一種高效旋風分離器的分離特性

孟柯含 路義萍 戴景祿 張松松

摘?要：為了研究大氣監測系統中涉及的旋風分離器的分離性能及影響因素，根據旋風分離器設計準則，設計了結構尺寸，建立流場三維物理模型，應用雷諾應力模型（RSM）模擬氣相速度場，然后加入顆粒相應用離散相模型進行氣固兩相流耦合計算，得出內外旋渦形式的流場對顆粒運動影響及顆粒的分離情況;為滿足分離性能的要求，在初始結構方案基礎上，依次改變排氣管長度、直徑等參數，計算并比較分離效率曲線的幾何標準差。結果表明：較優結構排氣管長度為42mm、直徑為18mm，可有效抑制短路流產生，增大外部漩渦區域，保證了幾何標準差為1.5±0.1，提升了分離效率。

關鍵詞：旋風分離;數值模擬;臨界粒徑;分離性能

DOI：10.15938/j.jhust.2020.03.018

中圖分類號：?TK09

文獻標志碼：?A

文章編號：?1007-2683（2020）03-0116-06

Abstract：In?order?to?study?the?separation?performance?and?influencing?factors?of?cyclone?separator?involved?in?the?atmospheric?monitoring?system，?the?structure?size?of?the?particle?was?designed?and?the?three-dimensional?physical?model?of?the?flow?field?was?established?by?the?design?criterion?of?the?cyclone?separator.?Reynolds?stress?model?（RSM）?was?used?to?simulate?gas?velocity?field，?then?the?particles?phase?was?added?and?the?gas-solid?two-phase?flow?was?calculated?by?the?discrete?phase?model.?The?effect?of?internal?and?external?vortices?on?particle?motion?and?the?separation?of?particles?is?obtained.?In?order?to?satisfy?the?requirements?of?separation?performance，?the?parameters?such?as?the?length?and?diameter?of?exhaust?pipe?were?changed?successively?and?the?geometric?standard?deviation?of?the?efficiency?curve?of?separation?was?calculated?and?compared?on?the?basis?of?the?initial?structure?scheme.?The?result?show?that?the?optimal?exhaust?pipe?length?is?42mm?and?diameter?is?18mm.?It?can?effectively?inhibit?the?generation?of?short?circuit?flow，?increase?the?external?vortex?area，?guarantee?the?geometric?standard?deviation?is?1.5±0.1，?improve?the?separation?efficiency.

Keywords：cyclone?separation;?numerical?simulation，?critical?particle?size，?separation?performance

0?引?言

旋風分離器自發明投入使用以來已有百余年歷史，先后經過了3個發展階段，通過理論分析、科學實驗、模擬計算等階段對它有了更加深入的認識[1-2]，用數值模擬方法對旋風分離器內部分離過程進行模擬，理論研究相對成熟。

