二次流旋风分离器的数值模拟与优化设计

第２７卷第６期　２００９年１２月　轻工机糖　

Ｌｉｇｈｔ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ＭａｃＭｎｅｒｙ　Ｖｏ１．２７　Ｎｏ．６　

Ｄｅｃ．２ｏ０９　

［研究·设计］　三次流旋风分离器的数值模拟　优　设计　

姜小放，曹西京　（陕西科技大学机电工程学院，陕西西安７１００２１）　摘要：利用ＣＦＤ软件ＦＬＵＥＮＴ６．３模拟三维稳态流动。对引入二次流的旋风分离器各项参数进行了优化设计，采用　ＲＳＭ模型模拟气相有旋流动，利用ＤＰＭ离散模型进行颗粒相跟踪。通过比较优化前后流场特性，证明二次流有助于提　高旋风分离器的分离效率及流场稳定性，不同的进风角度和速度会得到不同的分离效率，为新一代旋风分离器的开发与　制造提供了参考依据。　关键词：化工机械；旋风分离器；优化设计；ＲＳＭ模型；模拟仿真　中图分类号：ＴＱ０５１．８　文献标志码：Ａ　文章编号：１００５－２８９５（２００９）０６．００３４－０４　

Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｏｐｔｉｍｕｍ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　Ｆｌｏｗ　Ｃｙｃｌｏｎｅ　Ｓｅｐａｒａｔｏｒ　

ＪＩＡＮＧ　Ｘｉａｏ—ｆａｎｇ，ＣＡＰ　Ｘｉ－ｊｉｎｇ　（ＣｏＵｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａａｎｘｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉｈｎ　７１００２１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｎｅｗ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｇａｓ—ｃｙｃｌｏｎｅ　ｗｉｔｈ　ａ　ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　ｆｌｏｗ　ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ　ｔｈｅ　ｆｌｏｗ　ｆｉｅｌｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｙｃｌｏｎｅ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　Ｒｅｙｎｏｌｄｓ　ｓｔｒｅｓｓ　ｍｏｄｅｌ（ＲＳＭ）ｗｉｔｈ　Ｆｌｕｅｎｔ６．３．Ｔｈｅ　ｄｉｓｃｒｅｔｅ　ｐｈａｓｅ　ｍｏｄｅｌ　（ＤＰＭ）　ａｌｓｏ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｐｒｅｄｉｃｔ　ｔｈｅ　ｔｒａｊｅｃｔｏｒｉｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｓ　ａｒｅ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｏｎｅ．　Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｐｒｏｖｅ　ｔｈａｔ　ｓｅｃｏｎｄａｒｙｆｌｏｗ　ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　ｉｓ　ｈｅｌｐｆｕｌｆｏ，ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｆｆｆ￣ｃｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆｔｈｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄ　ｔｈｅ　ｃｙｃｌｏｎｅ．Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｅｎｔｅｒｉｎｇ　ａｎｇｌｅ　ａｎｄ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｗｉｌｌ　ｏｂｔａｉｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｅｆｆｅｃｔ．Ｔｈｉｓ　ｓｔｕｄｙ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ａ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ａｎｄ　ｇｕｉｄａｎｃｅ　ｆｏｒ　ａ　ｎｅｗ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｙｃｌｏｎｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅｒｙ；ｃｙｃｌｏｎｅ　ｓｅｐａｒａｔｏｒ；ｏｐｔｉｍａｌ　ｄｅｓｉｇｎ；ＲＳＭ　ｍｏｄｅｌ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　

