轴入式旋风分离器气粒分离特性的数值模拟与试验

摘要

本文研究的轴入式旋风分离器是一种典型的轴向入口式旋风分离器，这种旋风分离器能处理的风量是普通旋风分离器的三倍，并且气流分布均匀。这种旋风分离器具有体积小、效率高、处理空气流量大等特点。目前这类旋风分离器正以多管旋风分离器的形式应用于列车通风系统中，然而对这类分离器的研究却相当的少。因此，对这类旋风分离器进行数值模拟与试验研究具有广泛的意义。 本文首先对气相流场进行了数值模拟，采用分区结构化网格的方法，对连续相采用雷诺应力湍流模型，对流项采用QUICK离散格式，压力--速度耦合方式采用SIMPLEC算法，压力离散格式采用压力插补格式。研究了轴入式旋风分离器内的流场、压力场。气相流场的计算结果表明，轴入式旋风分离器内的流场具有很好的对称性，同时具有一定的规律性：轴入式旋风分离器内主流是双层流，以零轴速包络面为界，外部是向下旋转的外旋流，内部是向上旋转的内旋流，且二者的旋转方向相同，这与普通旋风分离器的主流特性基本一致。然而，由于有导流叶片的存在，在主流上伴有的局部二次涡与普通旋风除尘器相比较少，并且流场的分布比普通旋风分离器更对称，更有规律性。通过改变轴入式旋风分离器的螺旋角度θ和叶边距h1得到五个不同的数值模拟模型，通过计算五种模型在相同的入口速度条件下的速度场、压力场，分析了旋转角度和叶边距对分离器内部流场和压力场的影响。 在连续相流场趋于稳定时，加入离散颗粒相，进行气粒两相流的数值计算，对气固两相流动采用单向耦合的方法，对颗粒运动模型采用随机轨道模型。气固两相流的计算结果表明：轴入式旋风分离器内颗粒运动极其复杂，分离效率与颗粒粒径有很大的关系。总体来说，颗粒粒径越大，分离效率越高。螺旋角θ和叶边距h。对分离效率有明显的影响。总的来说，螺旋角度θ越小，分离效率越高。就本文筒体高度的轴入式分离器而言，叶边距h1越大，分离效率越低。 最后，将典型模型的数值模拟结果与试验测试结果进行比较，从而验证了数值模拟计算结果的可靠性与准确性；同时通过对本文以上工作的总结，分析了几个影响分离器性能的主要尺寸因素，指出了五种不同模型的优虐，为生产实践提供了宝贵的理论依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题背景及其意义

1.2旋风分离器的分离机理及其进展

1.2.1转圈理论(沉降分离理论)

1.2.2平衡轨道理论(筛分理论)

1.2.3边界层分离理论(横混假说)

1.3气粒两相流数值模拟进展

1.3.1颗粒的直接模拟

1.3.2混沌动力学研究

1.3.3散涡模拟

1.3.4大涡模拟

1.3.5统观模拟

1.3.6湍流气粒多相流动的统计模型

1.4旋风分离器内两相流的数值模拟进展

1.4.1旋风分离器内流体相的数值模拟研究现状

1.4.2旋风分离器中颗粒相的数值模拟研究进展

1.4.3颗粒与壁面之间、颗粒与颗粒之间的碰撞

1.4.4气相湍流对颗粒的影响和颗粒对气体湍流分布的影响

1.5本文研究的目的和主要工作

第2章轴入式旋风分离器的数值模拟方法研究

2.1适用于轴入式旋风分离器的数值模拟方法

2.2气流相的数值模拟方法

2.2.1湍流时均流动的控制微分方程

2.2.2湍流模型

2.2.3对流相的离散格式

2.2.4压力与速度的耦合问题

2.3颗粒相的数值模拟方法

2.3.1单颗粒确定轨道运动方程

2.3.2颗粒随机轨道模型

2.3.3颗粒与流体之间的相互作用

2.4本章小结

第3章轴入式旋风分离器单相流场的数值模拟

3.1计算模型

3.1.1湍流模型

3.1.2对流项的离散格式

3.1.3压力与速度耦合

3.1.4压力离散格式

3.2计算区域、网格划分及边界条件

3.3计算结果分析

3.3.1轴入式旋风分离器内压力分布

3.3.2气相流场的速度分布

3.3.3切向速度分布

3.3.4轴向速度分布

3.4本章小结

第4章轴入式旋风分离器气粒分离特性的数值模拟

4.1计算模型

4.2计算区域、网格划分及边界条件

4.2.1入口边界条件

4.2.2固壁边界条件

4.2.3漏斗口边界条件

4.2.4内筒出口边界条件

4.3计算结果分析

4.3.1轴入式旋风分离器内颗粒运动轨迹跟踪

4.3.2轴入式旋风分离器的分离效率分析

4.4本章小结

第5章典型轴入式旋风分离器的试验测试

5.1主要测试设备以及仪器

5.2测试过程与原理

5.2.1测试过程

5.2.2测试原理

5.2.3测试位置示意图

5.3测试结果

5.4本章小结

第6章轴入式旋风分离器性能分析

6.1旋风分离器的性能指标

6.1.1处理气体流量QN

6.1.2压力损失AP

6.1.3分离效率η

6.2轴入式旋风分离器性能影响因素

6.2.1轴入式旋风分离器的外简直径D与内筒直径d

6.2.2轴入式旋风分离器的外筒柱体和锥体总高度H

6.2.3轴入式旋风分离器的旋转角度θ

6.3轴入式旋风分离器的性能分析

6.4本章小结

结论与展望

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

致谢