气液旋流分离器排气管结构优化的数值模拟.pdf

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1、620化工机械2013年气液旋流分离器排气管结构优化的数值模拟周云龙+米列东杨美(东北电力大学能源与动力工程学院)摘要利用FLUENT提供的RSM模型和DPM模型对采用扩散锥形排气管的切流式气液旋流分离器内部气相流场和液滴轨迹进行了数值模拟，模拟结果显示锥角在0～200范围内，随着锥角的不断增大，压降小幅度减小，当达到临界角度时压降略高于传统型排气管压降，但分离效率提高了9．2％，因此扩散锥形排气管应用到切流式气液旋流分离器内既可以保持压降基本不变又能提高分离效率。关麓词气液旋流分离器数值模拟排气管中图分类号TQ028．

2、5+4文献标识码A文章编号0254-6094(2013)05-0620-05旋流分离技术日益成为国内外竞相研究的热点技术，旋流分离器具有结构简单、无运转部件、处理量大、效率高以及压降适中等优点。近年来大部分研究集中于旋流分离器结构上的优化设计，主要体现在：提高其对细粒的捕捉能力；设计出压降低、能耗低、分离效率高的分离器。研究发现排气管的结构形式对旋流分离器的性能影响较大。金向红等u1通过实验证实了相对于传统的直气管形结构，采用扩散锥形排气管结构可以有效地削弱旋流分离器内短路流的形成，这种倒坡的出口结构使液膜难以形成和攀升

3、同时也能减少因突缩造成的压降，从而在保证压降基本不变的情况下提高分离效率。目前为止，该种结构形式只在轴流式分离器内采用，而切流式分离器还未见应用。笔者采用数值模拟的方法，研究扩散锥形排气管对切流式气液旋流分离器分离性能的影响和确定最佳的锥角。1数值计算模型欧拉一拉格朗日计算方法是目前应用比较多的一种计算气液两相流动的方法心】。它将气相看作连续相，液滴看作是分布于连续相中的离散颗粒。该方法必须先得到收敛的单相流场后再引入颗粒相，在考虑了颗粒在流场中的各项受力和湍流扩散影响后，得到流场中颗粒的运动速度和轨迹。1．1湍流模型的

4、选择CFD能够成功模拟分离器内部湍流流场，关键在于能够准确描述出湍流流场的特征∞]。FLUENT中提供的湍流模型中只有RSM模型能够预测与实验数据一样的组合涡。目前国内外许多学者应用RSM模型成功模拟气液旋流分离器内部流场的情况H。】，因此笔者采用RSM模型对旋流器内气相流场进行数值计算。1．2控制方程¨o连续性方程：塑+Opu__z,：O(1)动量方程：Otaxl一堕O型t+堕a≠x=一老+茜p(詈Ox+差)一cp再，】fa菇ia暂；I7。I：。a茹：J、7‘，7l(2)Reynolds应力方程：％≯+c{f=Dr,／

5、／+DL,q+P#+”占。(3)式中C。——对流项；Dii——扩散项；D¨i——分子粘性扩散项；D¨，——湍流扩散项；Pii——雷诺剪应力产生项；咖。——压力应变项；si——粘性耗散项。}周云龙，男，1960年2月生，教授。吉林省吉林市，132012。第40卷第5期化工机械62l1．3DPM模型DPM模型应用的最基本假设是要求第二相的体积分数少于10％一12％，文中第二相体积分数取值为4％，与实验一致，因此可以认为颗粒相的存在对连续相没有影响只考虑连续相对颗粒相的影响即单相耦合。考虑到采用欧拉一拉格朗日方法单相耦合方式，

6、颗粒的运动方程由文献[5]给出：百dupl=卷訾㈠心"掣”。㈩dxp_．_2dt=H“(5)一毗、’，式中C。——液滴的曳力数；d。——颗粒直径；E——颗粒在流场中所受其他的作用力；如。——颗粒雷诺数；r流体密度；p。——颗粒密度；弘——流体粘度；(P，-p)g；／p，一颗粒所受重力。模型只考虑连续相流体对颗粒产生的曳力作a．几何结构用，其他作用力相对于曳力要小很多故忽略不计。1．4边界条件的设定采用欧拉一拉格朗日计算方法时应先计算连续相流场，然后再引入离散相，因此边界条件设定分为气相边界条件的设定和两相边界条件的设定，

7、两者的区别在于后者主要表现在颗粒相的设置上。首先设置气相边界条件，分离器人口设置为velocityinlet，连续相介质为空气，出口条件为outflow，其他壁面均设置为无滑移边界条件，在FLUENT中近壁处用标准的壁面函数来计算。然后设置两相边界条件，入口处将颗粒群按初始尺寸分组，使不同直径的液滴均匀的从入口截面上射入分离器内，液滴的初始速度为气体的人口速度；当液滴运动到壁面时只考虑反弹和沉积，故壁面设置为reflect，设置排气口边界为escape，捕集口边界设置为trap。1．5物理模型及网格划分为了验证数值模拟的

8、正确性，笔者选取与实验一致的物理模型(图1)，具体尺寸见表1，用A。一A5分别表示口为0、10、15、20、250的不同锥角的分离器，其中A．为与实验一致的物理模型。图1旋风分离器结构示意图表1分离器的几何尺寸mm尺寸名称尺寸排气管直径D。排气管插入长度S锥尖直径B，筒高h分离器高度日。进口(axb×￡)排气管长度k