旋风分离器气固两相流数值模拟
硕士学位论文开题报告及论文工作计划书
课题名称XLP/B型旋风分离器气固 两相流数值模拟
学 号 ____________ 1000484 _______
姓 名 ________ 曹 _________
专 业 _______
学 院机械工程与自动化学院一
导 师 ________ 张
副导师 __________________________
选题时间 2011年 9 月 22 日
东北大学研究生院
年 月 日 填表说明
1、 本表一、二、三、四、五项在导师指导下如实填写。
2、 学生在通过开题后一周内将该材料交到所在学院、研究所。
3、 学生入学后第三学期应完成论文开题报告，按有关规定，没有完成开
题报告的学生不能申请论文答辩。、立论依据 课题来源、选题依据和背景情况、课题研究目的、理论意义和实际应用价值
课题来源：旋风分离器是利用旋转的含尘气体所产生的离心力，将尘粒从气流中分离出 来的一种气固分离装置，它的应用迄今为止己有一个多世纪，是工业应用最广泛的烟尘净化 设备之一，它利用旋转气流产生的离心作用将粒子从气流中分离出来，具有结构简单、无转 动部分，可分离微小粒径（小至几微米）、实用价值强等特点。该种分离器广泛应用于化工、 制药、食品、环保等工业生产中，如各类除尘设备，循环流化床重要分离机构，在石化工业 的催化装置中，用于分离回收贵重催化剂，是降低催化剂单耗、提高经济效益的关键设备。 除此之外在很多粉料处理过程中，旋风分离器也是必需的分离装置，如干燥机中气固分离等。 本文将对干燥机气固分离中气固两相流进行模拟分析和结构优化，但是旋风分离器内部是三 维两相流状态，内部流场分布非常复杂，很难确定，这样就对旋风分离器的设计优化带来了 麻烦，使得制造出的分离器分离效果不好，效率不高，经常出现尘粒难以捕捉的现象，因此 获得旋风分离器内气固两相流的分布情况迫在眉睫。
选题依据：由于旋风分离器中的气、固流属于三维强旋转湍流，伴随着两相分离运动， 而且涉及到气固两相相互作用以及凝聚、吸附和静电等许多复杂物理现象，使得理论研究遇 到很大困难，理论进展缓慢。近几十年来，人们己经发展了多种气 -固两相流诊断和分析工具 来研究分离器内部的流场结构、压降和分离效率。这些工具主要分为三类：一类是采用理论 分析的方法，一类是采用各种实验手段，另一类是采用计算流体力学的方法。基于计算机的 数学模型是另一重要的流场分析工具。它运用计算流体力学手段，求得旋风分离器内气 -固两
相流的运动发展和变化。由于只需计算机，因此具有周期短、见效快、费用低、信息量大、 实用性强、能够充分反映分离器几何结构和操作条件对内部流场和分离效率的影响的优点， 是旋风分离器研究的重要手段之一。尽管计算流体力学还没有完善到完全取代实验的程度， 但近一、二十年的发展已经呈现出诱人的前景。因此运用计算流体力学理论，发展数学模型 并加以模拟是解决工程实际问题、探索分离器内部流动和分离效率的切实可行的有效手段。
背景情况：旋风分离器用途很广，广泛地应用于石油、化工、机械和电力等工业部门。 许多研究者对影响分离器性能的结构和运行参数进行了大量研究，降低分离器压降等，提高 分离器的分离效率。Lim等人研究了升气管尺寸及形状对分离器性能的影响；Xia ng等人比较 了不同排尘口直径分离器的分离效率；Zhu等人对不同直筒段高度分离器的分离效率进行了 试验研究。入口高度和宽度是影响分离器性能的主要结构参数，研究结果指出当入口风速和 入口面积一定时，随着入口高宽比的增大，分离效率会略有升高，而压降也会增大。但是，针对 入口高宽比对分离器内部气固流动影响的深入研究却很少。
旋风分离器的结构相对简单，但其内部流动却相当复杂，目前对分离器内部气固流场的 预测主要依靠一些经验模型。近年来,随着计算流体动力学的发展，CFD技术越来越多地用于 预测分离器内部的气固流场。分离器内强旋流动计算的准确度在很大程度上依赖于所选用的 湍流模型，虽然雷诺应力模型 RSM计算量大，但是其预测效果很好。
课题研究目的：由于旋风分离器内部的流动非常复杂，所以用试验或者解析的方法来得 出分离器内部的流动状况比较困难。单纯地通过实验来研究旋风分离器，由于受到条件的限 制，耗费大量的人力、物力和财力，而且周期通常都比较长。由于计算机的飞速发展，人们 已经可以借助于计算机模拟技术来对旋风分离器的流场和颗粒运动进行数值模拟。数值模拟 方法具有模拟能力强、计算速度快、资金投入少等优点。通过对旋风分离器的气固两相进行 模拟，可以揭示分离器内部的流动规律， 从而能优化分离器的结构，缩短分离器的开发周期， 具有重要的工程意义。
