旋风分离器内气相旋转流不稳定性的实验研究

旋风分离器内气相旋转流具有较强的不稳定性,其表现形式是旋转流的旋转中心围绕几何中心的偏心摆动,导致流场的瞬时速度随时间发生脉动变化。这种旋流的不稳定特性难以用时均流场参数进行描述,需要用动态流场参数描述,为此采用热线风速仪测量了?300 mm旋风分离器内瞬时切向速度随时间的变化。实验结果表明瞬时切向速度是由气体湍流形成的高频脉动和旋转流偏心摆动形成的低频脉动两部分叠加构成,据此探讨了旋转流摆动形成的机制。瞬时切向速度的低频脉动来源于刚性涡的偏心摆动,脉动幅值与偏心距成正比。通过瞬时切向速度频域建立了旋转流的摆动频率与入口速度、筒体直径和排气管直径的计算模型。     

旋风分离器内气相旋转流动态特性分析与表征

旋风分离器内的气相旋转流具有很强的动态特性,表现为流场瞬时参数随时间波动变化。为了对旋风分离器内气相旋转流动态特性进行表征,本文基于热线/热膜风速仪（HWFA）和动态压力传感器测量的旋风分离器内瞬时切向速度和瞬时压力,从时域和频域两个方面进行了分析。结果表明,旋风分离器内瞬时切向速度信号时域上的波形分布与旋转流的摆动存在联系,时域上的标准偏差可以直观地表征旋风分离器内旋转流的波动强度;频域的主频和功率谱密度（PSD）可以表征旋转流动态参数波动的准周期行为、传递行为和强度衰减特征,也是旋转流摆动行为及其影响范围的反映。基于瞬时切向速度和瞬时压力的时域和频域分析能较好地反映旋转流流场的波动特点,均可用于表征旋风分离器内气相旋转流的动态特性。     

圆管内轴向旋转流切向速度湍流强度

采用热线风速仪(hot wire anemometry,HWA)测量了ø300 mm×2000 mm圆管内轴向旋转流瞬时切向速度随时间的变化,重点分析了切向速度湍流强度的分布特点和旋转流摆动对切向速度湍流强度的影响.测量结果表明,瞬时切向速度由高频的湍流脉动速度和低频的波动速度叠加构成.由于受旋转流旋转中心偏离圆管几何中心造成的旋转流摆动的影响,在圆管中心区域瞬时切向速度随时间的波动速度变化较大,边壁区域瞬时切向速度随时间的波动速度变化较小.通过对瞬时切向速度数据进行概率密度分析可知,切向湍流强度不仅受气流脉动的影响,还受旋转流中心摆动的影响,是由自身气流脉动产生的湍流强度和旋转流摆动产生的湍流强度两部分叠加构成.旋转流摆动导致了中心区域的湍流强度远大于边壁面区域的湍流强度.     

旋风分离器有无灰斗对气相流场动态特性的影响

旋风分离器底端的排尘口依据气固分离工艺的要求分别采用有灰斗或无灰斗结构。但灰斗是否存在对旋风分离器内部流场影响的研究尚显不足。为此,采用热线风速仪对排尘口有灰斗和无灰斗的旋风分离器气相流场的切向速度进行了测量。结果表明旋风分离器内旋转流具有较强的不稳定性,表现为瞬时切向的速度低频高幅值波动变化。灰斗的存在进一步导致了排尘口附近瞬时切向速度的强烈波动。通过对瞬时切向速度的频谱分析表明,有灰斗结构的旋风分离器瞬时切向速度有2个主频,分别是存在于整个空间的全空间主频和出现在锥体下端排尘口附近区域的局部主频。无灰斗结构的旋风分离器仅有1个全空间主频。全空间主频是气体旋流中心围绕旋风分离器几何中心摆动造成的,而局部主频是灰斗气体回流造成的。灰斗气体回流主频与全空间旋转流摆动的主频叠加形成了锥体下端排尘口附近区域瞬时切向速度的2个主频。     

