運(yùn)用FLUENT軟件對(duì)3種采用不同二次分離元件直徑尺寸的雙級(jí)分離式旋風(fēng)分離器模型進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，研究分析了其內(nèi)部流場(chǎng)特性和以旋流切向速度為代表的主要參數(shù)的變化規(guī)律，在考慮壓差阻力和分離效率權(quán)重的基礎(chǔ)上，得出二次分離元件的最佳直徑尺寸，并與模化試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，確定了最優(yōu)性能的雙級(jí)分離式旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)方案，為優(yōu)化其結(jié)構(gòu)參數(shù)并提高其性能提供理論指導(dǎo)和參考。

1、前言

　　旋風(fēng)分離器具有分離效率高、壓降適中、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，已成為工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的物料回收、煙塵凈化設(shè)備之一。隨著工業(yè)裝置的大型化，常規(guī)旋風(fēng)分離器直徑的不斷增加造成其分離效率的降低。實(shí)現(xiàn)對(duì)常規(guī)旋風(fēng)分離器的雙級(jí)分離為解決該問(wèn)題提供了可能。

　　目前，運(yùn)用數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)研究針對(duì)雙級(jí)分離式旋風(fēng)分離器二次分離元件直徑尺寸對(duì)分離性能影響進(jìn)行分析的還較少。由于旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)變化對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)特性、分離效率等均有很大影響，本文采用FLUENT軟件通過(guò)數(shù)值研究，分析了雙級(jí)分離式旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)特點(diǎn)及主要參數(shù)的變化規(guī)律，并將受壓差阻力和分離效率綜合影響的分離器能耗作為衡量其性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)對(duì)3種采用不同二次分離元件直徑尺寸的旋風(fēng)分離器模型進(jìn)行模擬對(duì)比，得出該型分離器最佳結(jié)構(gòu)型式，并通過(guò)模化試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)臺(tái)示意如圖1所示。

2、物理模型及計(jì)算方法

　　本文選用��4000雙級(jí)分離式旋風(fēng)分離器作為研究對(duì)象，其入口為矩形截面，與水平面呈15°夾角，入口管內(nèi)部設(shè)有擋板。外筒直徑4000mm，內(nèi)筒直徑2400mm。內(nèi)筒邊緣焊接有一環(huán)行圓臺(tái)-變徑筒，圓臺(tái)下方為直徑960～1920mm的二次分離元件-套筒，其結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。

圖1 旋風(fēng)分離器試驗(yàn)臺(tái)示意

圖2 雙級(jí)分離式旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)示意及計(jì)算網(wǎng)格模型

　　該型分離器套筒-內(nèi)筒直徑比大于0.8時(shí)，套筒內(nèi)部氣流旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度將減弱，二次分離效果變差;套筒-內(nèi)筒直徑比小于0.4時(shí)，由于套筒氣流壓差阻力急劇增大，流動(dòng)紊流程度增強(qiáng)，二次分離效率將降低。因此，本文中套筒-內(nèi)筒直徑比在0.4～0.8之間選取，分別為0.5、0.6、0.7，并規(guī)定相應(yīng)模型為模型I、模型II、模型III。為提高計(jì)算精度并有效控制計(jì)算量，采用多塊分體結(jié)構(gòu)將分離器內(nèi)部流動(dòng)區(qū)劃分為外筒分離區(qū)、套筒入口區(qū)、排氣筒區(qū)、集灰斗區(qū)4個(gè)區(qū)域，分離器各個(gè)流動(dòng)區(qū)域均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。作為分離固體顆粒的主要區(qū)域，外筒和套筒兩區(qū)域參數(shù)變化較大，為減少“偽擴(kuò)散”造成的計(jì)算誤差，對(duì)該區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密。雙級(jí)分離式旋風(fēng)分離器入口-外筒-集灰斗區(qū)域及內(nèi)筒-套筒區(qū)域網(wǎng)格模型如圖2(b)和2(c)所示。

　　計(jì)算中氣相為連續(xù)介質(zhì)，忽略入口擋板結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)的影響[4]，氣相入口采用速度邊界條件(vin=18m/s)，切向并向下傾角15°，入口溫度298K;氣相出口設(shè)置為自由出流，并認(rèn)為顆粒運(yùn)動(dòng)到該邊界時(shí)逃離分離器，顆粒相出口設(shè)置為逃逸邊界;壁面采用無(wú)滑移邊界條件，近壁區(qū)域采用壁面函數(shù)法。選用能夠較好處理高應(yīng)變律和流線彎曲程度較大流動(dòng)的RNGk-ε雙方程湍流模型，采用QUICK差分格式和SIMPLE計(jì)算方法求解控制方程。

5、結(jié)論

　　(1)隨著套筒直徑的增大，分離器壓差阻力將減小，但分離效率也會(huì)隨之降低。將分離器能耗作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，并通過(guò)模化試驗(yàn)驗(yàn)證，認(rèn)為三種模型中模型II的綜合性能較優(yōu)越，結(jié)構(gòu)尺寸較合理，是雙級(jí)分離式旋風(fēng)分離器的最佳設(shè)計(jì)方案;

　　(2)由于本文研究模型較少，通過(guò)對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的分析推斷，存在較模型II中二次分離元件直徑的的更優(yōu)值。數(shù)值計(jì)算及試驗(yàn)結(jié)果可為優(yōu)化雙級(jí)分離式旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)并提高其性能提供理論指導(dǎo)，具有一定的參考價(jià)值。