旋风分离器内气固两相流场及颗粒浓度的分布的描述是建立正确的分离理论的基础。要 提高旋风分离器的分离效率、改进结构和优化尺寸，必须深入地研究分离器内湍流流场及固 体颗粒的浓度分布规律。采用商业软件Flue nt 6.3有限元分析软件对不同入口高宽比旋风分离 器内的气相流场进行了数值模拟，同时利用拉格朗日法模拟了分离器内颗粒的运动轨迹，采 用前人的试验数据对数值计算结果进行了验证，并对各个入口深度旋风分离器内部流场进行 了分析和对比，为入口结构尺寸的优化及改进提供了参考。旋风分离器内气固两相流场及颗 粒浓度的分布的描述是建立正确的分离理论的基础。要提高旋风分离器的分离效率、改进结 构和优化尺寸，必须深入地研究分离器内湍流流场及固体颗粒的浓度分布规律。
理论意义：由于旋风除尘器的分离、捕集过程是一种极为复杂的三维、二相湍流运动， 致使理论与实验研究十分困难。另外，设备的结构不同，几何尺寸不一，尤其是气一固两相 本身物理性质的差异，操作条件的变化等等因素，都对旋风分离器的主要性能一一效率、压 力损失有显著的影响。
流场的数值模拟方法，是基于计算流体力学的原理，建立各种复杂条件下的基本守恒方 程组，确定适用的模型加以封闭，用数值方法直接求解这些非线性联立的偏微分方程组，从 而带到整个流场中各变量的时空分布。
旋风分离器对于分离粒径比较大的颗粒效果比较显著，但是对于历经比较小的颗粒的分 离效果还比较差，如何深入分析旋风分离器内部流畅，进一步提高旋风分离器的性能有着很 大的意义。由于气体的粘度随温度增加而迅速增加，是气固两相的分离阻力增大，导致旋风 分离总效率下降；另外选择不同的温度，压力损失也有所不同；因此温度的分布，对旋风分 离器的压力损失和分离效率都有很大影响。
实际应用价值：本课题研究的意义不仅仅在于能够解决困惑企业设计人员的实际问题， 为企业对其产品的设计、检验、改造和优化提供实际的参考和指导，更大的意义在于能够为 企业在降低产品的生产成本、提高产品的设计水平、提高企业核心竞争力方面提供思路和方 法，本课题的研究结果具有一定的实际意义和经济价值。旋风分离器内部进行的是两相流运 动是气相和固体颗粒相的分离过程，而固体颗粒的运动在很大程度上取于分离器内湍流的运 动。对湍流及其模型的研究具有十分重要的意义。在综述旋风分离器内湍流模型和数值模拟 相关研究进展的基础上，着重分析了 k- &双方程模型和雷诺应力模型在旋风分离器流场预测 方面的进步和不足，并展望今后湍流模型的发展趋势。
随着旋风分离器理论研究的不断深入、计算机技术的不断发展和各种数学模型理论的不 断完善，利用在数学模型基础上开发出的仿真软件代替具体的试验环境进行旋风分离器的研 究与设计不仅可以节省大量的人力、物力和资金，而且可以更快地得到结果，并且所得结果 也更合理、更全面、更有效。目前已有许多单位和科研院所将计算机仿真技术引入了旋风分 离器的研究与设计，这将为广大科研工作者带来了极大的方便。、文献综述 国内外研究现状、发展动态；所阅文献的查阅范围及手段
(一)国内外研究现状、发展动态
旋风分离器内部流场复杂，属于三维强旋流，并同时存在流体旋转和流线弯曲，还有回 流现象，内部湍流具有强烈的非均匀性和各向异性的特点，因此旋风分离器内流场的模拟较 为困难。旋风分离器内部湍流模型发展如下：
按采用的湍流模型可以分为两类：一类是基于 k-£双方程模型，对其进行多种修正，另
一类是雷诺应力模型，其中第一类比较有代表性的是：
⑴Fraste在标准k- &模型的基础上，对湍能耗散方程进行修正，主要考虑了旋转作用对 湍能分布的影响，在耗散方程中加入一项：Ri=k2/込u/r2?a (ur)/ a (Z),用以考虑旋转对流动 的影响。采用修正后的模型计算分离器内部的三维流场。在圆柱段，切向速度和轴向速度数 值预报结果与实验比较接近，但在分离器圆锥段，切向速度的分布与实验有较大的出入。
⑵周力行采用k- &模型，将旋风分离器简化为二维情况，同时不考虑入口的三维效应， 模拟计算了分离器内的轴向和切向速度分布。由于 k-£本身的缺陷，使得计算和实验仍有较
大的差异。
⑶魏志军采用Chen-Kiml模型，计算了与Fraster结构相同的旋风分离器。这种模型通过 引入一个时间尺度(k/Pk，其中Pk表示湍能动能k的体积生成率)来改善耗散方程的动态响应， 并通过实验调整了标准k- &模型的若干系数，使其在包括旋转流动的几种情况下可能获得满 意的结果。与Fraster相比，计算结果有所改进，但这种改进仍然是有局限的，并且不能给出 湍能的各向异性分布。
(4)林玮等采用Rodi提出的旋转流动的k- &模型，计算了切向入口旋风分离内部流场， 得到的切向速度和轴向速度计算结果与实验接近。
对第二类有代表性的：
(1) Boysanl考虑到标准k- &双方程模型在计算强旋流流场方面的缺陷，转而采用能反映 湍流各向异性的代数应力模型。他将整个装置中常用的灰斗略去，并将旋风分离器简化为二 维形式，这样所计算出来的流场并不是真正旋风分离器中的三维流场，而仅仅是一个二维流 场，这主要是受当时计算机条件的限制。但即使是这样，计算得到的速度场也能反映出分离 器内部切向速度的刚体涡与自由涡的组合结构。
