旋风分离器自然旋风长的影响因素

高助威， 王 娟， 王江云， 毛 羽

(1.中国石油大学 重质油国家重点实验室， 北京 102249； 2.过程流体过滤与分离技术北京市重点实验室， 北京 102249)

旋风分离器是用于气、固分离的工业设备。其内部流场为双涡旋转(双旋流)流场，内旋涡(内旋流)通常会在轴向位置某一位置发生偏转，称为旋涡“尾端”[1]。Alexander[2]最早发现这一现象，并定义旋涡尾端到排气管下口的距离为自然旋风长。通常认为，旋涡尾端会造成颗粒的返混与堵塞，增加了运动流体的不稳定性，影响气、固分离效率。在旋涡尾端上部区域(自然旋风长区域)，为旋风分离器的有效分离空间；在旋涡尾端以下(超出自然旋风长部分)，气、固分离效率是较低的。所以，自然旋风长的计算对旋风分离器的高度设计较为重要。此外，在Leith等[3]、Dietz等[4]计算旋风分离器分离效率的模型中，都采用了Alexander提出的自然旋风长经验公式，而不是旋风分离器的物理高度。因此，自然旋风长的研究对分离器的优化设计具有重要的意义。

众多国内外学者对旋风分离器内旋转流动进行了分析和研究[5-10]。Bryant等[11]通过实验证明入口截面面积和排气管直径对自然旋风长的影响较大。姬忠礼等[12]采用频闪观测仪进行流场测定，通过加尘实验，发现在灰环所在截面上的最大切向速度约为排气管下口截面切向速度的12%，因此将最大切向速度沿轴向衰减88%的截面定义为旋涡尾端，轴向高度为自然旋风长。杜得喜等[13]运用计算流体力学(CFD)方法的研究结果表明，旋涡尾端气流速度方向发生突变，使此区域湍流度增加，旋涡尾端的雷诺数徒增，因此将湍动能峰值处定义为旋涡尾端，轴向高度为自然旋风长。魏耀东等[14]运用激光多普勒测速仪(LDV)对气相流场进行分析，讨论了速度场(切向速度、轴向速度)的衰减特性以及双涡之间的能量传递，认为排气管下端到准自由涡消失位置的轴向距离为自然旋风长。钱付平等[15]依据曲面响应法并利用统计软件Minitab V14分析旋风分离器的自然旋风长，结果表明，除入口面积和排气管直径影响自然旋风长外，入口气速、筒体高度以及排气管插入深度也会不同程度地影响自然旋风长。高翠芝等[16]认为，当旋风分离器内外旋流之间的能量传递达到稳定状态时，旋转气流到达旋涡尾端位置。

目前，旋风分离器内自然旋风长的计算模型多数为经验性公式，缺乏实验数据及流场分析的支持，而且不同公式计算结果存在较大的矛盾。因为旋涡尾端是复杂的湍流动力学现象，影响因素较多，如果将影响因素仅仅归结为筒体直径、排气管直径和入口面积3个主要因素，忽略其他结构参数及操作参数的影响，则计算模型准确性及适用性较差。因此，笔者在概述旋风分离器内自然旋风长机理的基础上，通过对内部能量传递与损耗的分析，阐述了旋涡尾端的存在机理，分析了前人关于自然旋风长理论计算中经验公式的局限性，总结了筒体的高/径比、入口面积、排气管直径和插入深度、锥体、排尘结构的设计、壁面粗糙度等几何参数，以及入口气速和入口浓度、入口雷诺数、旋转强度、抽气量与气体回流量等操作参数对自然旋风长的影响，希望为旋风分离器高度的设计优化提供参考。

1 旋涡尾端的机理分析

旋风分离器是利用离心力作用，进行气、固分离的设备。含尘气流进入旋风分离器，呈现双涡分布(内、外旋流分布)，外旋流(准自由涡)对气、固分离起到积极作用，提供能量；而内旋流(准强制涡)则消耗能量，旋转气流是由外旋流(准自由涡)传递能量给内旋流(准强制涡)，驱动内旋流旋转，如图1所示。

