以減少壓降為目標(biāo)的導(dǎo)葉式分離器幾何參數(shù)優(yōu)化

1、以減少壓降為目標(biāo)的導(dǎo)葉式分離器幾何參數(shù)優(yōu)化寧楠，賴喜德（西華大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，四川 成都 610039）摘 要：為預(yù)測(cè)導(dǎo)葉的包弧長(zhǎng)L、出口角、排氣管的直徑De、內(nèi)置深度S、筒體的直徑D、高度Hc、排塵錐高度Hz及排塵口直徑Dv為設(shè)計(jì)變量時(shí)壓降的非線性變化，采用響應(yīng)面參數(shù)優(yōu)化法以減小壓降為目標(biāo)優(yōu)化分離器。結(jié)果表明：利用響應(yīng)面優(yōu)化法能成功對(duì)多參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化組合，優(yōu)化后壓降減小69.8%。設(shè)計(jì)范圍內(nèi)壓降對(duì)各幾何參數(shù)靈敏度存在差異，結(jié)合數(shù)值模擬可知，幾何參數(shù)改變直接影響分離器內(nèi)部強(qiáng)旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)的分布，最優(yōu)的參數(shù)組合可減弱內(nèi)部湍流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度與渦流能量損耗，使其具有較高的降損能力，起到減小壓降的目的。關(guān)鍵

2、詞：導(dǎo)葉式；旋風(fēng)分離器；響應(yīng)面法；壓降中圖分類號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A Optimizing Geometric Parameters of Guide Vane Separator for Reducing Pressure DropNING Nan，LAI Xi-de(School of Energy and Power Engineering, Xihua University, Chengdu, Sichuan, China, Post Code: 610039)Abstract：The pressure drop is an essential performance index to

3、evaluate and design guide vane cyclone separator. Moreover, the effects of coupling changes among parameters on pressure drop are extremely complex. In order to predict the non-linear changes of the pressure drop when design variables were the eight parameters of the guide vanes arc length L, the ex

4、it angle , the vortex finder diameter De, the inserting depth S of the vortex finder, cylinder diameter D, height of the cylinder Hc, dust cone height Hz and outlet diameter Dv, the response surface parameter optimization method is used to optimize the guide vane separator. The results show that the

5、 response surface optimization method can successfully optimize the combination of multiple parameters and reduce the pressure drop by 69.8%, and the sensitivity of pressure drop to various geometric parameters within the design range is different. It is demonstrated by the numerical simulation that

6、 the optimal combination of parameters can reduce the intensity of internal turbulent motion and eddy current energy loss, leading to higher loss reduction ability and reduced pressure drop. It shows that the cooperative optimization scheme considering the interaction of multi-parameters is desirabl

7、e, which can provide ideas for the design of guide vane cyclone separators in the future.Key words：guide vane type, cyclone separator, response surface methodology, pressure drop引言離心式旋風(fēng)分離器作為一種重要的氣固分離設(shè)備，利用氣固兩相做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的離心力不同實(shí)現(xiàn)分離 REF _Ref13037391 r h * MERGEFORMAT 1。其中，適用于帶高壓工況的導(dǎo)葉式分離器內(nèi)部氣流軸對(duì)稱性好，旋風(fēng)渦流尾端湍

8、流擾動(dòng)小，操作方便，但存在壓降損耗偏大的問(wèn)題。壓降作為除分離效率外最重要的性能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，其值高低反映分離器的整體能耗，降低壓降對(duì)導(dǎo)葉式分離器產(chǎn)生的效益意義重大。收稿日期：2019-07-29；修訂日期：2019-09-基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(51379179)；四川省科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2017JY0047);Project funding：National Natural Science Foundation of China (51379179)，Sichuan Provincial Science and Technology Department Plan Project(2017J