旋风分离器有无灰斗对气相流场动态特性的影响

旋风分离器底端的排尘口依据气固分离工艺的要求分别采用有灰斗或无灰斗结构。但灰斗是否存在对旋风分离器内部流场影响的研究尚显不足。为此，采用热线风速仪对排尘口有灰斗和无灰斗的旋风分离器气相流场的切向速度进行了测量。结果表明旋风分离器内旋转流具有较强的不稳定性，表现为瞬时切向的速度低频高幅值波动变化。灰斗的存在进一步导致了排尘口附近瞬时切向速度的强烈波动。通过对瞬时切向速度的频谱分析表明，有灰斗结构的旋风分离器瞬时切向速度有2个主频，分别是存在于整个空间的全空间主频和出现在锥体下端排尘口附近区域的局部主频。无灰斗结构的旋风分离器仅有1个全空间主频。全空间主频是气体旋流中心围绕旋风分离器几何中心摆动造成的，而局部主频是灰斗气体回流造成的。灰斗气体回流主频与全空间旋转流摆动的主频叠加形成了锥体下端排尘口附近区域瞬时切向速度的2个主频。     

RSM与LES模拟旋风分离器流场动态特性的对比分析

为评价雷诺应力模型(RSM)与大涡模拟(LES)两种方法计算旋风分离器动态流场的精度,利用FLUENT14对旋风分离器内气相动态流场特性进行数值模拟及分析,考察了两种方法计算得到的瞬时切向速度分布、切向速度脉动强度及切向速度频谱特性。计算结果与热线风速仪(HWA,Hot-wire anemometer)测量的切向速度数据进行无量纲对比表明,在时均切向速度上,LES的模拟结果比RSM的准确性高;在瞬时切向速度上,LES预测的瞬时切向速度可以反映旋流摆动造成的切向速度的波动特性,呈现出接近实验测量值的高频速度脉动变化;而RSM难以预测瞬时切向速度的波动变化,仅给出低频小幅值的波动。因此采用LES预测旋风分离器流场能够捕捉动态信息,揭示流场的动态特性。     

旋风分离器气相旋转流流场动态特性的研究进展

旋风分离器的气相旋转流场对颗粒的分离过程有重要影响。本文指出实验测量和数值模拟表明这种流场具有很强的动态特性,表现为速度和压力随时间的低频高幅脉动变化。但以往的研究主要关注流场的稳态时均特性,缺少对流场动态特性的研究。旋风分离器内流场动态特性主要产生于旋转流的旋转中心围绕着几何中心作随机摆动,由此造成了流动参数的脉动和湍流强度的急剧增大,也导致了对时均流场中一些现象的分析不清晰。此外,由于各种气固分离模型没有考虑流场的动态效应造成了计算结果不够准确。文章指出目前这种流场动态特性主要是实验测量分析,数值模拟方法尚难以准确描述,还需在计算模型上改进。开展流场动态特性的研究对开发高效低阻旋风分离器和改进其分离性能是非常必要的。     

径向入口结构的旋风分离器内三维流场的数值研究

采用雷诺应力模型(RSM)对径向入口结构的旋风分离器内气相流场进行了数值模拟。不同于传统的切向入口结构,径向入口设计使得新型旋风分离器在保证较高分离效率的同时更能适应高压下的作业,且降低了工程焊接难度。通过模拟结果与实验值的对比发现,RSM模型能很好地预测新型旋风分离器内部气相流场,且模拟结果表明:旋风分离器内部流场呈现非轴对称性,主要表现为沿轴向气流的旋转中心与旋风分离器的几何中心不重合,且在分离空间内各轴截面出现具有周期性的摆动涡核。分离空间内切向速度场以0.8倍升气管直径为边界,呈现自由涡与强制涡结合的兰金涡形式,随着入口角度和升气管直径比(dr=dr/D)的减小,切向速度增大,内外旋流区也随之变化。此外,升气管内切向速度呈"U"形分布,由于速度分布中心不断发生变化,亦存在摆动涡核且摆动频率较分离空间的大。     

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%。     

旋风分离器内旋转流偏心旋转对速度计算的影响

采用Fluent软件对旋风分离器内流场进行了数值模拟,结果表明其旋转流存在着偏心旋转现象,即旋转流的旋转中心与旋风分离器的几何中心不重合。用CFD计算旋风分离器内强旋流的三维速度是基于旋风分离器的几何中心给定的,而进行气固分离计算用的三维速度是基于旋转中心的,二者之间存在着一定的差别,尤其是径向速度分布上有很大的不同。这就需要对基于几何中心的旋风分离器内旋转流的三维速度值进行修正,将参考几何中心计算的流场变换为参考旋转中心的流场。在旋风分离器流场数值模拟的基础上,分析了基准不同所产生的三维速度分量之间变化,给出了将参考几何中心计算的流场换算到参考旋转中心的流场的方法。     

