向進(jìn)口熱風(fēng)分離器內(nèi)氣固兩相流動的數(shù)值模擬

向進(jìn)口熱風(fēng)分離器內(nèi)氣固兩相流動的數(shù)值模擬

旋轉(zhuǎn)式檢測器是廣泛應(yīng)用于工業(yè)的過濾裝置。它具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、分離效率高等優(yōu)點(diǎn)。旋風(fēng)分離器是根據(jù)氣、固兩相的離心力不同而進(jìn)行相分離的設(shè)備:當(dāng)含塵氣流以較高速度經(jīng)進(jìn)氣管沿切向進(jìn)入分離器后,氣流在圓筒體與排氣管間的圓環(huán)內(nèi)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,在到達(dá)錐形底部后旋轉(zhuǎn)向上,最后經(jīng)排氣管排出;較大的塵粒隨氣流進(jìn)入分離器后,由于離心力作用,塵粒脫離氣流軌道撞向外筒壁,在固壁上由于失去慣性而沿器壁向下滑動,最后被收集;而較小的塵粒,由于其受到的離心力較小,將隨氣流一起運(yùn)動,并經(jīng)排氣管排出。實(shí)際上旋風(fēng)分離器內(nèi)的流動狀況非常復(fù)雜,其結(jié)構(gòu)參數(shù)對分離器內(nèi)的氣流流型及塵粒的分離效率有重要影響。一直以來,許多學(xué)者對分離器內(nèi)的流場和分離性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。柳綺年對旋風(fēng)分離器內(nèi)的流場進(jìn)行了測量,并得到了流型圖。Kenny和Gussman采用兩組分離器模型,試驗(yàn)研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對流型及分離效率的影響,并得到了經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。由于旋風(fēng)分離器內(nèi)流場的復(fù)雜性和試驗(yàn)方法的局限性,試驗(yàn)得出的結(jié)論一般只適用于對應(yīng)的試驗(yàn)范圍,同時,試驗(yàn)研究需要大量時間及昂貴的成本,因而難以應(yīng)用于旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和設(shè)計工作。隨著近年來計算流體力學(xué)(ComputationalFluidDynamics)技術(shù)的飛速發(fā)展,使得采用數(shù)值計算方法來模擬旋風(fēng)分離器的流場和計算分離效率成為可能。Griffths和Boysan等對一水力漩流器中固體顆粒的穿透效率進(jìn)行了數(shù)值計算,并得到了較為理想的結(jié)果。Ma等人采用3種紊流模型-標(biāo)準(zhǔn)k-ε、RNG(重整合群)k-ε模型和RSM(雷諾應(yīng)力)模型對一旋風(fēng)分離器內(nèi)流場進(jìn)行了模擬,認(rèn)為:標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型由于采用了各向同性假設(shè),模擬結(jié)果與試驗(yàn)值有較大偏差;RSM模型的計算結(jié)果與試驗(yàn)值吻合較好,但模型復(fù)雜,計算很難收斂;而RNGk-ε模型計算精度較好,計算方法也比較簡單,在模擬強(qiáng)旋流場具有優(yōu)越性。并進(jìn)行了分割粒徑的計算,比較了外筒體結(jié)構(gòu)對分割粒徑的影響;林瑋等對旋風(fēng)分離器中的顆粒運(yùn)動軌跡進(jìn)行了分析,認(rèn)為收縮的錐體段對顆粒捕獲有不利的一面。