9、Y0047)作者簡(jiǎn)介：寧楠(1995)，女，四川巴中人，西華大學(xué)碩士研究生，E-mail：626474581通訊作者：賴喜德（1962），男，四川德陽(yáng)人，西華大學(xué)教授， E-mail: laixd對(duì)導(dǎo)葉式分離器壓降的研究通常是針對(duì)性地開(kāi)發(fā)新葉片結(jié)構(gòu)或獨(dú)立優(yōu)化各部分的尺寸，以減少對(duì)分離不利的因素，達(dá)到低阻的目的 REF _Ref13056803 r h * MERGEFORMAT 2。Guangcai Gong等人 REF _Ref12891594 r h * MERGEFORMAT 3分析螺旋角和葉緣對(duì)旋風(fēng)內(nèi)部流場(chǎng)的影響，指出壓降隨螺旋角的減小而增大，葉緣則無(wú)影響。楊雪 REF _Ref130

10、46536 r h * MERGEFORMAT 4采用單一變量法擬合了壓降與葉片的出口角、高度及包弧長(zhǎng)等參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，以此優(yōu)化葉片。兩則研究均通過(guò)控制變量法進(jìn)行單因數(shù)優(yōu)化，但導(dǎo)葉式旋風(fēng)分離器的各參數(shù)間必存在交互性，考慮各因數(shù)協(xié)同作用對(duì)壓降的影響十分必要。為克服旋風(fēng)分離器多變量復(fù)雜的建模問(wèn)題，文獻(xiàn)5-6在CFD基礎(chǔ)上結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法預(yù)測(cè)了入口尺寸與排氣管直徑之間存在較強(qiáng)的相互作用，依據(jù)該結(jié)論設(shè)計(jì)并優(yōu)化分離器，說(shuō)明數(shù)值模擬與優(yōu)化算法相結(jié)合的技術(shù)方法切實(shí)可行。但上述優(yōu)化對(duì)象均為切入式分離器，關(guān)注的幾何參數(shù)也僅為矩形入口及排氣管尺寸，在這種趨勢(shì)下，如何在保證導(dǎo)葉式旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)合理的基礎(chǔ)上

11、，完成各部件的協(xié)同優(yōu)化，降低壓力損耗，為當(dāng)前優(yōu)化設(shè)計(jì)的首要任務(wù)。本文選取8項(xiàng)幾何參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，以減少壓降為目標(biāo)，利用響應(yīng)面法優(yōu)化導(dǎo)葉式旋風(fēng)分離器，以期歸納出一套合理、完整的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，為后續(xù)設(shè)計(jì)低阻的導(dǎo)葉式旋風(fēng)分離器提供技術(shù)參考。1 導(dǎo)葉式旋風(fēng)分離器中兩相流數(shù)值模擬1.1 導(dǎo)葉式旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)及幾何參數(shù)導(dǎo)葉式旋風(fēng)分離器示意圖如圖1所示，表1為其結(jié)構(gòu)參數(shù)。含塵氣流沿軸向進(jìn)入分離器，經(jīng)導(dǎo)流葉片的導(dǎo)向作用轉(zhuǎn)換為螺旋運(yùn)動(dòng)沿筒體向下旋進(jìn)，期間密度大的顆粒受離心力驅(qū)使脫離螺旋流靠近筒壁，接觸壁面后由外旋流帶至灰斗經(jīng)排塵口排出，而純凈氣流在錐體內(nèi)收縮向中心流動(dòng)，形成反向內(nèi)旋流經(jīng)排氣口排出。圖1 導(dǎo)葉式旋

12、風(fēng)分離器示意圖Fig.1 Schematic diagram of guide vane cyclone separator表1 旋風(fēng)分離器初始結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Initial structural parameters of cyclone separator符號(hào)定義數(shù)值D柱形筒體直徑/mm300Hc柱形筒體高度/mm800De排氣管直徑/mm90S排氣管內(nèi)置深度/mm240L導(dǎo)葉包弧長(zhǎng)/mm167HB導(dǎo)葉高度/mm57外緣出口角/20Hz排塵錐高度/mm300Dv排塵口直徑/mm901.2 數(shù)值求解方法1.2.1 湍流模型及控制方程組雷諾應(yīng)力模型摒棄各向同性的渦黏假定并更加嚴(yán)格地考慮流線

