不同入口形式的固液分离旋流器壁面磨损研究

基于计算流体力学(CFD)软件Fluent中的颗粒随机轨道模型(DPM),对两种入口形式的固液分离旋流器的壁面磨损进行数值模拟的比较,结果表明:单入口式固液分离旋流器顶板的最大磨损位于方位角140°~210°,环形空间壁面最大磨损位于方位角120°和190°,底流口附近壁面最大磨损在周向方向180°的底流口上方1~2mm位置;双入口式旋流器的壁面磨损呈对称分布,最大磨损在底流口位置,顶板壁面最大磨损在两个入口区域,顶板外层最大磨损位于方位角80°~110°和260°~290°,环形空间壁面最大磨损位于方位角120°和300°;相同条件下,双入口式旋流器顶板和环形空间的壁面磨损小于单入口式旋流器顶板和环形空间的壁面磨损;而对于底流口附近的壁面磨损,双入口式固液分离旋流器底流口附近的壁面磨损略大。     

固液分离旋流器壁面磨损的数值模拟

基于计算流体力学(CFD)方法, 应用Fluent软件中雷诺应力模型和离散相模型, 对重分散相颗粒分离旋流器壁面的磨损情况进行了模拟研究。结果表明, 旋流分离器壁面的磨损以局部磨损为主;在入口环形区域, 颗粒对壁面的主要磨损为冲击磨损;在圆筒体和圆锥体区域, 颗粒对壁面的主要磨损为磨削磨损;磨损最严重的部位在旋流分离器的底流口。入口环形空间磨损最严重的位置在圆周方向上100°~110°;圆柱筒体壁面的磨损成螺旋向下的带状分布;越接近锥体末端, 圆锥体壁面的磨损越严重, 在底流口处达到磨损峰值。旋流分离器内部颗粒浓度高的部位磨损严重;同时入口速度增加, 旋流分离器壁面各个部位的磨损率也会相应增大。这些结果为旋流分离器的设计及应用提供了一定的指导。     

两种不同入口结构旋风分离器内涡核摆动的对比

为了探究入口结构对旋风分离器内涡核摆动的影响,采用雷诺应力模型(Reynolds stress model,RSM)对两种不同入口结构旋风分离器内旋转流动进行了气相流场的数值模拟。结果表明,切向速度在截面上呈现明显的非轴对称现象,主要表现为等值线分布不对称,零值所在位置与几何中心不重合,零值靠近壁面的一侧,切向速度较大,零值远离壁面的一侧切向速度较小。直切式旋风分离器内部偏心比(|Δr|/D)多在0.025～0.050,而蜗壳式旋风分离器内部偏心比则多在0.000～0.025,偏心程度明显下降。蜗壳式旋风分离器在90～270°截面和180～360°截面上的旋转中心偏移轴线值(|Δx|和|Δy|)的平均值均减小,蜗壳式旋风分离器偏心距(|Δr|)的平均值相对于直切式减小23.5%。     

蜗壳式旋风分离器的磨损实验和分析

用模拟方法对蜗壳式旋风分离器器壁磨损进行了实验 ,探讨了旋风分离器的磨损机理 ,对蜗壳式旋风分离器器壁磨损最严重的 3个部位 :环形空间筒体 60～ 1 35°(以入口处为 0°)的局部区域、锥体部分的末端、灰斗锥体与料腿的连接附近的磨损特点进行了分析。实验结果表明 ,蜗壳式旋风分离器器壁磨损量与含尘气流的浓度是线性关系 ,与入口速度是三次方关系。在实验数据的基础上建立了磨损量计算的经验关系式。     

组合式旋流器处理污水的数值分析

利用RNG k-ε模型计算流量分配器,确定了组合式旋流分离器的结构形式,利用雷诺应力模型(RSM)对入口切向角度不同的旋流分离器内部流场进行了分析,利用离散相模型(DPM)计算了其分离效率,利用所设计的组合式旋流分离器进行污泥浓缩实验,确定了流量分配器的结构形式,得到斜切单入口式旋流分离器入口与分配器环形管外圆周面的最佳夹角为5°,该分离器可将污水的含固率从2.7%提升至7.1%.     

