旋风分离器非稳态流动及流固耦合特性研究

摘要

旋风分离器内流场是由内外旋流组成的强旋流场，其内部涡核随时间发生周期性振荡。随着炼油装置的大型化，催化裂化装置中的分离器系统柔性增大，由内旋流摆动引起的旋风管结构疲劳问题得到关注。本文采用多物理场耦合软件Ansys Workbench，重点研究了分离器内部的非稳态流动以及结构振动。 文中涉及了三种具有新式排气芯管结构的旋风管，分别对内旋流施加了放松，收紧，偏流三种不同的约束形式，并设置不同的入口气速，研究了分离器内部非稳态流场的分布规律，并进一步应用流固耦合算法，研究了三种新式结构旋风管的振动情况。 结果表明：分离器内部的流场受排气芯管结构影响明显，通过变换排气芯管结构，可以有效改变内旋流摆动，使内旋流脉动频率发生改变。流场内部静压脉动存在两个主要频率，较低的频率为内旋流摆动频率，较高的频率为旋进涡核的旋转频率。分离器内部流场低频脉动的频率随着入口气速的增大而增大，低频脉动的幅值随入口气速先增大后减小，而高频脉动的频率和幅值均随入口气速的增大而增大，并且内旋流摆动幅值在灰斗和料腿位置达到最大。通过分析耦合作用下的器壁振动，发现结构振动为一种强迫振动形式，结构振动经过一段时间的衰减达到稳定，稳定后与内旋流脉动频率一致。结构振动受质量分布以及约束条件影响，结构振动强度最大的位置位于分离器的圆筒段。由于边界条件和约束位置的影响，分离器存在发生共振的可能。通过分析分离器的结构强度，发现其应力集中位置主要在排气芯管和圆筒段的连接处，锥段和灰斗的连接处以及灰斗和料腿的连接处。通过调整分离器的安装约束，可以改善分离器的振动情况，避免疲劳失效。

目录

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 旋风分离器结构优化发展

1.2.1 旋风分离器尺寸优化研究

1.2.2 进气结构的优化设计

1.2.3 锥段的优化设计

1.2.4 排气芯管的优化设计

1.3 旋风分离器中非稳态流动的研究现状

1.3.1 旋风分离器非稳态流场的实验研究

1.3.2 旋风分离器气相模拟发展

1.3.3 旋风分离器非稳态流场的数值模拟研究

1.4 流固耦合数值计算的研究现状

1.4.1 流固耦合概述

1.4.2 流固耦合问题的研究进展

1.4.3 流固耦合在工程上的应用

1.5 研究内容及技术路线

1.5.1 研究内容

1.5.2 技术路线

第二章 旋风分离器气相非稳态数值模拟

2.1 气相流动计算方法

2.1.1 控制方程

2.1.2 湍流模型

2.2 几何模型和网格划分

2.3 边界条件

2.4 网格无关性验证

2.5 可靠性验证

2.5.1 压力场验证

2.5.2 脉动速度场验证

2.6 本章小结

第三章 分离器非稳态流动分析

3.1 旋风分离器中非稳态流场的分布规律

3.2 不同结构分离器中非稳态流动的脉动特性

3.2.1 基准模型中压力脉动随结构位置的变化

3.2.2 模型A中压力脉动随结构位置的变化

3.2.3 模型B中压力脉动随结构位置的变化

3.2.4 模型C中压力脉动随结构位置的变化

3.2.5 不同模型对流场脉动的影响

3.3 不同入口气速对流场脉动特性的影响

3.3.1 模型A在不同入口气速下的压力脉动对比

3.3.2 模型B在不同入口气速下的压力脉动对比

3.3.3 模型C在不同入口气速下的压力脉动对比

3.4 本章小结

第四章 旋风分离器流固耦合数值模拟

4.1 流固耦合理论基础

4.2 流固耦合求解理论

4.2.1 简述ALE方法

4.2.2 流固耦合求解策略

4.3 模拟方法及参数确定

4.3.1 计算模型及网格划分

4.3.4 边界条件及流固耦合设置

4.4 流固耦合对非稳态流场的影响

4.5 本章小结

第五章 基于双向耦合的分离器结构分析

5.1 模态分析

5.1.1 模态理论

5.1.2 模态分析结果

5.3 不同高度截面的振动情况对比

5.2.1 模型A沿轴向的结构振动情况

5.2.2 模型B沿轴向的结构振动情况

5.2.3 模型C 沿轴向的结构振动情况

5.3 不同结构的流固耦合结果对比

5.3.1 结构等效应力对比

5.3.2 结构整体变形对比

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