图1 旋风分离器内能量传递形式示意图Fig.1 Energy transfer characteristics in cyclone separator

在湍流耗散和壁面摩擦阻力的影响下，能量会出现衰减。当外旋流损耗的能量(即传递给内旋流的能量和壁面摩擦消耗的能量之和)达到一定程度时，内、外旋流能量相等，流动达到平衡。超出此临界值，外旋流能量不足以驱动内旋流加速旋转，直至外旋流完全转变为内旋流(准自由涡消失)，出现旋涡尾端[17]，如图2所示。

旋涡尾端是复杂的湍流动力学现象，不仅发生在旋风分离器中，而且也会在其他旋流设备中出现。程兆龙等[18]应用自然旋风长的概念于提升管出口中，优化了SVQS旋流快分系统。旋流设备一般是连续操作的动态过程，旋涡尾端的存在会造成涡核摆动，使效率降低。

图2 旋涡尾端灰环现象[17]Fig.2 Sketch illustration of the large annular ring[17]

2 自然旋风长经验公式的局限性

当旋风分离器中存在旋涡尾端时，自然旋风长为旋涡尾端到排气管下口截面的轴向距离。涡核尾端的确定对自然旋风长的理论计算有重要影响。目前对自然旋风长的研究，将影响因素主要归结为筒体直径、入口面积和排气管直径3个方面。

Alexander[2]最早实验发现在长旋风分离器内存在自然旋风长，之后，Zeng[19]、Bryant等[11]对此进行深入研究，并提出了经验表达式，如下所示。

Alexander提出[2]：

(1)

Bryant等提出[11]：

(2)

姬忠礼等[12,20]对直筒型旋风分离器进行加尘实验，将最大切向速度沿轴向衰减到88%的截面与排气管下口截面之间的距离定义为自然旋风长，并结合实验给出了自然旋风长的经验公式。然而此公式是在入口速度恒定的情况下得到的，而一般的旋风分离器设定入口流量为工艺固定参数，因此需要对该公式进一步修正。

姬忠礼等提出[12]：

(3)

魏耀东等提出[14]：

(4)

运用文献[14]中数据进行自然旋风长的对比分析，a=178 mm，b=92 mm，D=300 mm，de=100 mm。代入上述公式中，结果见表1。

表1 自然旋风长计算结果Table 1 The results of natural cyclone length

可以发现，对自然旋风长的预测计算，Alexander[2]、Bryant等[11]、姬忠礼等[12]、魏耀东等[14]经验公式的结果各不相同，有的相差较大，准确性及适用性较差。然而，自然旋风长(旋涡尾端)是复杂的流体动力学问题，不仅筒体直径、入口面积和排气管直径对其影响较大，其他结构及操作参数亦在不同程度上会对其产生影响。因此想要得到较为准确的自然旋风长表达式，考虑其他因素对自然旋风长的影响是十分必要的。

3 自然旋风长的影响因素

3.1 结构参数对自然旋风长的影响

3.1.1 筒体的高/径比

当旋风分离器模型采用直筒型时，可以将旋风分离器内旋转流流场随高/径比(H/D)的增加而变化的过程分为两部分。当筒体的高/径比较小时，不出现旋涡尾端，即无自然旋风长(但存在自然旋风长的预期值)；当筒体的高/径比较大时，有旋涡尾端存在，即有自然旋风长。

(1)无自然旋风长

当旋风分离器的高/径比较小时，如图3(a)所示，入口处气流所提供的能量能带动整个区域内流体的高速旋转，旋涡可以延伸到旋风分离器的下部，且旋涡的轴对称很好。旋转流的准自由涡结构沿轴向向下的衰减变化很小，整个旋转流区域的角动量和准自由涡的角动量沿轴向向下衰减缓慢。

图3 旋风分离器的自然旋风长Fig.3 Natural vortex length of cyclone separator(a) Short cylinder structure; (b) Long cylinder structure