本文基于FLUENT軟件,采用RNGk-ε紊流模型對一切向進(jìn)口旋風(fēng)分離器內(nèi)的氣相流場進(jìn)行三維數(shù)值模擬和分析,在此基礎(chǔ)上,用拉格朗日模型對不同直徑的顆粒軌跡進(jìn)行計算,研究了顆粒進(jìn)口位置、顆粒進(jìn)口速度以及排氣管直徑對分離效率的影響,為旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。圖1表示模擬的旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)和尺寸。1相流場模擬及分析1.1tsij-33k氣相控制方程包括連續(xù)方程、動量方程及紊流模型方程。為節(jié)省篇幅,這里僅列出本文采用的RNGk-ε紊流模型。該模型是標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型的一種改進(jìn)形式,與標(biāo)準(zhǔn)的k-ε紊流模型相比,RNGk-ε模型主要有兩點(diǎn)不同:①模型中的系數(shù)都由理論推導(dǎo)產(chǎn)生;②ε方程多了一考慮強(qiáng)旋流下應(yīng)變率對紊流耗散率影響的附加項R。RNGk-ε模型中Reynolds應(yīng)力可表示為:-ρˉu′iu′j=2μtSij-23ρkδij(1)?ρu′iu′jˉˉˉˉˉˉ=2μtSij?23ρkδij(1)式中:μt為紊流粘性系數(shù),μt=Cμρk2ε,kμt=Cμρk2ε,k為紊動能,ε為紊流耗散率;ρ為流體密度;Sij為應(yīng)變率張量,Sij=12(?ui?xj+?uj?xi)Sij=12(?ui?xj+?uj?xi);δij為單位張量。紊動能κ、耗散率ε方程為:??xi(ρuik)=??xi[(μtσk+μ)?k?xi]+Gk-ρε(2)??xi(ρuiε)=??xi[(μtσε+μ)?ε?xi]++εk(C1Gk-C2ρε)-R(3)??xi(ρuik)=??xi[(μtσk+μ)?k?xi]+Gk?ρε(2)??xi(ρuiε)=??xi[(μtσε+μ)?ε?xi]++εk(C1Gk?C2ρε)?R(3)式中:湍能產(chǎn)生率Gk=2μtSijSij;模型系數(shù)為C1=1.42,C2=1.68,σk=0.7179,σε=0.7179;R為由平均應(yīng)變率產(chǎn)生的ε的附加項:R=cμη3(1-η/η0)1+βη3ρε2k(4)R=cμη3(1?η/η0)1+βη3ρε2k(4)式中:η=Sκ/ε,S=(2SijSij)1/2,為應(yīng)變率張量的范數(shù);常數(shù)Cμ=0.084,β=0.012,η0=4.38。1.2數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果及分析由于旋風(fēng)分離器內(nèi)顆粒濃度很小,屬于稀疏氣固兩相流,因而在氣相流場模擬時忽略固相顆粒對氣相流場的影響。計算區(qū)域的離散采用了分塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格:在筒體部分采用三維柱坐標(biāo)網(wǎng)格,在分離器的矩形進(jìn)口部分采用適體坐標(biāo)網(wǎng)格。采用的網(wǎng)格精度由數(shù)值解的網(wǎng)格無關(guān)性確定。為保證解的精度,各控制方程中對流項的離散采用了二階精度的QUICK格式,擴(kuò)散項離散采用中心差分,離散方程組采用求解壓力耦合方程的半隱方法—SIMPLE算法求解。邊界條件:進(jìn)口:入口氣流速度由試驗(yàn)值確定,為24.85m/s;入口κ、ε值根據(jù)參考文獻(xiàn)估計kin=0.005u2m2m,εm=c0.75μ0.75μk1.5/l,1為進(jìn)口管道的當(dāng)量直徑;出口:出口截面按充分發(fā)展條件處理,即?ue001φ/?n=0,其中n為出口截面的法線方向;固體壁面為無滑移條件,按壁面函數(shù)法處理κ、ε。