13、彎曲、旋渦和快速變化的張力，適于預(yù)測(cè)旋風(fēng)分離器內(nèi)部復(fù)雜的三維強(qiáng)旋轉(zhuǎn)流場(chǎng) REF _Ref13056900 r h * MERGEFORMAT 7。RSM模型輸運(yùn)方程為： （1）湍流擴(kuò)散項(xiàng)： （2）應(yīng)力產(chǎn)生項(xiàng)： （3）壓力應(yīng)變項(xiàng)： （4）耗散項(xiàng)： （5）式中：ui為瞬時(shí)速度分量，分解為平均速度分量和脈動(dòng)速度分量，m/s ；為流體密度，kg/m3；P為壓力，Pa；為動(dòng)力粘度，Pas；ij為克羅內(nèi)克記號(hào)； Sij為自定義源項(xiàng)。1.2.2 流體域離散采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格離散流體域，導(dǎo)葉處流動(dòng)復(fù)雜，劃分精度必影響計(jì)算結(jié)果，需對(duì)其進(jìn)行細(xì)化處理生成高質(zhì)量網(wǎng)格。表2為4種不同尺度的旋風(fēng)分離器網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)據(jù)及壓降值。

14、根據(jù)壓降變化可知，M2與M3對(duì)應(yīng)網(wǎng)格數(shù)模擬的壓降偏差在1%以內(nèi)；相比M2，M4模擬的相對(duì)偏差為2.2%，而M1相對(duì)偏差已超過(guò)20%。為保證計(jì)算結(jié)果可靠、兼顧計(jì)算能力，選取M2作為離散標(biāo)準(zhǔn)。圖2是網(wǎng)格類型為M2的劃分示意圖。表2 劃分網(wǎng)格數(shù)及壓降值Tab.2 Number of meshes and pressure drop參數(shù)M1M2M3M4節(jié)點(diǎn)數(shù)813870121101513217752087529單元數(shù)151675210347236121354534壓降（Pa）5406430943504404圖2 網(wǎng)格劃分示意圖Fig.2 Schematic diagram of meshing1.2.

15、3 邊界條件及求解算法軸向進(jìn)口：設(shè)為速度進(jìn)口，采用甲烷近似代替天然氣，氣固兩相參數(shù)取值如表3、表4所示。氣體出口：假設(shè)流動(dòng)充分發(fā)展，設(shè)定為平均靜壓，顆粒邊界條件為逃逸。固體出口：為防止氣流溢出，實(shí)際運(yùn)行時(shí)該出口處于封閉狀態(tài)，故模擬計(jì)算將其設(shè)定為壁面，顆粒邊界則為捕捉。壁面：采用無(wú)滑移邊界條件，顆粒邊界設(shè)為反彈。表3參數(shù)取值Tab.3 Parameter values介質(zhì)密度（kgm-3）粘度（Pas）速度（ms-1）甲烷0.671.0910-59.74碳酸鈣26509.74表4固相顆粒的粒徑分布Tab.4 Particle size distribution直徑定義最大最小平均幾何標(biāo)準(zhǔn)差取值（

16、m）260828.3130.1求解算法：本文采用雷諾應(yīng)力模型計(jì)算導(dǎo)葉式旋風(fēng)分離器的內(nèi)部流場(chǎng)，并基于壓力耦合方程組的半隱式算法與壓力交錯(cuò)插補(bǔ)格式對(duì)壓力方程進(jìn)行離散，對(duì)動(dòng)量、湍動(dòng)能和耗散率則采用二階迎風(fēng)差分格式進(jìn)行離散。鑒于以壓降作為研究目標(biāo)，暫未分析分離效率，且顆粒隨時(shí)間的運(yùn)動(dòng)規(guī)律不納入考慮，故不進(jìn)行瞬態(tài)模擬。1.2.4 數(shù)值方法的可靠性驗(yàn)證本文技術(shù)方案是基于大量文獻(xiàn)選定，故以以下內(nèi)容證明技術(shù)路線的可靠性。王璐等人 REF _Ref12973528 r h * MERGEFORMAT 8模擬胡瓅元實(shí)驗(yàn)所測(cè)量的旋風(fēng)分離器內(nèi)氣流的切向速度，對(duì)比發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量基本一致。Lakhbir等人 RE