(2) 林玮等将Launde提出的雷诺应力模型简化为代数应力模型，对旋风分离器内部的三 维流场进行模拟计算，得到的结果表明旋风分离器内部的流场具有很强的各向异性的特点， 比较准确地给出了切向速度组合涡结构。
(3) 周力行等曾经多次采用雷诺应力模型及其简化了的代数应力模型，计算强旋流气一固 两相流，并推导出用于气一固、气一液两相流计算的统一二阶矩模型，通过模拟不同旋流数
的旋转流动，得到了较合理的结果 旋风器分离模型的发展：关于旋风分离器内气体运动的理论计算研究，由于气体流动的 复杂性，一般均假定为轴对称流动。在早期的研究中，甚至曾假定为层流流动，近年来才考 虑了湍流的影响。对于湍流脉动的研究，又可将其分为初级模型和高级模型。
1962年，Lewellen把不可压缩流体的连续性方程和 Navier-stokes方程在圆柱坐标系和轴 对称定常流动下进行了简化，通过引入流函数和环量，得到了强旋转简化层流模型。
1975年Bloo r、Ingham运用普朗特提出的混合长理论确定湍流表观粘度， 并对水力旋流
器流场进行了分析，建立了适合于工程应用的初级湍流模型。
旋风分离器内颗粒质量浓度分布数值模拟
第３６卷第１０期 ２００８年ｌ０月 化学工程 ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧｆ ＣＨＩＮＡ） ＶｏｌＪ ３６ Ｎｏ．１０ ０ｃｔ．２００８
旋风分离器内颗粒质量浓度分布数值模拟
万古军，孙国刚，薛晓虎，时铭显
（中国石油大学化工学院，北京１０２２４９）
摘要：采用颗粒随机轨道模型和单元内颗粒源法，对旋风分离器内不同粒径颗粒质量浓度分布进行了数值模 拟。结果表明，粒径较小的颗粒（ｄ ≤４ Ｉｘｍ）大部分在旋风分离器分离空间锥段进行分离，而较大颗粒（ｄ ＞ ４ Ｉｘｍ）大部分在环形空间与分离空间筒段即被分离。随着颗粒粒径增加，分离器外壁的颗粒质量浓度逐渐呈
螺旋灰带分布，内旋流夹带减小，环形空间顶板下方出现顶灰环。升气管入口０．２５ Ｄ（筒体直径）附近的短 路流对小颗粒的影响较大。在分离空间下部排尘口附近０．５ Ｄ有明显的颗粒返混，返混量随着颗粒粒径增
大而减少。
关键词：旋风分离器；颗粒质量浓度分布；模拟 中图分类号：ＴＱ ０５１．８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００５０９５４（２００８）１０－００４１－０４
Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｍａｓｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ
ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎ ｃｙｃｌｏｎｅ ｓｅｐａｒａｔｏｒ
ＷＡＮ Ｇｕ－ｊｕｎ，ＳＵＮ Ｇｕｏ－ｇａｎｇ，ＸＵＥ Ｘｉａｏ－ｈｕ，ＳＨＩ Ｍｉｎｇ－ｘｉａｎ
（Ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０２２４９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｍａｓｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎ ａ ｖｏｌｕｔｅ ｃｙｃｌｏｎｅ ｓｅｐａｒａｔｏｒ ｗａｓ
ｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ Ｌａｇｒａｎｇｅ ａｐｐｒｏａｃｈ ａｎｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ－Ｓｏｕｒｃｅ—ｉｎ—Ｃｅｌｌ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｍｏｓｔ
基于STAR-CCM+的旋风分离器数值模拟方法的研究
基于STAR-CCM+的旋风分离器数值模拟方法的研究
满林香
【摘 要】文章研究了基于STAR-CCM+的旋风分离器数值模拟方法.结果表明:软件的网格处理方式比较灵活,使用软件内部的三维建模和自动网格生成功能可以大幅度提高模拟计算的效率.模拟计算旋风分离器的湍流模型适合采用雷诺应力模型(RSM),模拟计算旋风分离器的液滴轨迹可以采用离散颗粒模型(DPM).使用软件内部的标准模块功能和自定义函数功能可以比较方便实现压力分布、速度分量图、上下行气流分割面、液滴轨迹跟踪等内部流场处理.
