强旋气固流场的湍流特性、稳流与整流

摘要

本文采用大涡模拟的方法对Starimand型旋风分离器的强旋气固流场进行数值模拟，针对气相流场存在的紊乱涡流、“摆尾”、“返混”等影响分离性能状况，从结构方面提出改进措施，对传统型分离器增设稳流柱和防返混锥，以改善其流场、稳定涡流扰动。为验证增设稳流柱和防返混锥的稳流效果，采用数值模拟和实验研究的方式对研究对象分类别比较。分别从涡流矢量图、流场速度、压降、湍动能耗散、液体示踪对比、质点压力动态脉动测试等几个方面重点研究。通过考察增设内构件后对旋风流场的变化规律，为微米以及亚微米级颗粒捕获和旋风除尘器性能的优化提供参考，并对旋风分离器三维流场的研究提供流体力学理论依据。所做的主要研究工作有:
　　(1)利用数学建模软件gambit2.20构造几何模型，对模型使用流体力学软件FLUENT6.2计算，具体计算方法采用大涡模拟的数值方法。分析了Starimand型旋风分离器和增设内构件的旋风分离器的三维速度场分布，压力场分布和湍动能耗散分布情况。结果表明:在相同的操作条件下进气风速为15m/s时，增设内构件后切向速度的轴对称性比较好，最大切向速度虽然降低，但分离区壁面的分离速度并未降低，能达到较好的分离效果。涡流速度矢量图中显示:稳流柱稳流、导流作用良好，降低了内旋流与外旋流交汇处，涡流紊乱的状况，规整了涡核尾端的“摆尾”现象。防返混锥的使用有效降低了灰仓内的湍动程度，大大减少了灰斗返气量。增设内构件后，湍动耗散能大幅度降低，在旋风分离器中部湍动耗散能最大降幅为77％。
　　(2)在气相流场的基础上，通过对外旋流进行液体示踪试验发现增设稳流柱后，下行轴向速度衰减程度小，涡核尾端有足够能量向下延伸，减少了下锥体附近“摆尾”现象的发生，有效的减少了内旋流和外旋流的相互扰动，降低了湍动能量的耗散。安装导流件后，流体在旋风分离器内旋转圈数明显增多，有利于提高分离效率。
　　(3)在相同的试验操作条件下，对比分离器使用导流件前后，质点动态压力变化、压降、总分离效率、颗粒分级效率等性能指标，结果表明，增设内构件，对于碳粉（D50=44.65微米）和粉煤灰(D50=23.30μm)颗粒的分离总分离效率提高了5％-7％，其中1-5μm粉煤灰（D50=23.30μm）颗粒平均分离效率提高了10％左右，2μm颗粒的分级效率甚至达到了75％。虽然总压降略有提高，但是旋风分离内部动态压力变化趋势平稳。表明增设稳流柱后，降低了强旋涡流间的扰动，使内旋流依托稳流柱上升，降低了下锥体附近涡流“摆尾”程度，防返混锥的应用有效降低了灰仓内的“返混”，大大提高了旋风分离器的分离性能。

目录

摘要

符号说明

前言

1 综述

1．1 课题背景

1．2 旋风除尘器工作机理

1．3 旋风除尘器流场主流特征和二次涡流

1．3．1 普通旋风除尘器流场主流特征

1．3．2 旋风除尘器不规整涡流

1．4 旋风分离器捕集微米及亚微米颗粒技术研究进展

1．5 旋风分离器数值模拟方法与大涡模拟

1．5．1 旋转气流的湍动模型

1．6 本文的研究内容和主要任务

1．6．1 本文的研究目的

2 数学模型的建立与模拟方法的选择

2．1 高效stairmand型旋风分离器的流场模拟方法

2．2 数值模拟方法选择

2．2．1 大涡模拟的湍流模型

2．2．2 大涡的运动方程

2．2．3 离散格式

2．2．4 压力插补格式

2．3 定解条件

2．4 本章总结

3 高效stairmand型旋风分离器流场优化

3．1 高效stairmand型旋风分离器概述

3．1．1 高效stairmand型旋风分离器结构以及增设内构件

3．2 计算模型与计算结果

3．2．1 物理模型与结构网格

3．2．2 边界层条件的设置

3．2．3 求解过程与收敛

3．2．4 大涡模拟结果可靠性验证

3．3 速度矢量图

3．3．1 整体涡流矢量对比

3．3．2 中部涡流矢量对比

3．3．3 下部涡流矢量对比

3．3．4 灰仓涡流矢量对比

3．4 流场速度对比

3．4．1 切向速度分布

3．4．2 轴向速度分布

3．4．3 径向速度分布

3．5 高效stairmand型旋风分离器压降的研究

3．5．1 压力分布

3．6 流场湍流结构分析

3．6．1 湍动能分布

3．6．2 湍动耗散能对比

3．7 本章总结

4 旋风分离器流场湍流特性的实验研究

4．1 旋风分离器液体示踪对比试验

4．1．1 实验流程

4．1．2 操作步骤

4．1．3 外旋流示踪结果分析

4．2 动态压力对比试验

4．2．1 实验装置与实验流程

4．2．2 动态压力测试分析

4．3 本章小结

5 旋风分离器性能实验研究

5．1 分离性能试验

5．1．1 实验流程

5．1．2 物料粒径

5．1．3 实验装置

5．1．4 激光粒度分析仪

5．1．5 衍射光粒度分析仪基本结构原理

5．1．6 JL-1155型激光粒度仪

5．1．7 操作步骤

5．1．8 操作过程中注意事项

5．1．9 分离效率结果对比分析

5．2 旋风分离器压力对比试验

5．2．1 压降对比

5．2．2 阻力系数

5．3 本章小结

结论与展望

参考文献

附录

致谢

攻读硕士学位期间的主要研究成果

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