17、F _Ref12974439 r h * MERGEFORMAT 9將數(shù)值模擬的軸向和切向速度平均值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) REF _Ref12974406 r h * MERGEFORMAT 10比較，繪制曲線吻合度高。類比該方案，文獻(xiàn) REF _Ref12975100 r h * MERGEFORMAT 11-12得出RSM湍流模型的模擬值與實(shí)驗(yàn)速度相匹配，切向速度分布為蘭金渦結(jié)構(gòu)，內(nèi)旋流切向速度沿半徑增大而增大，外旋流切向速度則相反，證明RSM湍流模型及差分算法設(shè)置這一套技術(shù)方法對(duì)導(dǎo)葉式旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行定性分析是完全可行的。2 基于響應(yīng)曲面法的多參數(shù)優(yōu)化2.1 優(yōu)化變量及約束確定以導(dǎo)葉式旋風(fēng)分

18、離器的壓降P為響應(yīng)目標(biāo)，其近似為進(jìn)口靜壓Pin與排氣口靜壓Pout的差值。 （6）壓降與幾何參數(shù)的關(guān)系是非線性的，為消除局部結(jié)構(gòu)最優(yōu)的局限性，全方面考慮多參數(shù)的綜合影響，以對(duì)壓降有著重要影響的D、Hc、De、S、L、Hz及Dv8項(xiàng)幾何參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，以減少壓降為目標(biāo)，對(duì)導(dǎo)葉式旋風(fēng)分離器進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)變量參數(shù)及取值范圍如表5所示。表5 設(shè)計(jì)變量參數(shù)及取值范圍Tab.5 Design parameters and range of values符號(hào)D/mmHc/mmDe/mmS/mm取值240360600100060120190290符號(hào)L/mm/Hz/mmDv/mm取值1381971725

19、230410801002.2 基于響應(yīng)曲面法的幾何參數(shù)優(yōu)化鑒于設(shè)計(jì)變量參數(shù)較多，單一變量法不能兼顧尺寸間的交互影響，需尋找能解決導(dǎo)葉式分離器多變量、重復(fù)建模與網(wǎng)格劃分等問(wèn)題的參數(shù)優(yōu)化方法，以便快速完成響應(yīng)優(yōu)化并縮小與全面試驗(yàn)獲取的最優(yōu)結(jié)果之間的誤差。針對(duì)導(dǎo)葉式分離器壓降過(guò)高以及幾何參數(shù)取值各異的現(xiàn)狀，且各參數(shù)間的耦合變化對(duì)壓降造成的效應(yīng)異常復(fù)雜，故選擇最宜處理多因數(shù)且交互性較強(qiáng)的響應(yīng)曲面優(yōu)化法優(yōu)化導(dǎo)葉式分離器的壓降 REF _Ref13057125 r h * MERGEFORMAT 13-14。借助優(yōu)化法中最優(yōu)空間填充的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法確定各變量的取樣點(diǎn)位置，因子屬性為“最大-最小距離”的方法能