(2)有自然旋风长

当旋风分离器的高/径比增加到一定程度后，如图3(b)所示，旋转流的准自由涡沿轴向向下衰减很快，直到某一截面完全衰减。此时角动量存在着2个明显不同的衰减区，快速衰减区和缓慢衰减区，且旋风分离器的有效分离高度要小于其实际高度。如果高/径比持续增加，这时旋涡尾端旋转诱发的能量不足以带动整个尾端以下的区域旋转，从而导致能量的重新分配。在这种情况下，旋涡尾端开始移动，直到某一轴向截面位置，其转动的能量足以带动其下面区域的气流旋转，此时尾涡将停留在此截面处，并在此截面上高速旋转。由于旋涡尾端移动，从而导致了自然旋风长的变化，因此在有效旋风长以内截面的切向速度出现了波动。但是随着旋风分离器高/径比继续增加，其切向速度的变化趋势越来越平缓。

3.1.2 入口面积

在入口气量恒定的条件下，减小入口面积会使切向速度增大，使旋流的旋转强度增加。Alexander[2]的研究表明，自然旋风长随入口面积的增大而减少。高翠芝等[22]实验测量旋涡尾端并分析其压力信号，发现旋涡尾端位置受入口气速的影响较小，但随着入口面积的增加而上移，随着排气管直径的增加而向下延伸。

3.1.3 排气管直径和插入深度

在一定范围内，减小排气管直径，有利于提高旋流的稳定性，减少旋风分离器内部能量损耗。Hoffmann等[23-28]实验结果表明，旋风分离器排气管插入深度不影响涡核尾端位置，但排气管直径对自然旋风长有重要影响，自然旋风长随排气管直径的增大而增大。然而钱付平等[15]实验结果表明，自然旋风长随排气管直径的增大以及插入深度的减小呈现抛物线变化，在某一极值处达到最大值。

3.1.4 锥体

Hoeksira等[29-30]、胡瓅元等[31-34]实验结果表明，与带有锥体结构的旋风分离器相比，直筒型旋风分离器切向速度沿轴向存在明显的衰减。高翠芝[35]认为，自然旋风长在直筒型与同锥形旋风分离器中表现不同，故将直筒型旋风分离器内旋流的自然衰减称之为自然旋风长；对筒锥型，则称之为旋风长度，如图4所示。姬忠礼等[12]发现，旋风分离器锥体可以增加自然旋风长，在进行旋风分离器结构设计时，其筒体分离空间应小于自然旋风长。Peng等[36]通过调整频闪频率将涡尾“冻结”，观察到附着在分离器内壁上的旋涡，发现旋涡尾端位置随处理气量减小、粉尘浓度增加及排气管直径增大而升高，涡核弯向器壁以分离器内气体旋转的频率附着在器壁旋转形成封闭的环。

图4 通过频闪光观所观测到的旋涡尾端[36]Fig.4 Vortex end by stroboscope[36](a) Cyclone; (b) Swirl tube

3.1.5 排尘口的设计

自然旋风长受稳涡板或稳涡锥的影响。在工业用的旋风分离器中，一般采用稳涡设备以减小能量的耗散，使自然旋风长大于旋风分离器物理高度，提高流动的稳定性。Muschelknautz等[37]发现，旋涡尾端会弯曲碰向分离器壁面。吴小林等[38]采用防范混锥减小了排尘口处的PVC强度，增加了自然旋风长度。

3.1.6 壁面粗糙度

当壁面粗糙度较大时，增加了旋风分离器外旋流的能量消耗，从而使得外旋流传递给内旋流的能量减少，加速了内外旋流能量平衡的过程。高翠芝等[39]采用烟气作为示踪粒子，实验研究表明，较大的壁面粗糙度增加了能量的耗散，减小了自然旋风长。

3.2 操作参数对自然旋风长的影响

3.2.1 入口气速和入口浓度

当入口速度较大时，旋流的旋转强度较高，外旋流能量较大。Hoffmann等[26]通过实验讨论了入口速度和入口浓度因素对自然旋风长的影响，发现自然旋风长随入口速度的增加而增加，但几乎不随入口颗粒浓度的变化而变化；钱付平等[15]研究表明，入口尺寸的增加导致自然旋风长减小，入口气速提高，自然旋风长有较明显的增加。