０前言　旋风分离器是利用旋转的含尘气体所产生的离心　力，将粒尘从气流中分离出来的一种气固分离装置，一　般采用防腐材料（钛材、不锈钢）被广泛应用于化工、　制药、食品、环保等工业生产中，其特点是结构简单、操　作方便、费用低、除尘效率高。近年来，随着计算机技　术的迅猛发展，使得旋风分离器的尺寸及构造不断多　样化，内部结构更符合流体动力学的要求，净化粉尘的　粒径范围不断扩大，分离的粒子直径已经可以达到　０．４　Ｉｘｍ¨Ｊ为了提高旋风分离器的除尘效率，科研工　作者也对其进行了大量的研究工作，从改变结构尺寸　到增加辅助装置。Ｈｏｆｆｍａｎｎ等　在对旋风分离器的　高径比对分离效率的研究后，得出了高径比Ｌ／Ｄ如果　＞５．６５就会显著的降低除尘效率。Ｓｔ．Ｓｃｈｍｉｄｔｌ３　等对　旋风分离器的不同出口结构对流场的影响做了模拟分　析；Ｊ．Ｈ　Ｃｈｅｎ＿４　等对出风管底部收缩和倾斜旋风分离　器做了深入的研究，认为人口气流速度是对除尘效率　和压力的很大，出口的收缩倾斜有利于提高除尘效率，　出口管插入深度Ｈ：４５０　ｍｍ效率最高；Ｈ．Ｙｏｓｈｉｄａ　提出了在进口增加折流板以及引入二次流的设计思　路，并对这种新的装置进行了模拟研究。封跃鹏　等　人也提出了一种在出风管处设置夹层的旋风分离器，　引人了二次流对旋风分离器进行了优化，有效地改善　了流场特性，提高了除尘效率。Ｆｕａｔ　Ｋａｙａ，Ｉｒｆａｎ　Ｋａｒａ—　ｇｏｚ　对粉尘出口管的不同长度做了研究，认为粉尘出　口管路长度与入口速度和粉尘直径都有联系，过度的　加长出口长度会降低除尘效率，加重短路流。众多科　研工作者的研究都集中在单个部位对除尘效率的影响　

收稿日期：２００９－０５—２２；修回日期：２００９—０６－０９　作者简介：姜小放（１９７８一），男，陕西礼泉人，助理工程师，在读硕士研究生，主要研究方向为机械ＣＡＤ与仿真技术。　［研究·设计］　姜小放，等二次流旋风分离器的数值模拟与优化设计　上，提出了优化设计的理论依据和参考，但是在整机综　合优化设计中却很少涉及。本文结合流体动力学特性　对一种带二次流的旋风分离器，利用流体动力学分析　软件ＦＬＵＥＮＴ６．３进行了数值模拟，得到了新型旋风分　离器的内部流动特性，比较了前后２个模型的流场特　混合气体入口　性，得出了理想的流体动力学特性，证实了设计的合理　性，为新一代旋风分离其的开发与制造提出了参考和　指导。　１　优化前后的模型　在对传统旋风分离器分析和研究的基础上，对其　结构进行了改进，引入了二次进风口，并从高径比、进　风口和除尘口等方面进行了优化设计。具体优化结果　如图ｉ。　

＃　＃　图１　改进前后的旋风分离器平面图　表１　改进前后的几何参数（Ｄ＝１．８　ｎ１）　

２数值模拟和计算　旋风分离器的内部流动非常复杂。雷诺应力模型　比起标准的Ｋ一８模型和ＲＮＧＫ—ｓ模型能更好的模拟　旋风分离器中的湍流，它忽略各相同性的假设，对雷诺　应力的每一部分都是用一个输运方程求解。比起其他　的模型雷诺应力模型被认为是最适合模拟分离器中的　湍流运动的　Ｊ。　２．１雷诺应力模型（ＲＳＭ）　在雷诺应力模型中，输运方程表述如下　啬（ｐ　＋蠹‘肚　＋玛　上式中，左端２项分别为应力随时间的变化率和对流　项；右端Ｄ　为有湍动扩散项和分子粘性扩散项组成，　其表达式为　［ｐ“　＋（ｐ　）６　＋（ｐ　１．１，ｉ　）　一　（击再）］　剪切力产生项Ｐ　一ｐ【再　＋ｕ　ｊ　ｕｋ孤ａｘ　Ｊ　压力应变相关项　Ｏｕｉ　＋　Ｏｘｉ）　粘性耗散项　：一　ａｕｉ＇　Ｏｕ／５为用户自定义源项；　其中，　（ｚ＝ｉ，　，ｋ）为笛卡尔坐标分量；　“　为时均速度分量，Ｐ为时均压力，Ｐ为流体密度，　为分子粘度；　ＵｉＵ　是由湍流模型确定的未知雷诺分量；　是“Ｋｒｏｎｅｃｋｅｒ　ｄｅｌｔａ”符号（当ｉ＝　时，　；　＝１；　当ｉ≠　时，　＝０）。　２．２粒子相控制方程　颗粒轨道模型在Ｅｕｌｅｒ坐标系中处理连续的流体　相，然后在Ｌａｇｒａｎｇｅ坐标系下处理单个颗粒相，对大量　颗粒轨迹进行统计分析就可以得到整个颗粒群的运动　概貌。单个颗粒的运动方程可以直接从牛顿第二定律　得出。　ｄｕ　ｍｐ—　ＦＤ七Ｆｃ＋Ｆ　ｓ＋ＦＧ　