20、使8項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)均勻分布在設(shè)計(jì)空間中，不但消除分離器各參數(shù)取值范圍寬泛造成試驗(yàn)點(diǎn)重合的可能性，還能自定義試驗(yàn)樣本點(diǎn)數(shù)均衡試驗(yàn)周期。定義輸入?yún)?shù)及約束后，以壓降為輸出響應(yīng)目標(biāo)，通過(guò)響應(yīng)面法對(duì)樣本數(shù)據(jù)依次進(jìn)行建模預(yù)測(cè)壓降值，最后借助曲面圖表查看各設(shè)計(jì)參數(shù)的變化如何影響壓降并獲取最優(yōu)解。2.3 響應(yīng)曲面參數(shù)優(yōu)化結(jié)果分析觀察試驗(yàn)結(jié)果后選定基于多維插值的克里金擬合響應(yīng)曲面，其結(jié)合了提供設(shè)計(jì)空間的“全局”模型與局部偏差的多項(xiàng)式模型，并在最需改善的響應(yīng)面區(qū)域形成細(xì)化點(diǎn)，以此提高各參數(shù)對(duì)壓降的響應(yīng)面質(zhì)量，降低預(yù)測(cè)誤差。響應(yīng)面預(yù)測(cè)值與設(shè)計(jì)點(diǎn)觀測(cè)值的對(duì)比如圖3所示，響應(yīng)點(diǎn)均在對(duì)角線上，說(shuō)明擬合而成的響應(yīng)面能正確表征

21、多參數(shù)模型。圖3 響應(yīng)面預(yù)測(cè)值與設(shè)計(jì)點(diǎn)觀測(cè)值對(duì)比Fig.3 Comparisons diagram of response surface prediction value and design point observation value2.3.1 局部敏感度表6為設(shè)計(jì)變量對(duì)壓降的局部靈敏度取值。由局部靈敏度大小可知，旋風(fēng)分離器壓降對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)均有依賴度，其中對(duì)排氣管直徑De、筒體直徑D、葉片包弧長(zhǎng)L及出口角a依賴性最為顯著，說(shuō)明該4項(xiàng)參數(shù)發(fā)生細(xì)微變化可能會(huì)使壓降急劇變化，且變化率較大。排氣管內(nèi)置深度S對(duì)壓降影響最小，可能小范圍內(nèi)改變S值對(duì)壓降無(wú)明顯效應(yīng)，但其影響短路流量，過(guò)短時(shí)會(huì)使渦流直接

22、由排氣管底部逃逸增大壓降。除此之外，壓降對(duì)筒體高度Hc、排塵錐高度Hz及排塵口直徑Dv的靈敏度相對(duì)強(qiáng)于排氣管內(nèi)置深度S。表6 設(shè)計(jì)變量對(duì)壓降的局部靈敏度Tab.6 Local sensitivity of design variables to pressure drop符號(hào)De DL局部靈敏度2.752.152.051.55符號(hào)HcHzDvS局部靈敏度0.320.250.230.162.3.2 響應(yīng)曲面為可視化幾何參數(shù)對(duì)壓降的影響，通過(guò)在試驗(yàn)范圍內(nèi)改變兩個(gè)參數(shù)，將其他因子保持在中心值生成響應(yīng)面，如圖4所示。為節(jié)省篇幅，此處分析了壓降依賴性較顯著的4項(xiàng)參數(shù)交互性。如圖4（a）所示，與L交互作用

23、明顯，L減小使壓降先增后減，而增大則使其緩升后急劇下降，可能因增大減小了流體離開(kāi)導(dǎo)葉時(shí)的局部阻力，消除了阻力損耗，使旋流能量損失降低，故能減小壓降；而L影響氣流旋轉(zhuǎn)距離，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)流距離過(guò)大會(huì)增加流動(dòng)阻力，促使旋流進(jìn)一步衰減，其偏大對(duì)壓降弊大于利。設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，大于23且L小于146mm時(shí)，壓降低于1500Pa。如圖4（b）所示，D與L交互性同樣顯著，D增大會(huì)使壓降急劇增大，同實(shí)驗(yàn) REF _Ref13474718 r h * MERGEFORMAT 15現(xiàn)象一致?？赡苁且蛲搀w直徑減小后流動(dòng)截距減小，內(nèi)外旋流交界的徑向半徑擴(kuò)大，旋轉(zhuǎn)流動(dòng)更為集中穩(wěn)定，利于靜壓恢復(fù)使得壓降減小。設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，較大的L、D

