蜗壳式旋风分离器内部流场空间的涡分析

为了研究旋风分离器内部空间涡的特性,采用改进的RNG k-ε模型对单入口蜗壳式旋风分离器进行气相流场数值模拟。同时,引入Q判据识别涡的结构,并做出三维涡等值面,使空间涡的结构更加直观和具体;结果表明,利用Q判据做出的涡等值面在筒体上部区域等效直径较大,沿轴线向下,涡面等效直径逐渐减小,表明涡携带能量逐渐衰减;涡等值面并不是绕中心轴线呈规则圆周分布,而是扭曲的。在边壁处,因摩擦阻力存在,涡量急剧变小,涡的能量损失加剧。此外,涡核中心偏离几何中心的变化趋势,呈现先增大后逐渐减小直至较为平稳的过程,在此过程中,涡迅速发展,甚至破裂,产生动能损失。因此,提高涡结构的平衡,有利于改善旋流的不稳定性,降低能量损失,从而提高分离效率。     

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。     

旋风分离器入口形式对内流场非稳态特性的影响

旋进涡核（PVC）现象会削弱旋风分离器对细颗粒的捕集效率。利用数值模拟方法研究纯气相流场中涡核的运动频率和偏心程度。结果表明：随着蜗壳包角的增大,排尘口截面涡核的运动频率和偏心程度都逐渐减小,PVC现象被削弱,蜗壳包角大于270°以后,纯气相流场中的PVC现象基本消失。入口切进度对排尘口截面涡核运动特性的影响会因蜗壳包角而有所不同。相比于入口结构的对称性,涡核偏心程度与下行气流的能量损失相关性更强。下行气流的能量损失越多,下行期间汇入内旋流的气流能量越高,内旋上行气流受到的横向扰动越大,汇入气流的能量超过某一阈值后,引发涡核摆动。而涡核旋转频率受下行气流能量损失的影响则较小。     

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     

旋风分离器内气固两相流动特性的模拟研究

通过数值模拟对旋风分离器内的气固两相流动进行研究。采用RSM湍流模型和DPM两相流模型分析旋风分离器内的气固两相流动特性。旋风分离器内的气流切向速度呈中心准强制涡、外侧准自由涡的双涡分布,分界面大约在0.8倍排气管半径处;气流轴向速度呈中心上行、外侧下行的双行流分布,分界面即零速包络面大约与排气管直径一致;小粒径颗粒的运动具有随机性,粒径大于7μm的颗粒可以完全被捕集分离;流动的非轴对称特性和顶灰环对气固分离不利,应给予重视。     

旋风分离器排气管结构优化数值模拟研究

为验证新型分离器(其结构特点为排气管带有扩展角β)的可行性,采用雷诺应力模型对不同扩展角旋风分离器的流场进行三维数值模拟研究。结果表明:新型分离器内各截面上不同扩展角对应的内旋流切向速度分布基本一致,而外旋流的切向速度随着扩展角的增加而逐渐减小,但变化幅度不显著,且随着扩展角的增加,内旋流与外旋流之间的速度差减小,降低了内外旋转流动的摩擦损失;新型旋风分离器在4个截面上,Ⅱ区域和Ⅳ区域内的轴向速度随着扩展角的增加而减小,携带颗粒的气流停留时间增加,有利于颗粒的分离,且其轴向速度峰值之差减小,气流在旋转运动过程中的能量损失减小;在Ⅳ区域内,其回流速度随着扩展角的增加而减小,降低了内旋流的涡团能耗;短路流动和湍动能随着扩展角的增加而增大,只有排气管扩展角β为5.7°时的流场分布较为合理;其静压力损失随着扩展角的增加而降低。     

