集灰口结构对旋风分离器性能影响分析

兰 江

(滇西科技师范学院，云南 临沧 677000 )

集灰口结构对旋风分离器性能影响分析

兰 江

(滇西科技师范学院，云南 临沧 677000 )

对四种不同集灰口结构的旋风分离器进行了对比模拟，结果显示四种分离器内部切向速度分布、轴向速度分布、静压的分布情况十分相似，只有III型分离器的流场略有不同，最大切向速度略低于其他的分离器；轴向速度分布呈现倒“V”形，其他三种分布呈现“M”形；50%切割粒径与I型分离器比较都有所降低。通过理论分析，可知集灰口连接料腿、灰箱会改变分离器的分离特性。

旋风分离器；数值模拟；集灰口结构

旋风分离器结构简单，造价经济，适用范围广泛，但其内部流场复杂，受几何尺寸影响较大。切向入口形式的旋风分离器最为常见。目前对旋风分离器模拟所采用的物理模型主要分为两大类，一类为只研究分离器本体部分，第二类为带有灰箱或料腿的旋风分离器。部分学者根据灰箱的影响结果，认为灰箱应该作为分离器本体的一部分[1,4]，然而许多研究没有灰箱或料腿的分离器与实验结果也有很好的吻合[1-3]。

因此，将通过模拟手段详细对比传统型分离器、带料腿和灰箱的分离器对流场的影响，已期能够达到以下两个目的，其一为证明传统型(只有分离器主体)，带料腿(出口下方连接直管)及带有灰箱的分离器均能够成功模拟内部情况；其二分析料腿及灰箱对分离器性能的影响，为设计者提供参考。

1 数值计算模型

欧拉-拉格朗日计算方法是目前应用比较多的一种计算气固两流动的方法[4]。气相作为连续相，固体颗粒作为离散相。在连续相收敛的条件下，再引入离散相进行计算。而颗粒相体积分数较低，只考虑连续相对离散相的影响。

1.1 几何尺寸及网格划分

旋风分离器的结构尺寸均与分离器筒体直径D成一定的比例关系，它包括七种结构，入口高a、宽b、分离段高h、筒体高度Ht、粉尘出口Bc、排气管直径Dx、高S，具体形状及尺寸如图1所示。应用ANSYS 12.0提供的ICEM进行网格划分，全局采用六面体网格，如图2所示。

图1 旋风分离器结构示意图Fig.1 Schematic diagram of cyclone separator structure

图2 旋风分离器计算网格Fig.2 Computational grids of cyclone separator

1.2 湍流模型的选择

目前国内外许多学者应用RSM模型和DPM模型成功的模拟旋风分离器内部流场的情况[5-6]，因此采用RSM模型和DPM模型对旋流器内气固两相流场进行数值计算。

1.3 控制方程

利用的基本控制方程如下[7]：

连续性方程：

(1)

动量方程：

(2)

Reynolds应力方程：

(3)

式中：Cij为对流项；Dij为扩散项；DT,ij为湍流扩散项；DL,ij为分子粘性扩散项；Pij为雷诺剪应力产生项；φij为压力应变项；εij为粘性耗散项。

颗粒相方程由文献[8]给出：

(4)

(5)

式中：μ为流体的黏度；ρ为流体密度；ρp为颗粒密度；dp为颗粒直径；Rep为颗粒雷诺数；CD为颗粒的曳力数。(ρp-ρ)gi/ρp为颗粒所受重力。Fi为颗粒在流场中所受其他的作用力，在此只考虑连续相流体对颗粒产生的曳力作用，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

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，两者的区别在于后者主要表现在颗粒相的设置上[9]。分离器入口设置为velocity inlet，气体体积流量Qin=0.084 05 m3/s，气体密度为1.225 kg/m3，颗粒入口处将颗粒群按初始尺寸分组，出口条件为outflow，其他壁面均设置为无滑移边界条件，近壁处用标准的壁面函数处理。 两相壁面边界设置为reflect，设置排气口边界为escape；捕集口边界设置为trap。