24、對(duì)壓降極為不利，當(dāng)且僅當(dāng)D小于255mm時(shí)壓降低于2000Pa，且呈下降趨勢(shì)。如圖4（c）所示，D與De對(duì)壓降交互影響微弱，內(nèi)旋流至排氣管壁引起較強(qiáng)摩擦損失、渦流損失，產(chǎn)生不利的壓力梯度，而擴(kuò)增直徑可減小旋渦強(qiáng)度，降低動(dòng)壓促進(jìn)靜壓恢復(fù)，減緩壓力差。兩因素相比，排氣管直徑更重要，因該參數(shù)直接影響內(nèi)旋流流動(dòng)特性，排氣管內(nèi)旋流損失又占?jí)航递^大比重。設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，De大于110mm壓降較小，壓降值低于1400Pa。 （a）與L的交互響應(yīng)面 （b）D與L 的交互響應(yīng)面 （c）D與De的交互響應(yīng)面圖4 不同設(shè)計(jì)變量對(duì)壓降的響應(yīng)面示意圖Fig.4 Schematic diagram of response s

25、urface of different design variables to pressure drop3 優(yōu)化方案與原始方案對(duì)比3.1 最優(yōu)壓降點(diǎn)的模型幾何參數(shù)基于響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果，選取最優(yōu)壓降響應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行模擬驗(yàn)證。優(yōu)化模型（方案B）的參數(shù)取值及變化率如表7所示，負(fù)號(hào)表示該參數(shù)負(fù)增長(zhǎng)；原始模型為方案A。表7 優(yōu)化模型的參數(shù)取值Tab.7 Parameter value of optimized model符號(hào)數(shù)值變化率/%D/mm254-15Hc/mm8070.87De/mm11932S/mm2587.5L/mm145-13/23.316Hz/mm37725.7Dv/mm45.20.3表8列出

26、方案A、方案B的響應(yīng)面法預(yù)測(cè)壓降值與CFD模擬壓降值，偏差則為二者的相對(duì)誤差，取值在2%以內(nèi)，說(shuō)明基于響應(yīng)曲面法的模型預(yù)測(cè)值與CFD模擬值吻合較好，進(jìn)一步印證響應(yīng)面優(yōu)化法的可靠性。表中降低率69.8%為方案B壓降相對(duì)于方案A壓降的變化率。表8 CFD預(yù)測(cè)值與響應(yīng)面預(yù)測(cè)值Tab.8 CFD prediction value and RSM prediction value方案CFD模擬值響應(yīng)面預(yù)測(cè)值偏差降低率方案A4309Pa4368Pa1.4%69.8%方案B1299Pa1311Pa0.9%3.2 分離器內(nèi)部流場(chǎng)分布對(duì)比為探查導(dǎo)葉式旋風(fēng)分離器優(yōu)化前后壓降變化機(jī)理，制作各方案的XZ截面靜壓、湍動(dòng)

27、能分布云圖如圖5所示。由靜壓云圖可知，各方案靜壓從壁面到中心呈下降趨勢(shì)，方案A排氣管進(jìn)口負(fù)壓區(qū)域較方案B更顯著，方案B沿軸向內(nèi)外旋流的壓力梯度小于方案A，方案B的進(jìn)出口靜壓差（壓降）為1299Pa，小于方案A的壓降4309Pa。湍動(dòng)能反映湍流運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜程度及流體的能量損失特性；湍動(dòng)能云圖中，方案A排氣管內(nèi)湍動(dòng)能值較大，該處流動(dòng)紊亂伴隨產(chǎn)生極大地旋流能量損失，而方案B內(nèi)部湍動(dòng)能偏小于方案A，排氣管內(nèi)部流動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定，說(shuō)明排氣管內(nèi)部流動(dòng)失序可能是造成壓降偏大的主因，符合敏感度分析中壓降對(duì)排氣管直徑依賴最強(qiáng)及De改變率最大的事實(shí)。由排氣管參數(shù)變化率可知，相比方案A，方案B排氣管直徑De和內(nèi)置深度S分別