【期刊名称】《大众科技》
【年(卷),期】2019(021)006
【总页数】3页(P59-61)
【关键词】旋风分离器;数值模拟;STAR-CCM+;上下行气流分割面
【作 者】满林香
【作者单位】北海职业学院,广西北海 536000
【正文语种】中 文
【中图分类】TQ051.8
1 引言
旋风分离器[1]是一种利用离心力把固体颗粒或液滴从气体中分离出来的无运动部件机械设备，具有结构简单、压降小、分离效率高等特点。大量学者[2-6]对旋风分离进行了数值模拟研究，这些研究基本是利用商用流体力学计算软件FLUENT进行数值模拟计的，而采用商用流体力学计算软件STAR-CCM＋对旋风分离器进行数值模拟的研究还比较少，因此本文对采用STAR-CCM＋模拟计算旋风分离器的方法进行了研究。
2 网格生成方法和网格无关性验证
2.1 网格生成方法
生成STAR-CCM＋模拟计算所需网格的方法比较多，基本方法可以分为以下四类：一是在专门的网格处理软件（如Icem）中导入三维绘图软件（如ProE）绘制的三维模型，并进行一定处理，生成为体网格，然后导入到STAR-CCM＋中。二是在专门的网格处理软件中导入三维绘图软件绘制的三维模型，并进行一定处理，生成为面网格，然后在STAR-CCM＋中将生成的面网格导入，并进行一定处理，最后生成为体网格。三是利用三维绘图软件绘制三维模型，并保存为曲面格式，然后在STAR-CCM＋中将曲面格式的三维模型导入，并进行一定处理，最后生成为体网格。四是在STAR-CCM＋中建立三维模型，并直接生成体网格。
新型超音速压气机内气固两相流场CFD模拟分析
计算机应用与ＩＴ技术
新型超音速压气机内气固两相流场ＣＦＤ模拟分析
祝爱娟 ， 牛军 ， 梅丹 ， 王龙飞 ， 向晓东
（１．钢铁冶金与资源综合利用省部共建实验室。武汉科技大学，湖北武汉４３００８１；２．中国北方发动机研究所，山西大同０３６０３７）
●●。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。’’’。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。’。。。。’。。’’’。’’’’●● － ● ： 摘要：为预测和预防压气机叶轮磨损，基于多相流理论对超音速压气机内的三维气固两相： ： 流场进行数值模拟。在分析中将压气机内的流场按可压缩气体处理，同时考虑温度对颗粒运动轨： ：迹的影响。模拟结果表明，叶片出口端部前缘，温度达到最大，颗粒的运动速度也达到最大值。由 ：
： 此判明叶轮磨损最严重处位于叶片端部。 ： ： 关键词：压气机： 固体颗粒； 两相流； 磨损； 数值模拟 ： ●● ● ●＿－－－－－＿●－－－－－－－－－＿－ ．Ｉ－－－●●＿●●●●－－－－－－＿＿－＿＿＿＿－＿●●●●－－－●－＿●－●－－－●－●－－●－－●●－－●●
中图分类号：ＴＫ４７４．８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１ ００６—８４４９《２０１ ０）０４—００４０—０３
０ 引言
离心压气机在航天、冶金、能源、化工和汽车制造
等行业中运用广泛。由于受工作环境的影响，工作介质
中含有大量固体粒子，且它们以极高的速度运动并与
叶轮表面碰撞、摩擦，致使叶片磨损，常出现叶片断裂、 飞车等重大事故。压气机内气相流动不仅受到旋转、曲
率、粘性等因素的影响和相互作用，导致内部流动是三 维非定常流动；而且它的高转速运转，形成了有别于传
统风机流场的超音速流动。所以离心压气机内的气固 两相流动现象非常复杂。
本文以多相流理论为基础，针对所研发的新型超
音速压气机进行气固两相流数值模拟，得到可压缩气 体在压气机内的流场分布和温度变化，以及颗粒在气
通过数值模拟和实验研究油喷压缩机系统中旋风式油气分离器的油滴分离性能
对油喷压缩机系统中旋风式油气分离器分离性能的数值模拟和试验研究
摘要：
通过对旋风式油气分离器中油滴破碎的关注对油滴的运动轨迹和分离性能进行数值模拟。分离性能也通过试验来研究，用马尔文颗粒粒度分析仪计算出分离器前后的油滴直径分布以确定模拟模型。试验和模拟的结果都显示油滴的破碎发生在分离的过程，明显的影响了分离的效率。此外，结果表明进口速度在分离效率上扮演着重要的角色，因为它不仅很大程度的影响了油滴在分离器内的切向速度，而且也决定了油滴破碎的几率和程度。
1、 介绍
