升气管插入深度对旋风分离器内部流场影响的数值模拟.pdf

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1、第37卷第1期化工机械53升气管插入深度对旋风分离器内部流场影响的数值模拟+黄滨料王乐勤焦磊郝宗睿(浙江大学)摘要针对旋风分离器内部复杂的三维强湍流，在仿真过程中，采用雷诺应力模型(RSM)。利用贴体网格技术，模拟得到不同升气管插入深度时的旋风分离器内的切向速度分布、轴向速度分布和进出12'压降。结果表明，当升气管插入深度减小时，会使总压力损失有所降低。但有一部分气流将从入13'直接进入井气管形成短路，使旋风分离器的分离性能下降；对于特定的旋风分离器，升气管插入深度存在最优值，可保证较高的分离效率和较低的压降。关键词旋风分离器升气管雷诺应力模型数值模拟中图分类号TQ051．8+4

2、文献标识码A文章编号0254-6094(2010)01-0053-05旋风分离器是利用离心力场中两相介质存在密度差，将固体颗粒从气体中分离出来的一种分离设备。与过滤、沉降等分离方式相比，旋风分离器具有结构简单、成本低廉、无运动部件、能适用于苛刻的条件(高温、高压和腐蚀性强)以及分离效率高等优点。因此，广泛应用于石油化工、煤炭发电和环境保护等部门。近年来，有关旋风分离器的分离机理⋯、湍流计算模型¨1、结构尺寸(筒体长度∞1和排灰结构H1等)和入口含尘浓度”1对分离效率的影响，国内外学者已做了大量理论、实验和数值模拟方面的研究；有关升气管伸出段长度对分离性能的影响，SchmidtS冲

3、1和WangB¨1等人也进行了相关的研究，得出了在稳态情况下影响不大、在非稳态情况下存在一定影响的结论；对于升气管插入深度对分离性能的影响方面的研究，只有ZhuYifang"o等人对不同升气管插入深度的旋风分离器进行了实验，发现升气管插入段长度是影响分离性能及压力损失的重要参数，为了对实验结果进行验证，笔者采用CFD软件FLUENT对不同升气管插入深度的旋风分离器进行内部气流场模拟，揭示其对分离性能和压力损失的影响机理，为旋风分离器的结构优化设计提供参考。1数学模型与边界条件1．1数学模型的选择目前，旋风分离器中气相强旋流湍流数值模拟的计算模型主要有标准七．占模型[93、RNG模

4、型、雷诺应力模型(RSM)以及代数应力模型(ASM)。标准l

5、}啦模型具有简单、计算速度快等优点，但它基于各向同性假设，对于各向非同性湍流输运的强旋流分离器流场的模拟偏差较大。RNG模型和代数应力模型(ASM)虽然能够模拟湍流的各向异性，但对各向异性特征的描述能力有限，一些研究结果【10J也表明其在旋流中的应用并不成功。RSM模型最能反映湍流各向异性效应，如浮力效应、旋转效应、曲率效应和近壁效应等¨1

6、，因此笔者选用雷诺应力模型(RSM)进行模拟计算。RSM湍流模型的控制方程为：詈(p再)+毒(眺再)=”即珥+8q+S}浙江省自然科学基金资助项目(Y107467)。¨黄滨，男，1

7、985年11月生，博士研究生。浙江省杭州市，310027。54化工机械2010年上瓦甲明厦力移敢坝∥d力：卟如丽+研让+丽一p(轲)】剪应力产生项P“为：P“2一q[-”-----；-1t,瓦Ouj+--叶7-M-t7瓦0udJ即P(等+等)粘性耗散项s。为：铲一年等+甏1．2几何模型本计算采用的几何模型是以不同升气管插入深度的旋风分离器为研究对象的，其结构尺寸列于表1，基本结构如图1a，坐标基面选为锥体与筒体的交接面，而图1b是计算时采用的贴体曲线网格，该网格属于六面体结构化网格。I表1不同升气管插入深度旋风分离器尺寸mm图1旋风分离器结构及网格1．3边界条件模拟中的边界条件规

8、定如下：a．入口边界。取入口为常温下的空气，沿入口截面法向速度为秽；。=7．5m／s，湍流强度Ii。='4．5％，湍流动能k=÷(秽；。k)2=0．178m2／s2，湍‘1,．3／2流耗散率占。=c二／4孚=o．232m2／s3。■b．出口边界。出口处流动已充分发展，所有变量在该截面法向方向上梯度为0，出口设为自由出流。c．下灰口边界。气体流量为0，即无气流从此口出流，为壁面边界。d．固壁边界。壁面为无滑移边界条件，湍流采用标准壁面函数法处理。1．4差分格式选择流动控制方程组采用FLUENT6．3软件包提供的有限体积法离散求解。差分格式采用具有三阶精度的QUICK格式，压力插补格

9、式采用PRES．TO格式，采用SIMPLEC算法耦合连续性和动量方程。2结果分析与讨论2．1数值模拟的气相流场分布2．1．1切向速度分布图2分别给出了由雷诺应力模型计算得到的I、Ⅱ、Ⅲ型3个旋风分离器内z=lOOmm截面的切向速度矢量图，该图清楚地显示了旋转气流基本上关于轴心对称的，中心气流产生强烈旋转并在壁面附近快速降低。a．模型I第37卷第1期化工机械55图2z=lOOmm截面切向速度矢量分布图图3给出了I、Ⅱ、Ⅲ型3个旋风分离器在z=240、100、一300mm处的切向速度