28、增大32%、7.5%。一方面De增大使內(nèi)旋流流至排氣管時(shí)流動(dòng)面積增大，減緩了流速差，起到降低旋渦強(qiáng)度、增強(qiáng)流動(dòng)穩(wěn)定性以及減小動(dòng)壓損耗的作用，另一方面S增大可改善短路流直接匯入排氣管的現(xiàn)狀，由此排氣管內(nèi)湍流效應(yīng)不甚明顯，靜壓得以維系，致使導(dǎo)葉式分離器在能耗方面表現(xiàn)優(yōu)異。 圖5 兩方案XZ截面的靜壓與湍動(dòng)能對(duì)比圖Fig.5 Comparison of static pressure and turbulent kinetic energy of XZ section at two schemes基于響應(yīng)面結(jié)果與流場(chǎng)分析可知，各參數(shù)細(xì)微變化以及交互作用直接影響導(dǎo)葉式分離器內(nèi)部強(qiáng)旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)的分布。含塵氣

29、流經(jīng)導(dǎo)流葉片加速旋轉(zhuǎn)，該處局部摩擦阻力由包弧長(zhǎng)L與出口角決定，當(dāng)L/約為6.22時(shí)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的阻力損耗最小，渦流能量得以維持，離開(kāi)導(dǎo)葉后氣流向下旋進(jìn)，渦流旋風(fēng)長(zhǎng)度則依賴于筒體與錐體的幾何參數(shù)，當(dāng)（Hc+Hz）/D約為4.66時(shí)旋風(fēng)長(zhǎng)度合理使渦流尾端（內(nèi)旋流起始位置）擾動(dòng)低，這樣氣流旋轉(zhuǎn)能量的傳遞狀態(tài)穩(wěn)定，足以維持內(nèi)旋流折返至排氣管，當(dāng)然旋流在排氣管壁和旋轉(zhuǎn)渦核中的摩擦損失直接導(dǎo)致機(jī)械能量損失，增加壓降，De約為S的0.46倍時(shí)渦流強(qiáng)度最低，靜壓損失少。說(shuō)明最優(yōu)的幾何參數(shù)組合可使導(dǎo)葉式分離內(nèi)部流場(chǎng)特性穩(wěn)定，通過(guò)降低機(jī)械能量損失來(lái)減小壓降。4 結(jié)論（1）響應(yīng)面優(yōu)化法突破單一變量?jī)?yōu)化的局限性，從均勻分

30、布多項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)出發(fā)，憑借克服導(dǎo)葉式旋風(fēng)分離器多變量復(fù)雜的建模問(wèn)題優(yōu)勢(shì)，對(duì)其進(jìn)行目標(biāo)優(yōu)化，降低了旋風(fēng)分離器的壓降。（2）導(dǎo)葉式分離器內(nèi)部強(qiáng)旋流場(chǎng)分布與幾何參數(shù)取值直接相關(guān)，各參數(shù)間的交互作用使壓降呈復(fù)雜非線性變化。在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，減小D、L，增大De、S、及Hz對(duì)降低分離器的能耗極為有利。（3）優(yōu)化后的導(dǎo)葉式分離器中心區(qū)尤其是排氣管內(nèi)的旋渦強(qiáng)度較低，因而內(nèi)部湍流效應(yīng)造成的動(dòng)壓損耗衰減，促進(jìn)靜壓快速恢復(fù)，相比原始分離器壓降減小69.8%，因此優(yōu)化模型在節(jié)能方面更高效。參考文獻(xiàn)(丹)霍夫曼，(美)斯坦因，著. 旋風(fēng)分離器原理、設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用M. 彭維明，姬忠禮，譯. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004.(

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