经常采用两级分离过程以有效的循环喷射入压缩机内的油并得到高质量的压缩气体。第一级分离器，也叫做初始分离器，采用机械效应原理来捕捉大多数混合在气体中的油滴，而第二级分离器，常被叫做过滤器，使用凝聚的方法来吸收剩余的油雾。第一级分离器的效率很大程度上影响了进入过滤器的残余油量，因此直接决定了过滤器的寿命和压缩机系统的性能。提高第一级分离器的分离效率是净化分离气体和提高油喷压缩机系统性能的重要步骤。目前，由于旋风式油气分离器的几何结构简单并且容易维护，所以已经广泛用作油喷压缩机系统的第一级分离器。
已经有大量的数值模拟来测试旋风分离器的性能，其中许多都是把研究重点放在旋风室的气体流场。基于雷诺时均法（RANS）的雷诺应力湍流（RSM）模型已经被广泛接受。例如，Gronald and Derksen在他们的研究中将有限体积RANS模型和大涡模拟（LES）方法进行比较。他们指出由于相对较粗糙的网格而引起的非稳态的基于RANS模型的模拟可以提供合理和工业相关的结果有限的计算工作。Slack等一些人使用RSM模型模拟了在Stairmand型高效旋风式分离器内的流场，仿真结果显示与激光测量液滴风速测定相一致。Hoehstra等人用许多不同的湍流模型模拟了气相流场并得出用RSM模型做的预测合理的与所有三个漩涡的测量配置文件数据相一致。许多数值研究也一直尝试通过使用基于欧拉-拉格朗日方法的离散相（DPM）模型来研究旋风分离器内漩涡流中的粒子运动。Matsuzaki等人使用LES方法研究了旋风分离器内漩涡流中离子的运动，并能够从粒子的运动轨迹结果预测粒子分离的性能。Elsayed和Lacor研究了旋风分离器进口管尺寸对其性能的影响并用DPM模型模拟了粒子的运动。
升气管插入深度对旋风分离器流场影响的数值模拟
第２７卷第４期 ２０１３年４月 化工时刊 Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｔｉｍｅｓ Ｖｏ１．２７，Ｎｏ．４ Ａｐｒ．４．２０１３
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２—１５４Ｘ．２０１３．０４．００２
升气管插入深度对旋风分离器
流场影响的数值模拟
谷瑞青 陶华东
（浙江工业大学化学工程与材料学院浙江杭州３１００１４）
摘 要基于计算流体动力学（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃ，ＣＦＤ）的数值模拟方法，在ＦＬＵＥＮＴ软件平台上，应用大涡 （ＬＥＳ）模型模拟了升气管插人深度对旋风分离内部流场的影响。计算结果表明，升气管的插入深度对旋风分离器的 流场有很大的影响，随着插入深度的增加，切向速度会减小。本次模拟中还出现了旋涡端部的现象，且随着升气管插 入深度的增加，旋涡端部的位置也随着下降，这能够增大分离空间，有利于分离。 关键词旋风分离器大涡模型升气管
Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｎ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｃｙｃｌｏｎｅ
Ｓｅｐａｒａｔｏｒ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｂｙ Ｆｉｇｕｒｅ ｏｆ Ｖｏｒｔｅｘ Ｆｉｎｄｅｒ
Ｇｕ Ｒｕｉｑｉｎｇ Ｔａｏ Ｈｕａｄｏｎｇ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ， Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｔｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｈａｎｇｚｈｏｕ，３１００１４）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｐｐｒｏａｃｈ ｏｆ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃ（ＣＦＤ）ｉｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｔｏ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｇｕｒｅ ｏｆ ｖｏ￣ｅｘ ｆｉｎｄｅｒ ｏｎ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｎ ｃｙｃｌｏｎｅ ｓｅｐａｒａｔｏｒ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｌａｒｇｅ ｅｄｄｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｐｈａｓｅ ｍｏｄｅｌ ｉｎ ＦＬＵＥＮＴ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ，ｔｈｅ ｅｎｄ ｏｆ ｔｈｅ ｖｏｒｔｅｘ（ＥＯＶ）ｉｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ
