条件的设置

本次模拟分析旋风分离器内部流场是以空气作为流体介质，进气管道的速度被定义为30m/s，因为其内流流动为不可压缩流动，故出气管处被定义为充分发展的自由流动，其余均被定义为壁面。通过粒径分别为1、30、100μm的顆粒对其旋转轨迹进行模拟时。颗粒相入口的边界条件为：将颗粒入口处的射流源设为面源，颗粒均匀的分布在整个入口截面的网格上，由每一个网格的中心射入[4]。进气管道的速度保持30 m/s不变，设定颗粒相与气相具有相同的的入口速度。故以旋风分离器内部流场模拟分析为基础再对颗粒轨迹进行分析。由于计算过程中颗粒无质量变化与热量传递，所以只设定颗粒的密度即可[4]。煤粉和滑石粉被定义为本次模拟的颗粒，密度分别为1 000 kg/m3和2 700 kg/m3。两种颗粒的质量流率均设定为0.05 kg/s。出口边界条件按照充分发展的自由流动处理，在出口截面处的所有变量轴向梯度均为零，故颗粒相出口的边界条件定义为完全自由逃逸[5]。

1.3.2 有限元模型的建立

本次模拟试验将对旋风分离器的计算区域采用划分多块结构化网格的方式，网格类型为结构化网格中的Hex/Wedge，以Cooper“制桶”的模式生成网格。采用的求解器为压力基求解器，由于旋风分离器主要是由筒体、锥形圆台、进气管道和出气管道组成，为了使模拟效果更加明晰，各部分采用不同的网格数进行划分。实体模型及有限元模型分别如图2和图3所示。

气道入口定义为VELOCITY_INLET，出口定义为OUTFLOW，进气管与上筒体的交面设置为临界面Interface。只要在FLUENT里面设置好Interface的位置，FLUENT就会自动对界面上的量进行差值传递[6]。

2 计算方法

CFD为计算流体动力学的英文简称，是利用专门的计算机软件对固体边界两侧流体通过数值模拟分析得出传热性能优劣势的一种学科[7]，FLUENT作为CFD中的一种被普遍应用于流体相关的模拟与分析中，而质量守恒定律、动量守恒定律及能量守恒定律是流体流动分析时所需遵循的三大定律[8，9]。湍流是空间中不规则和时间上无秩序的一种高度复杂的非线性流体运动。在工程湍流的数值模拟计算中，常见的湍流模型主要有标准k-ε模型、RNG k-ε模型、RSM模型等，其中k-ε模型使用最为广泛[7]。标准k-ε模型简单、经济、稳定，并且处于完全湍流状态时可以满足较大工况区间的计算精度要求，但是当存在大量回流和模型几何外形曲率变化过大时，就无法对流体的湍流特性进行很好的描述，而重整化的k-ε模型对前者在特殊情况下进行了修正和优化，该模型能够对圆柱和圆柱射流方面的旋转与剪切流等问题做出更精准地预测，对于旋风分离器的内流场及颗粒轨迹分析时，这里选择RNG k-ε双方呈湍流模型，因为旋风分离器内部是以旋流占主导优势的流动，故选择了Swirl Dominated Flow选项，其中RNG k-ε模型不仅具有考虑高、低雷诺数流动和强旋流动的影响，而且能够精确预测旋风分离器内强旋流动的特点[10]。其实更加适合旋流计算的是能模拟各向异性湍流的Reynolds模型，但是雷诺应力在三维情况下需要求解7个方程，比双方程模型多了3倍还多，计算比较大。故本次模拟采取了RNG k-ε双方称湍流模型。

3 旋风分离器内流场模拟分析结果

在模拟分析过程中，为了能够更好的对旋风分离器的内部流场进行分析，因此在观测其速度矢量图时创建了X=0的平面，图4为X=0平面上的旋流速度及速度矢量示意图，从X=0的截面上首先可以看出旋风分离器工作时速度变化的大小及其方向。其次从X=0端面的速度矢量图可以看出分离器内的气体流动具有不对称性。

如图5旋风分离器的速度矢量图所示：从颜色上可以看出速度在旋风分离器内的分布情况，即中心气流因较大的速度而产生强烈旋转，气流在壁面附近的位置速度快速降低。

4 颗粒轨迹分析结果

在相同的颗粒粒径的情况下，对不同类型的颗粒在相同的速度下进行颗粒轨迹的模拟与分析。得出具有不同性质的颗粒所具有的轨迹特点（图6-7）。

颗粒轨道方程是在离散的时间步长上逐步进行积分运算求解而得到的。积分后可以得到颗粒轨迹道上每一个位置处的颗粒速度[4]。颗粒轨道通過下式可以得到 ： ，其中 表示的是颗粒的速度，相应离散相的轨迹可以通过沿着每个坐标的方向进行求解得到。

从图6（a）与图7（a）中可以看示出直径为1μm的煤粉与滑石粉颗粒均具有较好的追随性，随气流旋转沿轴线向下运动，部分颗粒到达锥部后在二次涡流的带动下上升而进入排气管道，也存在部分颗粒在没有到达底部时就进入了内旋流，通过内旋转气流上升，直接进入排气管道。而从图6与图7的（b）（c）中均可以看出30与100 μm两种大直径的颗粒由于受到较大离心力的作用而被甩向壁面。沿壁面螺旋下滑至分离器锥部底部进而被分离出来，从100μm的颗粒轨迹亦可以看出它的惯性更大，原来的运动轨迹更易于保持不变，因此100与30μm的颗粒轨迹有所不同。

在离心力的作用下，粒子穿过气流的速度会直接被颗粒密度的不同所影响。此种影响效果可通过斯托克斯定律进行明确表达。颗粒密度越大，穿过气体的速度就越大，结果使得旋风分离器的工作效率得以提高。若其它因素均保持不变时，随颗粒密度的降低，其工作效率也会随之降低。

5 结 论

（1）通过对旋风分离器的内流场分析，得出其内部流场的分布规律为：一方面分离器内部气流是不对称的；而另一方面是分离器内的中心气流有强烈旋转，气流在壁面附近的位置速度快速降低，与实际工况相符。

（2）在相同颗粒粒径的情况下，通过对不同类型的颗粒在相同的速度下进行颗粒轨迹的模拟与分析，得出不同性质的颗粒轨迹具有的异同之处。相同之处是：粒径越小，其追随性越好；粒径越大受到的离心力就越大，被螺旋气流甩向壁面的速度就越快，越容易被分离出来。不同之处是：粒径越大，其具有的惯性就越大，使得原来的运动轨迹越容易保持不被改变；在离心力的作用下，颗粒密度的不同会直接影响到粒子穿过气体的速度。颗粒密度越大，穿过气体的速度就越大，结果使得旋风分离器的工作效率得以提高。若其它因素均保持不变时，随颗粒密度的降低，其工作效率也会随之降低。

（3）旋风分离器是当前化工行业中使用极为普遍的一种气固两相分离净化装置。通过对不同类型的颗粒在旋风分离器中进行其轨迹的研究，对于其诸多方面性能的提升有着一定的借鉴意义；通过数值分析模拟能够定性地对旋风分离器的内部流场情况进行预测，进而可以更好的了解其结构，以上模拟分析对旋风分离器的设计及改进建议的提出均具有一定的参考价值。

参考文献：

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