近年來，國內外研究學者對旋風分離器進行了大量相關研究，王海剛等[3]針對標準k-ε、RNG?k-ε、雷諾應力（RSM）模型分別進行了計算，通過分析三種不同湍流模型模擬結果，發現RSM模型更能準確反映分離器內部氣相的真實狀態;高雪琦等[4]在Fluent中應用了RSM和離散相模型（DPM）模型，分別模擬了多種尺寸的旋風分離器對細微粒的分離效果;QI?Z等[5]著重分析了旋風分離器內部復雜的流場特征，在流動不同時期采用不同的模擬方法，開始以RSM模型，穩定后過度到大渦模擬，最后激活多相流模型。同時分析了顆粒的粒徑分布、密度對分離效率的影響。近年來，計算模型逐漸完善，計算軟件逐漸發展，研究不同參數對分離器性能的影響較多。凌國華[6]分析了進氣口顆粒的狀態對分離效率的影響。袁怡等[7]通過比較不同圓柱體直徑與分離器分離性能的關系，定性的預測了旋風分離器分離效率和壓降隨圓柱體直徑的變化趨勢。JIN?W?L等[8]發現內外漩渦分界面的形狀對氣流流動和顆粒分離的影響很大，分離器中圓錐體部分及進氣口可以影響對內外漩渦分界面。調整圓柱體直徑，可以減小進氣流量對總壓降的影響。OSCAR?L等[9]認為在旋風分離器的設計時最重要的性能參數是壓降和收集效率，發現最大切向速度位置向內移動，壁面附近切向速度變化梯度增加，均會降低壓降，增加收集效率。蘇偉等[10]通過研究分離器內氣相流場的分布，改變入口氣體流量，顆粒相濃度來分析分離性能的好壞。狄文靜等[11]模擬研究了VSCC型旋風分離器的內部湍流場，并進行了相關的實驗驗證，提出了多種幾何參數改進方案，定性的分析了提高分離效率，減少能耗的途徑。GHASEMI?A等[12]對三維旋風分離器進行數值模擬，通過改變排氣口直徑、圓柱體直徑。進氣口直徑及傾角，獲得了氣液分離的最佳點。汪林[13]研究了進氣口不同位置處顆粒的分離狀況，研究了排氣管截面積、偏置方向、偏心距帶來的壓力損失及分離效率的影響。姜孝國等[14]采用Fluent對分離器效率的影響因素進行了分析，著重研究了逃逸的三類顆粒，并分別提出了減少這三類顆粒逃逸的優化措施及建議。近期研究重點主要集中在不同結構旋風分離器的分離性能研究[15-17]。

綜上所述，在國內外的研究中發現，大多數的人都集中在定性分析邊界條件及結構參數對氣相流場及分離效率的影響，對要求有特定切割粒徑的分離器的結構參數設計及邊界條件的設定的研究較少。本文研究的是固定源排放顆粒物濃度監測系統裝置中的PM10旋風分離器，特點是流量小，流量為10L/min，臨界粒徑應為10μm，同時為后面PM2.5濃度測量的準確性，還需保證分離效率幾何標準差在理論范圍內。

1?物理模型

本文設計的PM10旋風分離器結構及原理示意見圖1，該裝置分為5個區域：進氣管、圓柱體、圓錐體、排氣管、排塵口，其中h為圓柱體高度，H為分離器高度，De為排氣管直徑，D為圓柱體直徑，a為進氣口高度，b為進氣口寬度，E為排塵口直徑。圖1（b）為X=0截面。

使用SolidWorks建立物理計算模型，根據文[18]得出各結構尺寸如表1：

2?數學模型及求解條件

2.1?數學模型

氣相模型：根據以往研究發現RSM模型[3]更能準確反映分離器內部氣相的真實狀態，故選用該模型方程：

氣固兩相模型：本文的PM10旋風分離器，粒子濃度相對較低，則應使用離散相模型（DPM）[19]，對粒子的軌跡進行追蹤。由于體積分數較小，不需要考慮考慮離散相對氣相的作用，因此選用單向耦合。由以往的研究可知，曳力對顆粒運動的影響最大，其余的對其影響非常小，固可忽略不計。曳力表達式如下：

分離性能指標：

1）臨界粒徑dc50是分離性能的一個關鍵參考因素，通常情況下，用dc50表示在分離器中分離效率為50%的顆?？諝鈩恿W直徑[20]。

2）認為排塵口流出的顆粒數N逃逸與進氣口射入的顆?？倲礜總數的比值為總分離效率η，也可以表示為分級分離效率，指在某一粒徑范圍內的分離效率，可以直觀反映對不同粒徑顆粒的分離程度[21]。

式中：dc84，dc50，dc16，分別代表分離效率為84%，50%，16%的顆粒粒徑;δg為無量綱常數，用來表示分離器的分離性能。

2.2?求解條件

氣相邊界條件：①進氣口：給定體積流量入口10L/min，煙氣溫度150℃，設置進氣口為速度入口2.3m/s，水力直徑為10mm;②排氣口：設置為自由出流;③壁面：無滑移。