openfoam气固两相流模拟方法
OpenFOAM是一种用于流体动力学模拟的开源软件，可以用于气固两相流的模拟。以下是OpenFOAM进行气固两相流模拟的基本方法：
1. 建立模型：首先需要建立气固两相流模型，包括气相和固相的物理特性、相互作用的边界条件等。
2. 划分网格：使用专业的网格生成软件将模型划分为适当的网格，以便于计算。
3. 定义控制方程：根据流体力学和固体力学的控制方程，定义气相和固相的运动方程。
4. 求解方程：使用OpenFOAM的求解器对控制方程进行求解，得到气相和固相的速度、压力、温度等物理量的分布。
5. 边界条件处理：根据实际情况，设置合适的边界条件，如速度入口、压力出口等。
6. 迭代计算：通过迭代计算，不断更新物理量的分布，直到达到收敛标准。
7. 结果后处理：对计算结果进行后处理，提取需要的信息，如速度场、压力场、颗粒轨迹等。
需要注意的是，气固两相流的模拟需要综合考虑流体力学和固体力学的特性，以及两相之间的相互作用。因此，在进行模拟时需要充分考虑各种因素，并对模型进行适当的简化。
循环流化床气固两相流动数值模拟的研究进展
６ 化工 机 械 ２０１４钜
循环流化床气固两相流动数值模拟的研究进展
刘洪鹏 。 肖剑波 王敬斌。 王 擎 （１．油页岩综合利用教育部工程研究中心，东北电力大学能源与动力工程学院； ２．华能应城热电有限责任公司；３．河北华热工程设计有限公司）
摘 要 对循环流化床气固两相流动数值模拟的研究进展进行介绍，包括传统的欧拉双流体模型、基于 颗粒动力学理论的双流体模型、基于拉格朗日坐标系下的颗粒轨道模型、能量最小多尺度模型和小室模 型，并对上述模型的原理、发展和优缺点进行了描述。 关键词循环流化床气固两相流动 欧拉双流体能量最小多尺度 中图分类号ＴＱ０５１．１ 文献标识码 Ａ 文章编号０２５４－６０９４（２０１４）Ｏ１—０００６—０４
循环流化床以其燃料适应性广、燃烧效率高、
污染物排放低以及负荷调节范围大等优点在能源 和化工领域得到广泛应用…。因此，详细研究其
炉内气固两相流动特性对循环流化床的发展具有
重要意义，也有部分学者致力于研究气固流化床
中的气泡行为 。然而对于大型的工业化内循 环流化床来说，进行详细的气固流动特性的试验
研究是非常困难的，随着计算机性能的不断提高，
基于计算流体力学的数值方法得到长足发展，并 对循环流化床复杂多相流系统结构和运行的优
化、大型化起到至关重要的作用 。据此，许多 学者针对循环流化床提出了许多数学模型。
根据对气固两相流离散相处理的不同，可分
为双流体模型和颗粒轨道模型。双流体模型是基 于欧拉方法坐标系建立的，该模型将颗粒视为拟
流体，认为颗粒与流体是互相渗透的连续介质；颗 粒轨道模型是基于拉格朗日坐标系建立的，把流
体作为连续介质，颗粒作为离散介质，在拉格朗日
坐标系下研究颗粒的运动。此外，近年来一些学 者还在上述两种模型的基础上发展了小室模型和
能量最小多尺度模型 。
１双流体模型
双流体模型主要包括连续流体模型、传统双流 体模型和基于颗粒动力学理论的欧拉双流体模型。 １．１ 连续流体模型
旋风分离器内部流场及分离效率的数值仿真
第３３卷第２期 ２００７年４月 兰州理工大学学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌａｎｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏ１．３３ Ｎｏ．２ Ａｐｒ．２００７
文章编号：１６７３—５１９６（２００７）０２－００５０－０４
旋风分离器内部流场及分离效率的数值仿真
李仁年，王 浩，苏吉鑫，徐振法
（兰州理工大学流体动力与控制学院，甘肃兰州７３００５０）
摘要：为了研究旋风分离器内部气体和固体的运动状况与其分离机理，采用ＦＬＵＥＮＴ软件对一旋风分离器内部 气相流场和颗粒的运动状况进行三维数值仿真模拟．在仿真过程中，采用ＲＮＧ ｋ－￣方程来模拟其中的气相湍流流 动，采用Ｌａｇｒａｎｇｅ方程模拟颗粒的运动．仿真结果表明，分离器内部的流动空间可分为内、外两个流动区域，在不同 的流动区域中，气体压力、速度场的分布有较大的差异；固体颗粒的运动较为复杂，且带有一定的随机性；固体颗粒 的分离效率与其进入分离器的具体位置有关． 关键词：旋风分离器；数值模拟；流场分布；分离效率 中图分类号：ＴＫ０５ 文献标识码：Ａ
Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ
ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｇａｓ ｃｙｃｌｏｎｅ
ＬＩ Ｒｅｎ－ｎｉａｎ，ＷＡＮＧ Ｈａｏ，ＳＵ Ｊｉ－ｘｉｎ，ＸＵ Ｚｈｅｎ－ｆａ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｆｌｕｉｄ Ｐｏｗｅｒ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ，Ｌａｎｚｈｏｕ Ｕｎｉｖ．ｏｆ Ｔｅｃｋ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００５０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｇａｓ ａｎｄ ｌｉｑｕｉｄ ｉｎｓｉｄｅ ｔｈｅ ｇａｓ ｃｙｃｌｏｎｅ ａｎｄ ｔｈｅ
ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ，ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｎｕｍｅｒｉｃ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｇａｓｅｏｕｓ ｐｈａｓｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｉｎ ｉｔ ｗａｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＦＬＵＥＮＴ．ＲＮＧ肛￡ｍｏｄｅ ｗａｓ
CFBC旋风分离器气固两相流
第２１卷 Ｖ０ｌ。２】 第９期 Ｎｏ．９ 重庆工学院学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） ２００７年９月 Ｓｅｐ。２００７ 【机械与材料】
ＣＦＢＣ旋风分离器气固两相流‘
李淑强，冉景煜，张 力，蒲 舸，唐 强 （重庆大学动力工程学院，重庆４ＯＯ０４４）
摘要：介绍了旋风分离器内部颗粒运动和数值模拟计算模型的理论研究发展历程．对ＣＦＢＣ旋风 分离器中气固两相流动进行了数值模拟，从而研究了旋风分离器内部气固两相流动的特征。数值 模拟的结果为新型旋风分离器的优化设计、运行和改造提供了参考． 关键词：循环流化床；旋风分离器；气固两相流；数值模拟 中图分类号：ＴＱ０５１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１—０９２４（２００７）０９—００８３一ｏ４
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｇａｓ－ｓｏｆｉｄ Ｔｗｏ－Ｐｈａｓｅ Ｆｌｏｗ ｉｎ Ｏｎｅ ＣＦＢＣ Ｃｙｃｌｏｎｅ Ｓｅｐａｒａｔｏｒ Ｕ Ｓｈｕ—ｑｉａｎｇ，ＲＡＮ Ｊｉｎｇ—ｙｕ，ＺＨＡＮＧ Ｌｉ，ＰＵ Ｇｅ，ＴＡＮＧ Ｑｉａｎｇ （Ｃｏ￣ｅｇｅ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４ＯＯ０４４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｍｏｔｉｏｎ ａｎｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｉｎ ｔｈｅ ｃｙｃｌｏｎｅ ｓｅｐａ－ ｒａｔｏｒ ｉｓ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｇａｓ－ｓｏｌｉｄ ｔｗｏ－ｐｈａｓｅ ｆｌｏｗ， ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｇａｓ－ｓｏｌｉｄ ｔｗｏ—ｐｈａｓｅ ｆｌｏｗ ｉｎ ＣＦＢＣ（ｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇ ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ ｂｅｄ ｃｏｎ－ ｂｕｓｔｏｒ）ｃｙｃｌｏｎｅ ｓｅｐａｒａｔｏｒ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｐｒｏｖｉｄｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ，ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｂｕｉｌｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｗ ｃｙｃｌｏｎｅ ｓｅｐａｒａｔｏｒ。 Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＣＦＢＣ；ｃｙｃｌｏｎｅ ｓｅｐａｒａｔｏｒ；ｇａｓ—ｓｏｌｉｄ ｔｗｏ—ｐｈａｓｅ ｆｌｏｗ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 循环流化床锅炉具有很多优点，在国内外得 到了广泛的应用。循环流化床燃烧室的内部过程 包括燃烧、气固两相流动、传热和各种化学反应 （脱硫，脱氮等），这些过程的规律还未被人们完全 了解．循环流化床（ｃＦＢ）锅炉要达到的一系列技术 参数（如循环倍率、燃烧效率等）都必须通过气固 分离器的可靠性和高效率来实现． 旋风分离器作为应用时间比较长的两相分离 机构，因其简单、实用以及造价低廉而广受青睐， 特别是近几十年来，在循环流化床锅炉中得到了 广泛的应用。旋风分离器的分离效率和分离器内 的流场是密切相关的，而其内部的气固两相流动 特别是它们的相对运动是决定其分离效率的关键 因素。目前，虽在旋风分离器的流场、分离机理等 性能方面的研究有一些成果，但与实际的运行结 果对照起来，还是有较大的差异．选用合适的计算 模型对旋风分离器中的气固两相流动进行数值模 拟，通过细致分析分离器内部的气固两相流动特
气固旋风分离技术研究
气固旋风分离技术研究
引言：
旋风分离器是一种依靠气流旋转，利用离心力达到气固两相分离的装置。旋风分离器的应用迄今为止已有一个多世纪，是工业应用最广泛的烟尘净化设备之一。作为一种重要的气固分离设备，旋风分离器在石油化工、煤炭发电和环境保护等许多行业得到了广泛的应用。以其为代表的各类除尘设备己经成为防治我国大气污染的主力军，在消除大气污染、保障人类健康及生态环境方面发挥着重要作用。
1. 旋风分离技术概况
早在一百多年前牛顿和斯托克斯的著作中就已确立了现代工业用旋风分离器分离的物理原理，为分析流体运动中颗粒的受力奠定了坚实的基础。自1886年O.Morse获得了旋风分离器的第一个专利以来，旋风分离技术一直得到不断的发展。
在最初的阶段，由于粗略地认为旋风器的机理只是简单地利用了离心力把粉尘甩向圆筒壁而己，未能深入研究气流运动规律，对于分离器的性能和机理没有一个理性认识，使得旋风分离器能分离的最小粒径一直徘徊在40-60 um之间。其间，最杰出的研究成果是1910年现代流体力学创始人—Prandtl对升气管出口加上导流叶片，从而使流体阻力损失有所降低。
从二十世纪二十年代末开始到六十年代，人们广泛地对旋风分离器进行了理论概括和科学试验。1928年Prockact首次对旋风分离器进行了流场测定研究。此后，不少科研单位或个人对旋风分离器进行了大量的科学试验和理论分析。有些是关于流场的测定，其中以荷兰人Ter Linden在1949年所做的测定工作最为突出。有些是关于旋风分离器的除尘效率与压力损失、结构形式、结构尺寸之间的关系。通过大量的试验研究，认识到了一些影响压力损失和分离效率的因素，如气流进口速度、温度、粉尘颗粒的密度、分散度、气流的粘度、分离器结构形式及尺寸的比例。对旋风分离器大量的实验研究，推动了其飞速的发展。
从二十世纪六十年代到现在，旋风分离器有了新的发展，将旋风分离器的目标锁定在提高超微颗粒的分离效率上。人们在对旋风分离器内部流场及浓度场进行大量测试的基础上，对旋风分离器内部流场的形式及除尘过程有了更加全面的认识，这就为旋风分离器捕集微细颗粒打下了理论基础。1963年德国西门子公司的科研机构发现，如果把旋风分离器捕集分离的空间移到旋源叠加的流场内，则除尘器的捕集分离能力将会大为增加，因而研制成功一种称为DSE的旋风分离器。它能捕集分离0.4um的颗粒。1975年德国一些科研单位把这些无量纲量编成电子计算机计算程序进行研究。鉴于旋风分离器内的流场是湍流流场，而在近壁处有一层流底层，1979年Leith与Licht类比电力除尘器的分离机理，提出了湍流混渗边界层分离理论，并给出相应的分级效率计算公式。与此同时，研究发现，旋风分离器内的流场是由两种性质不同的旋涡——准自由涡与强制涡及流向相反的源流或汇流叠加起来的流场，两种旋涡大致以内筒芯管的延长面的圆筒面为分界面。在分界面以外为准自由涡流动与汇流的叠加，而分界面以内是强制涡与源流的叠加。而旋风分离器的除尘作用是在准自由涡和汇流叠加的流场内进行的，这对捕集分离不很理想。七十年代以后，各种利用强制涡和源流叠加的流场为除尘空间的旋风分离器陆续研制出来。如英国的Collection，日本的Jelclone及Rotclone等等。