基于SW-Flow Simulation旋風分離器生物物料分離仿真分析與參數設計

■鄭啟凱 李永奎 白雪衛

（沈陽農業大學工程學院，遼寧沈陽 110161）

農業物料在壓縮過程中，會有部分粉塵混合在成型的物料當中。將它們分離開來可以使用振動篩和旋風分離器，振動篩容易把成型物料篩落，分離器把粉塵吸入并與空氣分離，最后把粉塵送入制粒機中壓縮成物料顆粒。因此，旋分分離器在物料分離中就顯得尤為重要。旋風分離器是將由風機輸送來的空氣和顆?；旌衔锓蛛x開來的裝置，氣固混合物在分離器內飛速旋轉，固體顆粒因為離心力而向壁面運動，到達壁面附近后，受邊界層內的較小湍流作用，沿著壁面螺旋滑入分離器底部，達到分離效果[1]。

近幾年來，隨著CFD（Computational Fluid Dynam?ics，計算流體力學）技術的迅速普及和發展，人們越來越多地利用CFD技術來解決一些流體力學問題[2]。Boysan最早將CFD技術引入對旋風分離器的研究之中[3]?，F在大多報道中都是運用FLUENT軟件對旋風分離器內部流場進行模擬分析，并對旋風分離器進行優化設計[3-5]。但是大部分都是對工業上用到的旋風分離器進行優化設計，而對農業物料的分離所使用的分離器少有模擬分析和研究設計。本文采用正交設計方法安排模擬試驗，并結合實際情況確定重要參數的最優組合，并用Soildworks中的flow-simulation模塊對最優參數組合的旋風分離器模型進行流場分析，研究其速度和靜壓，向該流場中注入粒子對其運動進行仿真分析，最后對重要參數進行優化設計。SWFlow Simulation只研究氣體這一單相流體，顆粒作為注入其中的粒子進行研究，這種研究方法參數設置簡單易于更改，便于對旋風分離器進行參數設計[6]。

依據傳統旋風分離器的設計方法和相關設計經驗對旋風分離器進行基本設計[7-9]（具體結構尺寸如圖1所示），使用SolidWorks軟件對旋風分離裝置進行實體建模，并運用計算流體動力學數值模擬分析對其重要參數進行優化。

圖1 旋風分離器結構尺寸

1 工況與參數

1.1 工作流程

物料以及少量粉塵從制粒機中出來，通過清選篩壓縮成型的顆粒被清選出來，粉塵被吸入旋風分離器內，并在分離器內旋轉下降，通過關風機后被送到制粒機里重新壓縮，空氣從分離器上端排塵口排除經過引風機后進入到布袋除塵器中。

圖2 秸稈顆粒分離流程

1.2 工作參數

粉塵主要是秸稈碎屑，其密度為0.3～0.4 g/cm3，粉塵量按制粒機產率的5%計算，查詢資料知這種制粒機的產率為600 kg/h,則粉塵量為30 kg/h。計算得到：引風機全風壓為3 500 Pa；布袋除塵器壓力損失1 500 Pa；管道損失50 Pa。施加在分離器出風口的實際壓力101 325 Pa-(3 500-1 500-50)=99 375 Pa，入口因為與外界大氣接觸壓力為一標準大氣壓。

2 旋風分離器仿真分析與參數設計

2.1 流場分析參數設置

SoildWorks Flow Simulation分析可分為內部分析類型和外部分析類型，本文模型為內部分析類型，該分析類型需要對內部空間進行封閉，可以用Flow Simulation模塊中的創建封口菜單，對其進行封口，并設置封蓋厚度，然后通過檢查模型菜單檢測模型是否建立成功。因為旋風分離器內壁是光滑的而且整個分析過程都沒有熱量產生，所以壁面條件為絕熱壁面，粗糙度為0，該模擬分析設置為瞬態分析，分析總時長為10 s。模型柱體上端面圓心為坐標原點，模型中心線與坐標y軸重合，坐標x軸與物料進入的方向平行，重力設置為沿y軸向下，大小為9.81 m/s2，初始溫度和壓力設置為20.05℃和101 325 Pa。流體為空氣，流動類型為層流和湍流。

2.2 數值模擬模型

選擇H1、H2和Hb作為設計參數，其他參數已給定具體值。除塵器工作深度Hb范圍是50～400 mm，排風管深入高度H2范圍是100～650 mm，錐體高度H1范圍是600～1 000 mm。在每個結構參數范圍內選取具有代表性的三組做數值模擬分析。采用正交設計方法安排模擬試驗，研究分離器工作高度、排氣管插入深度、錐體高度對流場風速的影響，得出最優的參數組合，參數按照表1設置。

2.3 平穩流場分析結果

采用平穩流場中最大速度做為評價指標，流場中最大速度都是出現在排氣管下端口邊緣附近，此處速度越大越有利于粉塵和空氣的分離。模擬結果及分析如表2所示。

表1 數值模擬選用的參數

表2 模擬試驗結果及直觀分析

對正交試驗設計結果進行分析，可以得出對流場中最大流速的影響由大到小為排氣管插入深度、錐體高度、分離器工作高度；最優的一組結構參數為排氣管插入深度600 mm、分離器工作高度為100 mm、錐體高度600 mm。但分離器在實際工程中應用時必須要保證排氣管下端口截面不大于下端口與分離器內壁圍成的環形面積。而正交試驗表明，排氣管插入深度越深越有利于分離，保證其他參數不變，排氣管最合適插入深度為460 mm。

以最終確定的合理結構參數為基準，對該模型的流場中的靜壓和速度進行分析，模型前視基準面的靜壓和速度切面圖見圖3～圖4。

由圖3可以看出流場中排氣管下端口附近速度最大，排氣管中心速度小，四周速度大；由圖4看出，流場中越靠近分離器壁面靜壓越大，也是在排氣管下端口邊緣附近靜壓比較大。

2.4 粒子仿真分析與參數設計

以上文確定的流場為基礎，注入粒子，研究粒子在流場內的運動情況，分析粒子的運動，對設計的分離器最優參數進行驗證。

圖3 流場速度云圖

圖4 流場靜壓云圖

2.4.1 粒子初始條件設置

粒子注入的初始點為入口內表面，由工況參數可知，玉米秸稈粉粒密度為0.3～0.4 g/cm3，粒徑4e-5m，注入粒子的質量流量為0.008 3 kg/。查閱相關資料得到粒子碰撞到壁面的反射條件，正?；謴拖禂禐?.8，切向恢復系數為0.35。

2.4.2 粒子仿真結果與分析

粒子在流場中運動的仿真情形如圖5所示，從中可以看出粒子在分離器內旋轉下降，這與理論結果相一致，說明該參數設計比較合理，可以達到分離粉塵和空氣的目的。

圖5 粒子在流場中運動示意圖

3 結論

SW-Flow Simulation與SolidWorks其他模塊可以實現無縫銜接，因此利用該模塊對流場分析，可以實現快速結構設計及參數優化設計。SW-Flow Simula?tion提供的流場中粒子研究技術，可以實現低濃度顆粒前提下，采用單相耦合算法，分析流場中粒子的運動規律，為相關產品設計及運行狀態的仿真分析提供了快捷手段。

針對秸稈致密成型系統的旋風分離器實例，通過模擬分析，得到旋風分離器，在最大直徑為400 mm情況下，分離器合適工作高度為100 mm，最佳錐體高度為600 mm，排氣管深入長度為460 mm比較適合。