1.5 求解控制参数的设置

方程采用ANSYS FLUENT 12.0稳态求解，压力插补格式采用PRESTO！格式；压力与速度耦合形式采用SIMPLE格式；动量离散项采用QUICK格式；湍动能、湍流耗散率采用Second order upwind格式。

2 模拟结果分析

所得到的结果均经过网格无关性讨论。分离器的速度主要由切向速度和轴向速度构成，切向速度是产生离心力的主要因素，迫使颗粒被分离出来，而轴向速度作用是迫使颗粒向下运动的主要因素。因此，集灰口的尺寸对分离器的影响将主要考虑对轴向速度和切向速度场的分布影响。图3为四种分离器在4个截面处的切向速度分布图，每个分离的切向速度都很好的显示了“兰金涡”的存在，外部的自由涡和内部的强制涡。同一种分离器的不同部位强制涡处切向速度很相似，外部涡受分离器几何形状影响，在壁面处分布有所不同，但最大切向速度处基本在同一个界面处，切向速度在轴向不同部位的分布基本相同，意味着一个部分切向速度变化其他部分也会有相同的变化。

图3 四种分离器切向速度分布图Fig.3 Tangential velocity distribution diagram of four types of separators

图4为四种分离器在四个截面处的轴向速度分布图。轴向速度在内涡区呈现倒“V”形和“M”形，分离器I、II、 IV呈现“M”形分布，只有III呈现倒“V”形分布。轴向速度呈现“M”形分布主要受几何形状影响，排气壁面摩擦力的作用使得旋流衰减，在中心处形成相反的压力梯度，因此该部分流体被重新带回排气管。III型分离器出现倒“V”形分布，主要是由于气流进入灰箱后扩散，但由于灰箱内没有稳压装置，在灰箱内同时存在两部分气流，向上气流经过突缩后气流被加速克服逆向梯度，因此形成了倒“V”形分布。其他的分离器在灰出口处连接有料腿，流场没有变化，气体没有被加速。

图4 四种分离器轴向速度分布图Fig.4 Axial velocity distribution diagram of four types of separators

图5为静压分布图，同一个分离器内部静压分布十分相似，轴向不同位置上的压力变化值很小。通过图3、4、5可以看出分离器内部流场分布具有很好的跟随性。因此，四种分离器在同一位置处对比静压、切向速度、轴向速度分布。

图6为四种分离静压分布对比，在中心处最小值差别最小，I、II 、IV分离器静压分布相似度很高，几乎在同一条线上，只有III型分离器静压分布整体略底。

图7为四种分离器在P1处切向速度分布对比，通过对比可以看出在中心处分布基本相同，但I、 II、 IV型分离器最大的切向速度大于III型分离器。由于颗粒的分级效率随着最大切向速增大而提高，因此颗粒的分级效率会比III型分离器要高。出口结构也会对分离效率造成一定的影响。

图8给出了分离器内部轴向速度分布的典型的分布趋势，“M”形和倒“V”形分布。通过对比III型分离器和IV型分离器可以发现，在集灰口下方连接有料腿可以改变轴向速度的分布。

图5 四种分离器静压分布图Fig.5 Static pressure distribution diagram of four types of separator

图6 四种分离器P1处静压 分布对比图Fig.6 Static pressure distribution diagram of four types of separator

图7 四种分离器P1处切向速度 分布对比图Fig.7 Tangential velocity comparison diagram of four types of separators at P1

图8 四种分离器P1处轴向速度 分布对比图Fig.8 Axial velocity comparison diagram of four types of separators at P1

图9为分离器气体轨迹图，对比III、IV分离器可以看出，料腿的存在减少了在灰箱内的气流的含量，可以有效地避免“返混”现象，料腿长度及灰箱的尺寸对分离性能的影响还需后续的研究。

图10为四种分离器的分级效率，整体呈现“S”形，对比分级效率可以看出分离器集灰口连接料腿和灰箱会提高分离器的分级效率，I、II、III、IV型分离器50%切割粒径分别为1.7 μm、1.25 μm、1.25 μm、1.0 μm，主要是由于灰箱和料腿的存在增大了分离器内部最大切向速度。

