基于计算流体动力学数值模拟分析的旋风分离器优化设计.pdf

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1、航天器环境工程第29卷第6期708SPACECRAFTENVIRONMENTENGlNEERING2012年12月基于计算流体动力学数值模拟分析的旋风分离器优化设计万筱军，何仁财，吴兆胜，易烈运(江西省农业机械研究所，南昌330044)摘要：旋风分离器由于结构简单而机理复杂，广泛应用于环境除尘净化处理。为了提高旋风分离器的除尘净化效率，文章基于计算流体动力学(CFD)数值模拟方法分析了其工作过程，得到了内部气一固两相流的分布参数云图。针对这些参数分布云图，分析了它们产生的原因。为了提高除尘净化效率和节省能源，文章通过参数、边界条件的反复设定及模拟分析，确定了旋风分

2、离器的最佳设计方案。本方案经过实际产品的有效运行取得了艮好的效果。关键词：旋风分离器；优化设计；参数云图；计算流体动力学中图分类号：X505：035文献标识码：A文章编号：1673-1379(2012)06-0708—04DoI：10．3969／j．issn．1673—1379．2012．06．0240引言旋风分离器俗称为“刹克龙(cyclone)”分离器(以下简称为刹克龙)，在结构设计、制造、安装上很简单而且没有运动部件，性能非常稳定，被广泛应用于空气粉尘净化处理，如用于对环境空气质量有较高要求的洁净间新风系统的预处理。刹克龙是环境除尘净化处理系统的关键部件。如

3、何优化设计其结构，对于提高除尘净化效率、降低能耗具有重要的技术经济意义。本文借助传统设计方法对刹克龙进行了初步设计，在此基础上再用计算流体动力学(CFD)数值方法进行模拟计算分析【1]，以便对它的运行参数及结构进行优化。所示。初步设计好的刹克龙产品作为本文CFD数值模拟分析的模型，通过模拟分析以获得其参数云图分布及随时间变化的关系，并通过对这些参数云图的分析研究来完成刹克龙的优化设计。下面重点介绍采用CFD方法对刹克龙d--0．45Dh1=0．8Dc=0．35Dh2=2Db--0．3Dh=2．8De=O．3Da--O．15D尼=∞+b)／2图1刹克龙的外形尺寸Fi

4、g．1Externaldimensionsofthecyclone进行的模拟分析过程及所取得的一些结果。1初步设计方案2模拟计算为了产生旋风，刹克龙采取了螺旋式结构设计，其特点是上大下小。由动量守恒定理可知，夹杂粉尘的空气在进入旋风器后，在旋转过程中其速度在增加，且粉尘在重力以及旋转离心力的作用下，与空气发生分离，并沉积在分离器底端，而空气气流继续上升，最后从排气口排出，实现了除尘净化处理。根据客户及工艺要求，采用传统设计方法对刹克龙进行了初步设计12。j，各部位的外形尺寸如图l2．1基本控制方程刹克龙在工作时内部流体主要是气一固混合两相流。由于粉尘的尺寸很微小，

5、混合的流体在进入刹克龙之后其流变特性非常好，可以视其为不可压缩的、连续的。因此，为了获得刹克龙的参数云图，本文采用了不可压缩流体的连续性方程和动量守恒方程来进行模拟分析[3。】。连续性方程为收稿日期：2012．09．10；修回日期：2012．11—29基金项目：国家农业科技成果转化资金项目(编号：2010GB2C500239)作者简介：万筱军(1965一)，男，高级工程师，研究方向为农业初械及环境除尘设备的研究。通信作者：何仁财(198l一)，男，硕士研究生，主要从事机械设备研制及流体传热学的研究；E-mail：Herencail981@163．com。第6期万筱

6、军等：基于计算流体动力学数值模拟分析的旋风分离器优化设计709昙kB)+Vk岛％)=艺鬲胛，(1)“‘q=l式中：Uq为q相的速度；mPg为P相到q相的质量传递；％为q相体积系数；Pq为q相密度。动量守恒方程为昙(％岛％)+V(口qpq／．．1qOq)=-O[qVP+2qpqg+V／．．1q·i+∑IB，。+‰。‰1+p=l＼／，，．、aq&IFq+Flift,q+Fvm，ql，(2)＼／式中：f。为第g相的压力应变张量；P为所有相共同的压力；g为重力加速度；心、乃分别为q相的剪切模量和体积黏度；尺M为相之间的相互作用力，与摩擦、压力、内聚力等因素有关；F。为外部

7、体积力；Flirt，g为升力；，。，g为g相质量力；uM为相间的速度，在分析时需要根据实际情况确定每相所占的比例，即口。的取值。2．2模型的建立及边界条件设定根据客户要求，本文设计的刹克龙直径D=500mm。为了减少计算量，在建立模型时进行了相应的简化。用GAMBIT软件来建立刹克龙的模型∞】，设定边界条件及进行网格划分。在模拟分析过程中，既要考虑收敛时间和计算机的运行能力，又要考虑到模拟的逼真性，本文对模型网格划分采用了四面体和六面体相结合的方式。因此划分后网格的尺寸初步设定为30，网格数为63007，如图2所示。对模型进行网格划分后，通过File菜单中的Exp

8、ort工具