基于数值模拟的旋风分离器适用性与结构优化方法研究

摘要

旋风分离器是一种利用气-固两相流体的涡旋运动使固体颗粒在离心力的作用下从气流中分离出来的设备，它具有结构简单、操作维护简便、制造安装价格低等优点，被广泛应用于石油、化工、冶金等领域。由于其内部流场具有强旋流湍流特征，气流和颗粒的运动十分复杂，传统的实验方法很难深入研究其内部流场规律和分离机理，随着计算流体动力学的发展，数值仿真分析成为研究旋风分离器的主要手段。
　　旋风分离器的工况和结构参数会对其性能产生决定性影响。对于一个给定的旋风分离器，其工况参数包括颗粒半径、颗粒密度和入口速度，由于工况参数可以在一定范围内变化，因此需要讨论分离器的适用性，为分离器在不同工作环境下工作参数的选择提供理论依据。
　　同时，在一定工况下旋风分离器的结构参数决定了其性能，因此基于多结构参数变化的性能优化成为受人关注的工程问题，由于分离器结构参数变量较多，理论上会产生多种组合结构形式，逐一研究势必造成工作量巨大，寻求多参数变化的结构优化方法具有重要意义。
　　为此本文主要进行了以下几个方面内容的研究:
　　1.采用RNGk-ε模型计算旋风分离器内气相紊流，采用离散相模型(DPM)模拟固相流场颗粒轨迹，在此基础上，引入正交试验法讨论在不同颗粒粒径和颗粒物密度条件下旋风分离器的进气口速度与分离效率之间的关系。
　　2.研究与分离效率相关联的不同旋风分离器分割粒径，为此构造一种迭代格式，通过数值仿真和迭代计算，得出4种不同风速条件下3种不同旋风分离器的分割粒径。
　　3.采用RSM模型对旋风分离器内气-固两相流进行数值分析，以回归正交试验法设计实验方案，在此基础上分别建立旋风分离器的压降和分离效率对其结构参数的回归数学模型。根据该数学模型以压降小，分离效率高为目标，进行多目标优化得到最优旋风分离器结构参数。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 旋风分离器概述

1．2．1 旋风分离器基本结构与工作原理

1．2．2 旋风分离的分离机理

1．3 国内外旋风分离器性能研究现状

1．4 本文主要研究内容及方法

1．4．1 研究内容

1．4．2 研究方法

第二章 旋风分离器数值模拟方法

2．1 概述

2．2 气体相的数值模拟计算方法

2．2．1 控制方程

2．2．2 湍流模型

2．2．3 离散格式

2．2．4 压力插补格式

2．2．5 压力与速度耦合

2．3 颗粒相的数值模拟计算方法

2．3．1 颗粒相的求解

2．3．2 DPM模型

2．3．3 气体相与颗粒相的相互作用

2．4 本章小结

第三章 旋风分离器在不同工况下分离效率的仿真分析

3．1 概述

3．2 正交试验设计方法简介

3．2．1 正交表筒介

3．2．2 上下左右交实验设计步骤

3．2．3 极差分析法简介

3．3 旋风分离器物理模型与计算方法

3．3．1 物理模型

3．2．2 网格划分

3．3．3 边界条件

3．3．4 计算方法

3．4 数值仿真计算结果

3．5 正交试验法研究分离效率

3．5．1 因素水平选择

3．5．2 试验方案确定并仿真试验

3．5．3 仿真结果分析

3．6 本章小结

第四章 旋风分离器分割粒径(d50)的预测方法

4．1 概述

4．2 旋风分离器理论分离模型

4．2．1 分割粒径(cut-off size)

4．2．2 分离效率

4．2．3 分离效率和分割粒径经验模型

4．3 分割粒径新的预测方法

4．4 模型选择

4．4．1 物理模型

4．4．2 仿真计算方法

4．4．3 边界条件

4．5 仿真结果与比较

4．6 本章小结

第五章 基于回归正交试验的旋风分离器结构优化

5．1 概述

5．2 回归正交试验法简介

5．2．1 二次回归正交设计的基本方法

5．2．2 二次回归方程建立

5．2．3 回归方程及偏回归系数的方差分析

5．3 试验模型的建立

5．3．1 结构参数与评价标准确定

5．3．2 试验设计

5．3．3 计算方法

5．3．4 边界条件

5．4 数值仿真计算结果

5．4．1 压力场

5．4．2 速度场

5．5 回归分析与结构优化

5．5．1 欧拉数Eu

5．5．2 分离效率η

5．5．3 结构优化

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 主要结论

6．2 工作展望

参考文献

致谢

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