图9 气体轨迹图Fig.9 Gas orbit graphics

图10 颗粒分级效率Fig.10 Particle separation efficiency

3 结 论

通过数值模拟分析四种旋风分离器内部切向速度分布、轴向速度分布、静压分布及分级效率，主要得到以下结论。

1)四种形式的分离器均能很好的模拟内部流场的分布。

2)III型分离器的最大切向速度略低于其他三种，轴向速度分布和其他分离器相比也不同,III型分离器轴向速度分布呈现倒“V”，其他为“M”形。

3)集灰口下方连接料腿或灰箱均能提高50%切割粒径。但料腿长度、直径、灰箱的直径高度等对分离器内部流场的影响还需要进一步研究。

[1] 米列东. 旋风分离器固体出口结构优化的数值模拟[J]. 黑龙

江电力,2015,37(4):335-338.. MI Liedong. Numerical simulation on the optimization of solid outlet structure of cyclone separator[J]. Heilongjiang Electric Power, 2015, 37(4): 335-338.

[2] 郝振彬. 旋风筒入口积粉的原因分析与改进[J]. 黑龙江电力技术,1991,13(5):264-267. HAO Zhenbing. Cause analysis and improvement of powder accumulation at cyclone inlet [J].Heilongjiang Electric Power,1991,13(5):264-267

[3] Qian F, Zhang J, Zhang M. Effects of the prolonged vertical tube on the separation performance of a cyclone [J]. Journal of Hazardous Materials, 2006, 136(3): 822-829.

[4] Kaya F, Karagoz I. Performance Analysis of Numerical Schemes in Highly Swirling Turbulent Flows iIn Cyclones [J]. Current Science, 2008, 94(10): 1273-1278.

[5] Obermair S, Woisetschlager J, Staudinger G. Investigation of the flow pattern indifferent dust outlet geometries of a gas cyclone by laser doppler anemometry[J].Powder Technol ,2003,138(2):239-251.

[6] Chuah T, Gimbun J, Choong T S. A CFD Study of the Effect of Cone Dimension on Sampling Aerocyclones Performance and Hydrodynamics [J]. Powder Technol, 2006, 162(32): 126-132.

[7] Sakhani H, Akhavan-Behabadi M, Shams M, et al. Numerical Simulation of Flow Field in Three Types of Standard Cyclone Separators [J]. Advanced Powder Technol, 2010, 21(4) 435-442.

[8] Zhao B, Su Y, Zhang J. Simulation of Gas Flow Pattern and Separation Efficiency in Cyclone with Conventional Single and Spiral Double Inlet Configuration [J]. Chemical Engineering. Research and Design, 2006, 84(11): 1158-1163.

[9] D. Misiulia, A.G. Andersson, T.S. Lundstrom. Effects of the inlet angle on the flow pattern and pressure drop of a cyclone with helical-roof inlet [J]. Chemical Engineering. Research and Design, 2015, 102 :307-321.

(编辑 李世杰)

Analysis of influence of ash collecting structure on cyclone separator performance

LAN Jiang

(Dianxi Science and Technology Normal University, Lincang 677000, China)

The simulation by contrasting four kinds of cyclone separators with different ash collecting structures is carried out. The results show that the distribution situations of tangential velocity, axial velocity and static pressure of the four kinds of separators are very similar, only with slight difference in the flow field of III separator; the maximum tangential velocity is slightly lower than the other separator; the axial velocity distribution presents inverted "V" shape while the other three species present "M" shape; comparison of 50% cut size and I type separator is reduced. Through theoretical analysis, it can be seen that the the connection of ash collecting mouth with the dipleg and gray box will change the separation characteristics of separator.

cyclone separation; numerical simulation; ash collecting structure

2017-03-06。

兰 江(1989—)，男，硕士，主要从事多相流方面研究工作。

TM621.7+3

A

2095-6843(2017)03-0274-05