式中，ＦＤ、Ｆｃ、　、Ｆ。分别是流体对颗粒的曳力、为由　于颗粒在流场中旋转产生的离心力、为由于流场中存　在速度梯度而引起的力，称为Ｓａｆｆｍａｎ力及体积力。　各项的具体模型在各种文献中已有具体说明ｌ９］。　２．３边界条件　应用雷诺应力模型（ＲＳＭ）模拟连续相，连续相为　空气；颗粒材料是分离的主要对象，其粉尘粒径通常在　０．１—１００　ｔｘｍ范围内，应用离散相模型（ＤＭＰ）模拟。　在进口处，颗粒从入口截面上均匀分布的射人分离器，　颗粒的初始速度设为气体的人口速度，即认为颗粒在　进入分离器时已具有良好的跟随性，与气相间不存在　相对速度滑移。　当颗粒运动到壁面时，认为颗粒服从镜面反射的　３６·　轻工机械￣＇ｇｈｔ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　２００９年第６期　原理，以此对颗粒的下一点位置和速度参数进行计算，　设置为ｒｅｆｌｅｃｔ；当颗粒运动到排气口边界时，从出口逃　逸，此时停止对颗粒的跟踪，设置为ｅｓｃａｐｅ；当颗粒运　动到颗粒捕集口时，被壁面捕集，此时也停止对颗粒的　跟踪，设置为ｔｒａｐ。　混合人口速度为２０　ｍ／ｓ，颗粒相的人口速度为２０　ｍ／ｓ，颗粒人口浓度选取０．０＜ａ＜０．５。二次流入口为　空气，速度为１５　ｍ／ｓ，计算区域全部采用六面体网格　划分，共计６６　６４９个节点。　

（ａ）实体模型　（ｂ）网格图　图２　改进后旋风分离器的实体模型及网格图　３结果分析　旋风分离器中粉尘在离心力的作用下向壁面运　动，压力在径向从壁面到中心逐渐降低，在分离器中心　形成了一个低压区域。形成的低压区域有利于清洁后　的气流从出口流出。图３和图４为改进前后的静压分　布图，从图中对照可以看出，改进后近壁面处的静压增　大，中心低压区域分布更合理，灰斗处压力有明显的变　化，促进粉尘向捕集器运动。　

ｃ。ｎｔ。ｕｒｓ。ｆ　Ｓｔａｔｉｃ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ（ｉ）ａｓｃａ１）　ＦＬｕＥＮＴ　６３（３ｄＭａｐｂｙ　

ｎ

２ｓ１Ｒ２

ＳＭｊ００９．　

图３　＝０界面改进前的静压分布图　图５和图６是改进前后纵截面处的总压分布图，　从图６中而可以看出壁面处压力比改进前增强，这是　因为引入二次流使得流动切向速度增强，这样有利于　粉尘向捕集器运动，更容易实现对粉尘的捕集。从模　拟结果可以看出改进后的捕集效率将会大大提高。　轴向速度的分布表明了旋风分离器的内外层气流　旋转流动的特性，改进后的轴向速度分布基本对称，外　曩　睫　ｃｏｎｔ伽ｒｓ　０ｆ　ｓｔａｔｉｃ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ（ｐａｓｔａ１）　ＦＬｕ　Ｔ　６３（３ｄｇａＤｂｙ　２ｎ２ｓ．Ｒ２０Ｓｌ１０９）　图４　＝０界面改进后的静压分布图　Ｃｏｎｔ。ｕｒｓ。ｆ　Ｓｔａｔｉｃ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ（ｐａｓｃａ１）　ＦＬＵＥＮＴ　６３（３３　图５　＝０界面改进前的总压分布图　。“　。“　。ｏｆ　。　ｃ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ（ｐａｓｃａ１）　ＦＬｕＥＮＴ　６３（３　图６　＝０界面改进后的总压分布图　层向下，内层向上，气流在轴向流动更稳定，有助于除　尘效率的提高。从图７和图８可以看出，加人二次流　后，靠近壁面处切向速度增大，圆柱中心区域切向速度　减小，切向速度沿径向呈“驼峰”形分布。　通过观察图９和图ｌ０粒子运动曲线图，可以看出　改进后粒子在粉尘收集端停留时问延长，粉尘捕集处　驻停时间从０　ｓ增加到２　Ｓ，气体出口处粒子轨迹明显