顆粒相邊界條件：①進氣口：在進氣口進入的粒子群按初始尺寸分組，使不同粒徑的粒子在進氣口截面不同的位置均勻射入，粒子與氣體的初始速度相同;②壁面：設置壁面為reflect;③排氣口：設置為escape（4）排塵口：設置排塵口邊界條件為trap。

采用ICEM軟件劃分網格，發現當網格數為30萬以上時，模擬結果基本不隨網格數變化。壓力離散格式采用PRESTO！，其他離散格式相采用具有三階精度的QUICK格式。離散方程組求解時壓力速度耦合采用SIMPLEC方法，近壁面處使用標準壁面函數法，獲得網格獨立收斂解。

3?計數值模擬結果及分析

3.1?流動分析

假設顆粒相的體積分數很小，將其視為稀疏相處理，顆粒相的受力與運動受分離器中氣相流場作用的影響較強烈，首先計算分離器中的氣相流場。

流場Y=0截面（見圖1）速度矢量分布見圖2。由圖可知，分離器內有內旋渦與外旋渦構成的雙層旋流以外，還有局部的二次渦流;由進氣口射入的大部分氣流進入分離器內，有一小部分氣流沿軸向朝上運動，碰到上壁面后，在排氣管外壁面附近形成了二次渦流，這些渦流會將其中未經分離的顆粒聚集在長時間停留，最終增加了這部分粒子撞擊到壁面上的概率，影響了分離的性能;由進氣口射入的氣流速度較大，紊流程度較強，并且進氣口距離排氣口下端較近，所以一部分顆粒流并未跟隨主流體向下運動，未經分離過程經排氣管流出，類似短路流，嚴重降低了分離性能。

氣相計算分析結束后，加入顆粒相計算顆粒的運動情況，得到各粒徑范圍內顆粒的分離效率η，如圖3所示。由圖可知，10μm以下分離曲線上凹，其他下凹;隨著粒徑增加，η數值逐漸增加;粒徑超過10μm，η增長速率放緩。本研究的PM10分離器不僅要保證臨界粒徑在10±0.5μm范圍內，為了保證下一級測量準確性，須保證分離效率曲線的幾何標準差為δg=1.5±0.1，如果對于大粒徑顆粒的分離效果較差，使得大顆粒進入后續細分離設備，會使后續測量產生誤差。

根據圖3得到dc84=13.2，dc16=6.71，?dc50=8.7，計算得到分離效率曲線幾何標準差：δg=dc84/dc50=1.47，δg=dc50/dc16=1.33。數值小于1.4，分離性能較差。主要是由于在臨界粒徑附近的顆粒，未能按理想的運動軌跡發展，主要表現在過多小粒徑顆粒被PM10旋風分離器收集，過多大粒徑顆粒逃逸。

3.2?結構參數對分離性能的影響

針對上述方案得到的PM10旋風分離器分離效率曲線幾何標準差較差的問題，為提高分離性能，依次改變分離器排氣管的長度、排氣管的直徑，使用SolidWorks、ICEM進行前期處理，給定相同的邊界條件，分別進行數值模擬，并總結結構尺寸對分離性能的影響規律。

排氣管長度影響：設計了如下兩組改進方案;具體結構參數改變數值見表2。第一組方案中圓柱體段高度不變，第二組方案中圓柱體高度隨排氣管改變，設排氣管長度為36mm時為初始方案，其他的結構參數均相同。