Experimental study of gas swirling flow instability characteristics in a cyclone using the hot-wire anemometry technique

The instability characteristics of gas swirling flow in a cyclone were investigated experimentally by measuring the instantaneous tangential velocity with the hot-wire anemometry. The results showed that the instantaneous tangential velocity fluctuated continuously with time at both low and high frequencies. Further analysis of measured data regarding time and frequency domain by probability density and spectral methods revealed that the velocity fluctuation was affected not only by the turbulence flow itself but also by gas swirling flow instability. Also, the distributions of dominant frequency and amplitude indicated that low-frequency velocity fluctuation caused by the instability had the transfer behavior and attenuation character, which could be characterized by the dominant frequency that varied little along the radial position and decreased gradually along the axial direction, while the amplitude increased significantly with decreased radial position. Due to the gas swirling instability, the turbulence intensity and the fine particle diffusion were enhanced, which would degrade the separation efficiency of cyclone.     

旋风分离器内旋转流的不稳定性

<正>引言旋风分离器内的流场是一个复杂的旋转流流场,以往的流场研究主要集中在稳态流场的时均特性上,重点关注流场的时均速度分布和湍流特性方面,从实验测量和模拟两方面进行,而对瞬态速度的分析不够,对流场的不稳定性尚缺乏分     

Stereoscopic PIV studies on the swirling flow structure in a gas cyclone

Understanding the swirling flow in a gas cyclone is of great importance in improving the cyclone design. Once the three-dimensional strong swirling flow is fully understood, cyclone performance such as pressure drop and separation efficiency can be improved by optimizing the cyclone design. The swirling flow was investigated by the stereoscopic particle image velocimetry (Stereo-PIV) in this work. The instantaneous whole-field tangential, axial, and radial velocities were measured simultaneously in the cylindrical and conical separation zone, and in the dust hopper area of the cyclone with gas inlet velocity of .The time-averaged flow pattern in the cylindrical and conical sections of the cyclone showed: a typical Rankine vortex with inner quasi-forced vortex and outer quasi-free vortex which is generated by tangential gas velocity; inner upward flow and outer downward flow of axial gas velocity; and centripetal flow in the region close to the wall due to the presence of radial gas velocity. In the dust hopper, a secondary longitudinal circular flow is formed in the annulus area between the conical body and the cylindrical wall. Experimental results indicate that the separated particles may be re-entrained into the cyclone from the bin to degrade the separation efficiency of the cyclone.     

旋流数为1.0的强旋湍流两相流动的PDPA实验

采用相位多普勒颗粒测速仪 (PDPA)对旋流数为 1 0的轴向和切向进风的圆柱形旋风筒内强旋湍流气粒两相流动进行了测量研究 ,并与旋流数为 0 47、 1 5和 2 0 8的实验结果进行了对比分析 ,指出了旋流数变化对两相流场及两相湍流特性的影响 .     

旋风分离器内旋进涡核的PIV显示

The precessing vortex core (PVC) in a cyclone separator plays an important role in the separation performance and in further understanding of the general law of periodic unsteady flow therein. In this paper, the unsteady flow field is investigated with particle image velocimetry (PIV), and the instantaneous velocity, vorticity,tangential velocity, and radial velocity are acquired by analyzing the images of instantaneous flow. It is for the first time reported that there is a centrifugal flow region close to the dust discharge zone and its maximum value is higher than the mean radial velocity. This discovery is very important for understanding the principle of separation of particles in the area of dust discharge. Determination of the frequency and amplitude of PVC was conducted in the region where the phenomenon of PVC is remarkable. Results agree well with those obtained by hot wire anemometry. The observations of the center of “cortex core and the bimodal distribution of the amplitude of the PVC indicate the vortex core precesses around the geometric axis of the cvclone in its own way.     

基于Fluent软件数值分析新型旋风筒气固两相流场

采用Fluent软件模拟一具有倾斜顶板、过渡性蜗壳、偏心内筒和倾斜出口的旋风筒的气相流场及颗粒运行轨迹。模拟过程中气体的湍流流动采用RNG k-ε数学模型,生料的颗粒运动采用颗粒随机轨道模型。结果表明：该旋风筒有强涡旋流动,中心区域明显有一气芯柱,近似为入口处速度的2倍;切向速度分布为不对称的驼峰型;蜗壳部位有径向速度分布;该结构更有利于颗粒的气固分离。