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%。     

旋风管分离器流场模拟研究

旋风管作为多管式旋风分离器的主要元件,已经成为气固两相分离的重要研究对象,主要用于处理气量较大且对分离效率要求较高的工况。本文采用大涡模拟的方法考察了分离器内切向与轴向速度分布形态的影响。模拟结果表明：在一定程度上加长排气管的插入深度对分离效率的提升是有益的;旋风管筒体太长对分离效率的提高作用不大;增大排气管直径有助于降低降压。     

旋风分离器入口形式对内流场非稳态特性的影响

旋进涡核(PVC)现象会削弱旋风分离器对细颗粒的捕集效率。利用数值模拟方法研究纯气相流场中涡核的运动频率和偏心程度。结果表明:随着蜗壳包角的增大,排尘口截面涡核的运动频率和偏心程度都逐渐减小,PVC现象被削弱,蜗壳包角大于270°以后,纯气相流场中的PVC现象基本消失。入口切进度对排尘口截面涡核运动特性的影响会因蜗壳包角而有所不同。相比于入口结构的对称性,涡核偏心程度与下行气流的能量损失相关性更强。下行气流的能量损失越多,下行期间汇入内旋流的气流能量越高,内旋上行气流受到的横向扰动越大,汇入气流的能量超过某一阈值后,引发涡核摆动。而涡核旋转频率受下行气流能量损失的影响则较小。     

旋风分离器入口结构影响的研究现状与进展

综述了近年来关于入口结构包括入口结构类型、入口截面形状以及入口下倾角度等对旋风分离器性能影响的研究。认为不同的入口结构参数设计对旋风分离器的性能及能耗有较大影响;随着入口数量增多,分离器压降降低,分离效率先升高后减少,双进口分离器的性能较优。入口截面形状采用倒三角形有利于提高分离效率,但压力损失增加;对于矩形入口旋风分离器,增大高宽比有利于提高分离效率,但也会增大压力损失。随着入口截面角的增加,压力损失降低,分离效率先升高后减小,存在有最优的入口截面角;螺旋下倾角能够改善旋风分离器的分离性能,降低压力损失并有效减少上灰环现象的发生。     

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.     

浸没式撞击流反应器流场涡特性的数值研究

利用大涡模拟（LES）方法研究了撞击流反应器内流场涡特性,分析撞击区域流体流动特征。改变进口速度、喷嘴间距,讨论流场速度、涡量和平面涡能量分布规律,并分析了流场流型、涡演化过程和涡核形式。在反应器内靠近撞击驻点的涡尺寸小、脉动性高,随着撞击距离的增加,流体速度逐渐减小,涡影响范围变大。平均涡量和平均涡能量随进口速度的增加,先增加后减小。结合Q判据分析了反应器内涡的演化过程和流体流型。根据径向射流涡的演变过程,得到径向射流两侧涡演化的周期,在0.15~0.20 s之间。撞击区的涡结构主要为马蹄涡和肋状涡,在出口位置存在涡环。研究结果为深入分析撞击流反应器流体运动规律和优化反应器提供了理论参考。     

浸没式撞击流反应器流场涡特性的数值研究

利用大涡模拟（LES）方法研究了撞击流反应器内流场涡特性,分析撞击区域流体流动特征。改变进口速度、喷嘴间距,讨论流场速度、涡量和平面涡能量分布规律,并分析了流场流型、涡演化过程和涡核形式。在反应器内靠近撞击驻点的涡尺寸小、脉动性高,随着撞击距离的增加,流体速度逐渐减小,涡影响范围变大。平均涡量和平均涡能量随进口速度的增加,先增加后减小。结合Q判据分析了反应器内涡的演化过程和流体流型。根据径向射流涡的演变过程,得到径向射流两侧涡演化的周期,在0.15~0.20 s之间。撞击区的涡结构主要为马蹄涡和肋状涡,在出口位置存在涡环。研究结果为深入分析撞击流反应器流体运动规律和优化反应器提供了理论参考。     

涡流管内流动与传热数值模拟

引言 涡流管具有结构简单、无运动部件、运行可靠、系统体积超小等特点,在有特殊要求冷却或制热需求的领域,有着极为广泛的应用前景[1].尽管涡流管结构极为简单,但是发生在涡流管内部的能量分离现象则极为复杂,至今仍没有一种精确的理论能够解释其能量分离机制.     