蜗壳式旋风分离器减阻实验研究

根据蜗壳式旋风分离器环形空间流场研究结果,在分离器排气管特定位置上加装减阻片。加装直片减阻片后,最大减阻幅度达59%,但由于减阻片对环形空间内的切向速度影响较大,分离效率下降约5%,综合效率因子降低了2.2%;在排气管外壁周向270o处加装改进型减阻片对切向速度的影响较小,同时可以大幅度提高分离器中心部分的静压,从而可使分离器压降降低22%,效率仅下降0.3%,综合效率因子提高25%。     

周向多入口凹壁面切向射流流动特性分析

为了探究三维凹壁面切向射流周向入口数量对流场的影响,选取Realizable k-ε模型,并使用非平衡壁面函数处理近壁面湍流流动,数值模拟了周向多入口流场的流动特性。流场研究表明,随着入口数量增加,前入口对后入口流动参数的叠加先增强后降低,在入口后周向角度30°~40°,射流区域叠加最强,射流外侧靠近入口处的影响最大。多股射流流场叠加使立式圆筒体内部的流动更加均匀,涡旋结构稳定在轴线附近。周向多入口凹壁面射流相较于单入口在切向速度、湍流动能、静压力最大值等参数上均产生叠加作用,其中三入口与单入口更接近,叠加作用最小。对总流量相同的不同入口结构设备内旋流流动研究表明,离心分离因数、湍流动能和静压力与入口速度相关性较大,叠加特性对旋流流动的增强作用不明显。可通过提高多入口射流速度提高离心分离因数及物料的处理量。     

蜗壳式旋风分离器内气相流场非轴对称特性分析

采用Fluent软件对蜗壳式旋风分离器内气相流场进行了数值模拟，并在此基础上对流场的非轴对称特性进行了机理分析。蜗壳式旋风分离器入口结构的非轴对称以及气相旋流的不稳定性造成了气流的旋转中心与旋风分离器的几何中心不重合，从而导致了气相流场三维速度的非轴对称分布以及速度分量由于基准不同而产生的大小和方向变化。环形空间流场的非轴对称性主要是非轴对称入口结构影响的结果，分离空间流场的非轴对称性主要是旋流的不稳定性造成的。根据Rayleigh准则，旋风分离器内旋流流场的不稳定性是固有的，提高流场的旋流数可使流场的不稳定性降低，流场的非轴对称性降低。入口速度的变化不影响旋流数，也不影响流场的非轴对称性，但增加入口截面积比或减小量纲1升气管内径均可提高流场的旋流数，使流场的非轴对称性降低。旋风分离器的非轴对称性可以用角动量参量来描述。     

旋风分离器旋涡尾端测量及压力特性分析

采用多点压力传感器对旋风分离器轴向、径向不同位置的压力时间序列信号进行了测量分析,同时用液体示踪法对旋风分离器内流动进行了显示。结果表明,壁面压力在筒体段及锥体段的周向分布轴对称;锥体下口及料腿顶部区域,壁面压力出现陡降突变,周向分布不再对称,在相对分离器入口约270°方位处出现凹陷,压力降至最低;再往下壁面压力很快回升,又复现轴对称。这些特征可作为旋涡尾端的识别标志,由此识别的旋涡尾端位置与液体示踪显示的旋转的封闭液环位置几乎一致。试验还发现,当入口气速大于5m.s-1时,旋风分离器内外旋流区压力波动的频率不同,内旋流压力波动频率高于外旋流且随入口气速增减而增减,外旋流区的压力信号频率则不随入口气速改变;内旋流涡核碰到器壁处的壁面压力信号会同时具有内、外旋流两个主频率。采用壁面压力信号可以很好地研究旋风分离器旋涡尾端的位置及其动态特性。     

蜗壳式旋风分离器气相流场的非轴对称特性的模拟

采用Fluent软件提供的雷诺应力模型（RSM）对蜗壳式旋风分离器内气相流场进行了数值模拟,重点考察流场的非轴对称特性.模拟结果表明旋风分离器环形空间的流场呈现明显的非轴对称分布;筒体空间和锥体空间的流场也存在一定的非轴对称性.旋风分离器流场的非轴对称性是由于其入口结构不对称产生的,其主要特点是沿轴向气流的旋转中心与旋风分离器的几何中心不重合,旋转中心偏离几何中心的距离和方位在不同的轴向位置而不同,最大约为0.07R.由于气流旋转中心偏离旋风分离器的几何中心,使参考几何中心的径向速度分布呈现明显的非轴对称性,一部分向内,一部分向外.     