3.2.2 入口雷诺数

在常用的旋风分离器中，雷诺数通常足够大，所以大多数旋风分离器在较好的性能下工作。早期研究认为，入口雷诺数对自然旋风长的影响较小；然而最近的研究表明，入口雷诺应力对自然旋风长有较大的影响。Buttner[40]指出，旋风分离器条件可以分为以下2种情况：

(1)Ln≥H，这种情况下，自然旋风长大于等于旋风分离器的实际高度，旋涡尾端到达旋风分离器的底部，甚至灰斗。此时，旋风分离器效率较高，是优越的操作条件。这种情况需要较高的入口雷诺数(2×103～2×104)，H/D在2～10之间。

图5 自然旋风长的说明[40]Fig.5 Explanation of natural vortex length[40](a) Cyclone operation with Ln≥H; (b) Operation with Ln

(2)Ln15)的旋风分离器中。

3.2.3 旋转强度

旋转强度是表征旋转流体运动强弱的参数，与入口雷诺数、旋转动量、旋流数等参量有关。旋转强度随流动方向逐渐衰减，但较高的入口雷诺数有利于抑制这种衰减。一般来说，导致气体旋转动量减小的因素都会降低自然旋风长。此时，旋涡的特性与旋转陀螺非常相似。因为二者的旋转质量都受到摩擦阻力的影响，本身都是不稳定的，处于旋进状态。旋转动量矢量绕地球重力方向运动；而旋涡端部的旋转动量矢量则绕分离器中心低压区涡核旋进。魏耀东等[14]认为，旋转强度越高，准自由涡区延伸的越远，自然旋风长越长。通常定义流场的旋转角动量与轴向速度动量乘以筒体半径的比值为旋风分离器的旋流数。宋健斐等[41]研究表明，在入口气量恒定的情况下，入口面积减小能使几何旋流数增加，提高运动流体的稳定性，提高外旋流的能量。

3.2.4 抽气量和气体回流量

自然旋风长随底部抽气量(从收尘灰斗向外抽气)的增加而增加，随气体回流量(如料腿窜气)的增加而减小[24]。

4 结 语

旋涡尾端的存在对旋风分离器内颗粒返混、壁面磨损与料腿结垢或堵塞等都有重要影响。然而，旋涡尾端问题影响因素较多，如果将影响因素仅归结为筒体直径、排气管直径和入口面积3个主要因素，忽略其他结构参数及操作参数的影响，则计算模型准确性及适用性较差。目前，自然旋风长的计算公式多为经验公式，不仅缺乏流场分析和实验数据的支持，而且相互之间计算结果相差较大。因此考虑其他因素对自然旋风长的影响是十分必要的。

目前，在计算旋风分离器分离效率的模型中，一般采用Alexander提出的自然旋风长经验公式，而不是旋风分离器的物理高度。因此，自然旋风长的研究对分离器的优化设计具有重要的意义。在旋风分离器的设计计算中，使筒体的设计高度小于自然旋风长度，不产生旋涡尾端，能够增强旋风分离器的流动稳定性，从而提高分离效率。因此，旋涡尾端的计算模型不仅要考虑入口面积、筒体直径、排气管直径3个方面，还需要考虑如筒体的高/径比、入口面积、排气管直径和插入深度、锥体、排尘结构的设计、壁面粗糙度等几何参数，以及入口气速和入口浓度、入口雷诺数、旋转强度、抽气量和气体回流量等操作参数对自然旋风长的影响。通过大量的实验数据验证，深度分析自然旋风长的内在机理，总结经验公式，从而更为准确地计算自然旋风长，为旋风分离器高度的设计优化提供参考。

符号说明：

a——入口截面高度，mm；

b——入口截面宽度，mm；

D——旋风分离器筒体直径，mm；

de——排气管直径，mm；

H——旋风分离器筒体高度，mm；

K——入口截面系数；

Ln——自然旋风长，mm；

r——柱坐标，mm；

R——筒体半径，mm；

Vt——切向速度，m/s；

Vz——轴向速度，m/s。