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。     

不同排尘结构对导叶式旋风管内气固两相流动影响的数值研究

通过数值模拟的方法对3种不同排尘结构的导叶式旋风管内气固两相流场进行了研究。结果表明,直筒型排尘结构的排尘口处上、下行流交错容易产生返混夹带现象,对细颗粒的分离不利;锥形排尘结构可以增加旋风管内气流旋转强度,控制进入灰斗的下行气量,有利于分离效率的提高,但排尘锥内部存在环形旋涡,易磨损器壁;在排尘锥侧面开缝,可改善旋风管内流动分布状态,实现排尘区气固两相分流,进入灰斗内的气流更加稳定,从而有效减少颗粒返混夹带,提高旋风管分离性能。     

双组水平喷嘴撞击流反应器流场POD分析

利用二维高速粒子图像测速技术研究双组分层水平对置撞击流湍流场,考察了双组喷嘴在不同Re、不同直径及上下径向射流不同工况下的流动结构,对速度场进行POD分解,提取流场中含能大尺度结构。结果表明,低阶本征模态拥有大尺度涡旋结构,流场涡旋结构明显,瞬时流场能量主要集中在一阶模态,易于描述整个流场的流动特征,脉动场的模态重构可以准确还原流场中的涡结构。L=3d工况下,不对称流场能量高于对称流场;低阶模态能量随喷嘴Re的增大而增大,而随喷嘴直径增大呈先递增后递减的趋势,直径d=10 mm的工况下所对应的一阶模态能量最高,涡强最大。     

三维凹壁面切向射流流动特性分析

在立式圆筒体分层器内设置半圆形截面切向入口，形成三维凹壁面切向射流，以提高非均相物料机械分离效率。为了揭示三维凹壁面切向射流流动机理，利用示踪剂浓度实验和大涡模拟研究了凹壁面切向射流流动特性，并对浓度场沿流向和展向扩展进行了评价。研究结果表明，示踪剂浓度半值宽随着入口Reynolds数的提高扩展范围增加，流向扩展率为0.019～0.033，展向扩展率为0.079～0.161。在离心力作用下，入口周向60°范围内浓度半值宽沿流向收缩至射流宽度的2/3。圆筒体内壁面存在多个周向滚动发展的流向涡旋，但无展向涡旋。切向速度半值宽和涡量边界值在流向涡旋中心位置出现峰值，展向无明显波动。入口周向180°范围内，未发现二次流涡旋，沿射流流向的切向速度半值宽与圆筒体半径之比小于0.1，未达到离心不稳定性二次流的形成条件。凹壁面切向射流有效降低了涡旋对分层器内主流体的扰动。     

Analysis of the nutation and precession of the vortex core and the influence of operating parameters in a cyclone separator

Vortices motion in the anisotropic turbulent flow of cyclones makes a vital impact on flow stability and collection performance. Nevertheless, there remains a lack of clarity in the overall feature of vortices motion. In this work, a numerical analysis was conducted to clarify the complex motion of the vortex core in a cyclone separator. The validity of the numerical model was demonstrated by comparing the computational results with experimental data in the literature. As revealed by the results, the vortex core not only has a precession motion about the geometrical center axis but also does a nutation motion in the axial direction. The frequencies of the precession motions show two main peaks. And the magnitudes of the precession and nutation motions have non-uniform distributions in the cyclone. Moreover, the precession-nutation motions of the vortex cores exhibit a similar fluctuant pattern to the dust ring on the separator wall. The inlet gas velocity and the inlet solid loading show vital effects on the magnitudes and frequencies of precession and nutation motion.