得到排氣管長度不同時4個方案中分離器Y=0截面的速度分布云圖，見圖4，通過方案一與方案二比較發現，隨著排氣管長度的增加，在排氣管外壁面附近的二次渦流范圍逐漸變小。氣流進入分離器的位置與排氣口底端的距離增加，減少了氣流因兩者距離短直接進入排氣口的短路流的發生，在此處的氣流的速度逐漸增加，減少了氣流直接進入排氣口的可能性。但隨著排氣管長度的增加，排氣管增加部分的管壁破壞了原本存在的分離器氣流內外雙層漩渦狀態，減小了對顆粒分離起主要作用的外旋渦區域，使得分離器內沒有足夠的空間使顆粒進行分離，導致增加排氣管長度但并不能很好的提高分離性能。

第2組方案，將圓柱體段高度隨排氣管長度改進，速度云圖見圖5。通過縱向對比第一、三方案;第二、四方案，可以明顯發現，在排氣管底端處切向速度減小，避免了較大顆粒逃逸;內外漩渦區域高度增大，使得顆粒有足夠空間進行分離，同時可以減少排塵口附近已被捕集顆粒出現返混的可能性，只改變排氣管長度方案的缺點得到了修正。故初步選定第4方案。

排氣管直徑的影響：在對旋風分離器的研究中發現，排氣口直徑對分離性能有重要影響。為了分析排氣管直徑對分離器性能的影響，在上述第4方案的基礎上，設計了排氣管直徑分別為14、18、26mm，3個改進方案，其他的結構參數均相同。

兩個方案的切向速度分布見圖6，對比發現當排氣管直徑變小時，分離器的最大切向速度變大。切向速度對顆粒的分離至關重要，切向速度越大，顆粒越容易分離。方案一中的最大切向速度是方案3中的1.8倍，所以排氣管直徑越小越好;隨著排氣管直徑逐漸變大，由最大切向速度值組成的CS面沿徑向向外移動，即CS面以外的對顆粒分離起主要作用的外旋渦區域變小，對顆粒分離效果變差。

方案1、2方案中分離器Y=0截面的軸向速度分布云圖，見圖7，由圖可知，第1方案中心線上，軸向速度由0m/s增加到6.72m/s，而第3方案中心線上軸向速度由0m/s增加到2.24m/s，排氣管直徑越小，上升氣流的流通流截面積變小，使得軸向速度明顯增加。但軸向速度過大，使得一些原本可以被捕集的在內漩渦中做上旋運動的大粒徑顆粒逃逸，降低了分離性能，所以并不是排氣管直徑越小越好。即取18mm作為直徑。

4?結果驗證

在原方案基礎上，通過計算分析對PM10旋風分離器進行了排氣管長度及直徑的結構優化，改善了分離性能，改進方案與原方案中各粒徑范圍顆粒的分離效率見圖8，分離效率曲線幾何標準差δg=dc84/dc50=1.45，δg=dc50/dc16=1.42?？梢园l現，對于較大粒徑的顆粒分離效率提高，說明結構優化后的PM10旋風分離器捕集了更多的大于10μm的顆粒，減小了在原方案這些顆粒逃逸對后續測量的誤差，較小粒徑的顆粒分離效率降低。

5?結?論

本章為分離含塵氣流中PM10顆粒，根據PM10旋風分離器設計準則，為滿足臨界粒徑，分離效率幾何標準差的要求，進行了結構尺寸設計，根據氣固兩相流動模擬結果，提出了影響因素并進行比較分析，得到以下幾條結論：

1）在旋風分離器排氣管外壁上存在二次渦流，增加了顆粒停留的時間，不利于分離;在排氣管底端存在短路流，導致部分顆粒未經分離直接流入排氣口逃逸。

2）隨著排氣管長度增加（圓柱體高度增加相同值），減少了排氣管下端短路流的發生，當其值為42mm時，分離性能較好。

3）隨著排氣管直徑減小，在各高度截面上的最大切向速度均有不同程度的增加，CS面沿徑向朝中心移動，外旋渦區域增大，當De=14mm時最大切向速度是De=26mm時的1.8倍。但直徑過小會導致軸向速度過大，影響正常顆粒分離，分析得到當De=18mm時，滿足要求。

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（編輯：王?萍）