1.3截面分布的規(guī)律圖2為旋風(fēng)分離器中3個不同高度截面上的切向速度分布。由圖2可見:旋風(fēng)分離器內(nèi)的切向速度從壁面向軸心的變化為先逐漸增大,在達(dá)到一最大速度后逐漸減小,呈雙渦旋結(jié)構(gòu);從數(shù)值上看,切向速度接近全速度,所以切向速度在固相分離中起主要作用。由圖2可見,在旋風(fēng)分離器中不同高度的各截面上,切向速度的分布規(guī)律較為一致。圖3為旋風(fēng)分離器中不同高度截面上的軸向速度分布。由圖3可見:軸向速度在各截面上的分布有很大差異。其方向在內(nèi)外層的分布不同:在靠近外筒附近的外層,方向向下;在靠近軸心處的內(nèi)層,方向向上。由圖3可見:在靠近排氣管下部的z=485mm的截面以及在錐體部分的z=1200mm的截面上,軸心處的軸向速度都減小,而在z=1200mm的截面軸心處甚至出現(xiàn)下降流現(xiàn)象。下降流的出現(xiàn)對于旋風(fēng)分離器的分離性能有不利影響。一般認(rèn)為,在旋風(fēng)分離器的部分截面上會出現(xiàn)軸心處的下降流現(xiàn)象,但也有研究認(rèn)為在所有截面上都出現(xiàn)下降流。本文研究表明:分離器內(nèi)某些截面軸心處出現(xiàn)下降流的現(xiàn)象與工況條件和分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān),在一定工況下,減小排氣管直徑可以避免下降流的出現(xiàn),因而,通過數(shù)值模擬,進(jìn)行針對性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,可以提高旋風(fēng)分離器性能。圖4表示不同高度截面上的徑向速度分布。由圖可見:在同一高度上,外旋區(qū)域的徑向速度變化比較緩慢;而內(nèi)旋區(qū)域的徑向速度的變化較快。徑向速度分布是非軸對稱的。2試驗(yàn)測量的測量截面為驗(yàn)證模型的可靠性,本文將流場分布的計算值與試驗(yàn)值進(jìn)行了比較。試驗(yàn)值是采用五孔探針法對同一工況的流場進(jìn)行測量得到的。在測量時,高度方向上以100mm為間隔劃分測量截面,在每個測量截面上,沿徑向以10mm為間隔布置測點(diǎn)。圖5、圖6分別是z=485mm截面上切向速度和全速度的計算值和試驗(yàn)值的比較,在軸心部分由于試驗(yàn)條件的原因,沒有測得試驗(yàn)值。由圖可見,計算值和試驗(yàn)值吻合良好,證明RNGk-ε紊流模型可較好地預(yù)測旋風(fēng)分離器內(nèi)的流場。3高分離效率的研究3.1u3000顆粒的隨機(jī)擴(kuò)散效應(yīng)本文在氣相流場模擬的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了顆粒運(yùn)動軌跡及分離效率的模擬。假定顆粒為球體,密度(鋁)為2707kg/m3。在旋風(fēng)分離器內(nèi)顆粒所受到的力主要是離心力和阻力,其它力的影響很小,可以忽略。在拉格朗日坐標(biāo)系下,粒子的運(yùn)動方程為:mduipdt=Fid+mgi(5)mduipdt=Fid+mgi(5)式中:m為顆粒的質(zhì)量;uipip為顆粒速度;Fidid為顆粒受到的由氣相施加的流動阻力;gi為重力加速度分量。對于球型顆粒,阻力可以表示為:Fid=m18μρ2D2pCDRep24(ui-uip)(6)其中:Dp為顆粒直徑;ρp為顆粒密度;ui為氣相速度分量;μ為氣相分子粘性系數(shù);Rep為顆粒雷諾數(shù):Rep=ρDpμ|ui-uip|(7)式中:CD為阻力系數(shù),一般表示為雷諾數(shù)的函數(shù):CD=a1+a2Rep+a3Re2p(8)其中:系數(shù)a1、a2、a3由Rep的范圍決定。