旋风分离器入口结构改进及其对“短路流量”的影响

常规切向进口旋风分离器的气流进入旋风分离器后必定要经过排气芯管外壁和筒体内壁之间,因此不可避免会使得相当一部分气流没有经过分离空间而直接从排气芯管底部排出(短路流量),这也是影响旋风分离器分离效率的重要因素之一。在前人工作的基础上,对旋风分离器的进口结构进行了改进:使得旋风分离器的入口具有一定截面角,并借助数值计算技术,分别对传统的和具有一定入口截面角旋风分离器内的三维流场进行了数值模拟,计算了芯管底部的"短路流量",结果表明:进口具有一定截面角可以明显减小芯管底部的"短路流量",这对改善旋风分离器的分离效率具有重要的实际意义。     

局部磨损对α型旋风分离器内流场及分离性能的影响

以α型旋风分离器为研究对象,基于欧拉-拉格朗日方法,采用雷诺应力模型（RSM）、颗粒离散相模型（DPM）、E/CRC磨损方程对分离器内流场与磨损特性进行数值模拟。通过分析速度矢量、切向速度、颗粒运动轨迹等参数的分布规律,研究了局部磨损对设备内流场及分离性能的影响。结果表明,α型旋风分离器入口正对壁面磨损最为严重,最大磨损率约为1.4×10^-5kg/(m²·s)。磨损引起壁面几何结构的改变,导致气流方向发生偏转,不利于主流的稳定与固体颗粒的分离。随局部磨损的加剧,排气管下口短路流急剧增大,从而导致排气管下口以下区域流体流量减少,外涡切向速度降低;细颗粒的逃逸现象更加明显,粗颗粒运动轨迹趋于重合,更易形成高浓度灰环加剧壁面磨损。与未磨损时相比,局部磨损厚度50mm时,3μm粒径颗粒的分离效率由74.38%降低至54.97%,分割粒径d₅₀由0.73μm增大至2.36μm;设备压降降低了约15.41%。     

新型双蜗壳式旋风分离器内流场分布的试验研究

采用五孔球探针测试仪对一种新型双渐开线入口结构旋风分离器分离空间的三维速度和压力分布进行了测量。试验结果表明,该旋风分离器分离空间的切向速度呈现“驼峰”分布,最大值达到29vp,离心力场较强,上行流区的静压变化为顺压梯度,有利于降低压力损失;在流场测量的基础上,利用积分离散化的方法计算了分离空间的下行流量,指出控制短路流和分离空间下端的旋涡流动是进一步的优化方向。     

旋风分离器分离性能的数值模拟与分析

以XLPB-5.0和XCX-5.0两种旋风分离器为原型,采用CFD软件对这两种旋风分离器进行了流场与分离效率的数值模拟,初步探讨了入口蜗壳形式与芯管结构对分离效率的影响。模拟结果显示:旋风分离器内流场呈各向异性分布特点,切向速度是影响分离效率的首要因素,径向速度的存在会造成"流场短路"现象,使轴向速度呈不对称分布,导致分离效率的降低。轴向速度与径向速度的共同作用促使颗粒在旋风分离器内做螺旋运动;XLPB-5.0和XCX-5.0的分离效率分别为92.55%和94.96%,与实验结果基本吻合,且不同芯管参数下XCX型的分离效率比XLPB型高;螺旋式入口蜗壳(XCX-5.0型)对旋风分离器上部流场的影响相比直流式入口蜗壳(XLPB-5.0型)复杂;对于两种旋风分离器,随着芯管直径的增大,分离效率逐渐变小;随着芯管深度的增大,分离效率先增大后减小。     

双入口直切式旋风分离器流场内旋进涡核现象的研究

主要研究了双入口直切式旋风分离器流场中的一种涡核非稳态现象———旋进涡核。实验表明 ,旋进涡核存在于分离器排尘口下部及锥体中下部 ,在排尘口处涡核摆动最强烈 ,同时涡核的摆动在一定操作参数下具有一定的频率和幅值 ,因此势必会造成粉尘的夹带返混 ,致使分离器效率降低。与单入口旋风分离器相比 ,双入口直切式旋风分离器内旋进涡核频率降低 ,幅值减小 ,但范围不变。说明入口形式是否轴对称对旋进涡核的存在与否不起主要作用