内置旋流叶片的旋风分离器性能的数值模拟与实验研究

摘要

旋风分离器因其结构简单、维修方便等原因广泛用于石油化工、气体净化和环境保护等领域。如何有效的提升分离器的分离效率是该领域的研究热点。在分离器的气流运动中，由于外旋气流的旋转使分离器外侧压力大于内侧压力，颗粒跟随气流运动进入到内涡旋区。而在内涡旋区，切向速度沿径向方向逐渐降低，同时，惯性离心力也随之减小。因此，进入内涡旋区的颗粒被捕集的概率也将降低。我们提出一种新型旋风分离器，防止含尘气流里面的颗粒进到内涡旋处，该分离器是将一组沿气流运动方向由内向外的旋流叶片，增添于传统分离器的内外涡旋交界面处。　　基于CFD，通过分离器气固两相流的数值模拟，对比分析增设旋流叶片与否两种情况下分离器性能的差异。对两种分离器的压降、分离效率与入口气流速度的关系进行了实验研究。最后研究了不同排气管管径及排气管插入深度对两种分离器流场和分离性能的影响。结果显示：　　(1)在排气管下方，内外涡旋交界面处设置一组沿气流运动方向由内向外的旋流叶片使得含尘气流中的颗粒受到阻挡，卷入到内涡旋区的难度增加，有利于分离器的效率提升。　　(2)添加旋流叶片使得分离器的流场有明显的优化。分离器排气管下部的短路流以及分离器排灰口处的局部涡流现象有了明显的改善，有助于提升分离效率。　　(3)两种分离器的分级效率都随着颗粒粒径的增加而变大，添加旋流叶片的分离器对小粒径的颗粒的分离作用更加明显。　　(4)实验结果表明，添加旋流叶片的旋风分离器在入口流速较小时，总效率提升明显；在入口流速较大时，压降略有增大，分割粒径减小显著。　　(5)在入口气流速度为13.94m/s时，将通过实验测量的分级效率与数值模拟结果进行比较分析，添加旋流叶片分离器分级效率有显著提升，尤其对粒径6μm以下颗粒，效果更为明显。数值计算结果显示，基础分离器切割粒径为2.07μm，添加旋流叶片分离器切割粒径为1.47μm，减小了29.0%。实验结果显示，基础分离器切割粒径为2.33μm，添加旋流叶片分离器切割粒径为1.58μm，减小了32.2%。　　(6)随着排气管管径的增大，分离器的分级效率逐渐降低。在相同排气管管径下，添加旋流叶片分离器分级效率更高，旋流叶片能有效提高分离器的分级效率。　　(7)随着排气管插入深度加大，两种分离器的分级效率提高，在相同结构参数的条件下，由于添加旋流叶片使颗粒被捕集的可能性增加，因此，添加旋流叶片后，分离器的分级效率更高。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 旋风分离器的组成及运行机理

1.3 旋风分离器性能指标

1.3.1 处理气体流量 QN

1.3.2 分离效率η

1.3.3 压力损失 ΔP

1.4 旋风分离器国内外研究现状

1.4.1 分离器的理论研究进展

1.4.2 分离器的实验研究进展

1.4.3 分离器的数值模拟研究进展

1.5 本文主要研究内容

第2章 旋风分离器的数值模拟方法研究

2.1 旋风分离器气相场的数值模拟方法

2.1.1 控制方程

2.1.2 湍流模型

2.1.3 离散格式

2.1.4 压力插补格式

2.1.5 压力与速度的耦合

2.2 旋风分离器颗粒相的数值计算方法

2.2.1 颗粒运动方程

2.2.2 颗粒随机轨道模型

2.2.3 DPM 模型

2.2.4 气相场和颗粒相的相互作用

2.3 边界条件的设置

2.3.1 气相场边界条件的设置

2.3.2 颗粒相边界条件的设置

2.4 小结

第3章 旋风分离器气固两相的数值模拟

3.1 旋流叶片的设计

3.2 数值计算验证

3.2.1 物理模型

3.2.2 数值计算可靠性验证

3.3 分离器气相场的数值模拟分析

3.3.1 速度分布

3.3.2 压力分布

3.4 分离器气固两相场的数值模拟分析

3.4.1 颗粒相的工况设置

3.4.2 气固两相流数值模拟结果

3.5 本章小结

第4章 旋风分离器的实验研究

4.1 实验装置

4.1.1 旋风分离器主体

4.1.2 送风系统

4.1.3 给料系统

4.1.4 检测系统

4.2 实验方法

4.2.1 压降测量方法与步骤

4.2.2 分离效率测量方法与步骤

4.3 实验结果与讨论

4.3.1 添加旋流叶片对分离效率的影响

4.3.2 添加旋流叶片对压降的影响

4.4 实验研究及数值计算结果对比分析

4.5 本章小结

第5章 旋风分离器的结构参数研究

5.1 排气管管径对基础分离器性能的影响

5.1.1 排气管管径对基础分离器流场的影响

5.1.2 排气管管径对基础分离器压降的影响

5.1.3 排气管管径对基础分离器分离性能的影响

5.2 排气管插入深度对基础分离器性能的影响

5.2.1 排气管插入深度对基础分离器流场的影响

5.2.2 排气管插入深度对基础分离器压降的影响

5.2.3 排气管插入深度对基础分离器分离性能的影响

5.3 排气管管径对添加旋流叶片分离器性能的影响

5.3.1 排气管管径对添加旋流叶片分离器流场的影响

5.3.2 排气管管径对添加旋流叶片分离器压降的影响

5.3.3 排气管管径对添加旋流叶片分离器分离效率的影响

5.4 排气管插入深度对添加旋流叶片分离器性能的影响

5.4.1 排气管插入深度对添加旋流叶片分离器流场的影响

5.4.2 排气管插入深度对添加旋流叶片分离器压降的影响

5.4.3 排气管插入深度对添加旋流叶片分离效率的影响

5.5 本章小结

结论与展望

结论

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