顆粒的紊流擴(kuò)散效應(yīng)采用隨機(jī)步行法模擬,應(yīng)用連續(xù)相瞬時速度積分計算顆粒軌跡,脈動速度分量是時間的分段常數(shù)函數(shù),即在積分渦時間尺度中,隨機(jī)脈動速度按照高斯概率分布隨機(jī)采樣:u′=ζ√ˉ(u′)2=ζ√23k(9)式中:ζ為服從正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù),u′為流體的脈動速度。積分時間尺度TL按流體的拉各朗日積分時間計算:ΤL=0.3kε(10)顆粒邊界條件:在旋風(fēng)分離器外筒壁和底部壁面,顆粒被收集,即“捕獲”邊界;在排氣管壁面,假定顆粒反彈,即“彈性碰撞”邊界;在排氣管出口,顆粒隨氣流逃出,即“逃逸”邊界。3.2顆粒進(jìn)口位置的影響在進(jìn)行顆粒分離效率的研究之前,首先研究了顆粒的進(jìn)口位置對分離效率的影響。圖7表示顆粒以3個不同進(jìn)口位置進(jìn)入旋風(fēng)分離器時分離效率隨粒徑的變化。這3個位置都位于進(jìn)口截面的垂直中心線上,B位于中心線的中點(diǎn),A位于距上壁面10mm處,C位于距下壁面10mm處。由圖可見,顆粒進(jìn)口位置對其分離效率有一定影響。從中心位置進(jìn)入的顆粒,分離效率最高,即使粒徑為1μm的顆粒,分離效率也達(dá)到了90%以上;而從其余位置進(jìn)入的顆粒,其分離效率較低;但對于直徑較大的顆粒(8μm以上),進(jìn)口位置對其分離效率基本沒有影響?？紤]到顆粒進(jìn)口位置對分離效率的影響,在下文的顆粒分離效率的計算中,取顆粒在進(jìn)口截面上按二維點(diǎn)陣均勻分布。進(jìn)口截面上共有154個顆粒點(diǎn)源,每個點(diǎn)源產(chǎn)生20個顆粒,模擬的總顆粒數(shù)為3080個。根據(jù)計算,對3080個顆粒進(jìn)行模擬,可以得到分離效率的統(tǒng)計值。3.3進(jìn)口速度對分離效率的影響圖8表示在不同的進(jìn)口流速下,該旋風(fēng)分離器的顆粒分離效率隨粒徑的分布。由圖可見,在其余條件不變的情況下,相同直徑的顆粒的分離效率隨進(jìn)口速度的增大而提高,但當(dāng)進(jìn)口速度增大到一定程度時,其對分離效率的影響減小。根據(jù)計算,該旋風(fēng)分離器的分割粒徑的范圍為0.75～0.82μm,這與Griffiths等的數(shù)值模擬結(jié)果(0.75～0.8μm)很接近,也與鄒聲華等的試驗(yàn)結(jié)果(0.66～0.78μm)比較接近。3.4排氣直徑的影響圖9表示不同排氣管直徑對顆粒分離效率的影響。圖中氣相的進(jìn)口速度保持恒定(為24.85m/s)。由圖可見,顆粒的分離效率隨排氣管直徑的減小而增大。其原因可以通過觀察圖10中不同排氣管直徑下氣相軸向速度的分布規(guī)律而得到。圖10表示z=485mm截面上氣相軸向速度的分布。由圖10可見:隨著排氣管直徑減小,軸心處氣相的下降流速度逐漸減小,直至消失。由圖9還可見:當(dāng)排氣管直徑減小到一定程度時,分離效率增加的幅度很小,但隨著排氣管直徑減小,分離器阻力增大。因而在實(shí)際的應(yīng)用中,通過減小排氣管直徑來提高分離器的分離效率時應(yīng)該綜合考慮效率和阻力的關(guān)系。4分離效率的模擬本文基于FLUENT軟件,對一切向進(jìn)口旋風(fēng)分離器內(nèi)氣相流場及顆粒的分離效率進(jìn)行了數(shù)值研究,采用RNGκ-ε模型模擬氣相紊流特性。研究表明:分離器內(nèi)氣流的切向速度分布呈復(fù)合雙層結(jié)構(gòu);軸向速度方向在內(nèi)外層分布不同,外層向下,內(nèi)層向上,但在部分?jǐn)嗝嫣?軸心處出現(xiàn)了下降流動特征。由出口直徑變