采用Adomian逆算符方法对环流循环除尘系统分离柱内旋风流场的分析

由柱坐标系下的Navier-Stokes方程出发,建立了环流循环除尘系统分离柱内旋风流场的数学模型,利用对求解非线性微分方程非常有效的Adomian分解法——逆算符方法对流场进行求解,给出了三维流速(径向、切向和轴向)的解析表达式。     

环流循环除尘系统中的流场优化

对环流循环除尘系统中的流场进行了优化。以分子筛-空气为实验物系,测定了加旋流板前后的环流循环除尘系统的除尘效率和压降。结果表明,加旋流板后环流循环除尘系统的除尘效率显著提高。在入口气速低于23m·s-1时旋风除尘系统的压降稍有增加,而在入口气速大于23m·s-1时旋风除尘系统的压降则略有下降。     

环流循环除尘系统的流场与性能

开发了环流循环除尘系统,建立了该系统分离柱内速度场模型,并结合大涡模拟对分离柱内的切向速度及静压分布进行模拟.测定了环流循环除尘系统分离柱内的静压场分布和流速场分布,并以分子筛-空气为实验物系测定除尘效率和压降.结果表明,流速场分布与模拟结果基本吻合.环流循环除尘系统的除尘效率接近布袋和静电除尘的水平,可用于除去工业窑炉烟气中的亚微米粉尘;压降仅比常规型除尘器的单台压降高60%左右.     

大型环流式旋风除尘器流场模拟

采用CFD模拟软件Fluent6．2提供的雷诺应力模型（RSM）对大型环流式旋风除尘器内的流场进行了数值模拟研究。结果表明：大型环流式旋风除尘器避免了顶部灰环,降低了设备的压降。但由于放大效应,内部流场出现局部涡,造成除尘效率降低,通过对顶部、灰仓等部位改进后,局部涡明显减少,除尘效率提高3％～6％。     

环流式旋风除尘器的应用

环流式旋风除尘器取代普通旋风分离器减小了管道阻力．减轻了过滤系统负荷,提高了分离效率,降低了艄耗。     

环流式旋风除尘器的工业应用

本研究工作在实验室研究的基础上 ,对环流式旋风除尘器进行工业放大 ,并对工业环流式旋风除尘器的分离效果和压降进行了测试。工业应用表明 ,环流式旋风除尘器处理量大 ,操作稳定 ,放大效应小 ;工业环流式旋风除尘器与常规型旋风除尘器相比 ,用于合成氨造气和复合肥车间干燥窑炉除尘的效率提高了 15 % ,压降降低了 4 0 %左右     

环流循环除尘系统的开发(Ⅱ)设备内的静压分布

测定了环流循环除尘系统内的静压分布.实验物系为空气,入口气速为20～40m/S.实验结果表明静压分布呈轴对称分布.轴心处静压最低,随半径增大而增大;半径较小处,变化较大;半径较大时,静压基本不变.随轴向高度增加,静压分布不稳定.锥体底部静压沿径向基本不变.     

环流式旋风除尘器在合成氨造气系统中的应用

本研究工作测试了环流式旋风除尘器的分离效率和压降。结果表明，环流式旋风除尘器处理量大，操作稳定，放大效应小；工业环流旋风除尘器与常规型旋风除尘器相比，用于合成氨造气系统除尘的效率提高了15％，压降降低了40％左右。     

循环旋风分离器内气液两相流动数值模拟

采用雷诺应力模型RSM对循环旋风分离器内气液两相流动的情况进行了数值模拟研究,讨论了循环旋风分离器内切向速度、轴向速度、径向速度、压力场、雷诺应力的分布特点以及相同入口速度下分离器内液滴运动轨迹与分离器的分离效率。数值模拟结果表明,循环旋风分离器切向速度呈现明显的驼峰状,轴向速度上行流和下行流明显,径向速度相对较小,压力由轴心向外逐渐升高,雷诺应力分布复杂且无明显规律,分离器对小直径液滴分离效率较低,入口速度对分离效率的影响比较明显。     

环流循环除尘系统的开发(Ⅰ)除尘系统的性能

针对亚微米粉尘的除尘开发出了环流循环除尘系统.实验测试了环流循环除尘系统、环流式旋风除尘器、常规型除尘器的效率和压降.结果表明,环流循环除尘系统对分子筛的除尘效率达到了97%以上,分割直径d50为0.33～0.65μm,明显地高于B型和环流式旋风除尘器,压降小于3000Pa,只比B型旋风除尘器的单台压降高60%左右.     

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。     

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.     

排气管尺寸对旋风分离器流场影响的数值模拟

用雷诺应力湍流模型（RSM）模拟研究旋风分离器排气管尺寸对旋风分离器流场的影响.结果表明：单入口旋风分离器的非轴对称性在环区更明显;在排气管壁存在滞流区,排气管尺寸减小,该滞流区变薄;在分离区,De/D≥0.4时,旋风分离器的中心位置存在向下旋流,该旋流造成一定返混,对提高旋风分离器效率不利;随着De/D的减小,内旋流切向速度提高,中心处的向下旋流速度减小,总压降大幅提高;当De/D=0.3时,中心处向下旋流消失,提高了分离效率.     

带有减阻杆的旋风分离器内气体流动分析

利用激光多普勒测速仪(LDV)对装有减阻杆的旋风分离器内流场进行了详细测量,根据流场分布的特点发现在减阻杆后存在明显的绕流尾涡区.对比实验的结果表明不同结构型式的减阻杆后绕流尾涡区的流动分布不同,其中减阻杆的迎风宽度及形状对减阻杆后绕流尾涡区的流动分布有明显影响.由于减阻杆的迎风宽度及形状与减阻性能有关,因此通过对减阻杆后绕流尾涡区的流动分析可以进一步揭示旋风分离器内减阻杆的减阻机理.     

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。     

天然气脱蜡旋风分离器分离效率的模拟

旋风分离器分离效率高,不易堵塞,用于天然气脱蜡效果显著。通过CFD软件Fluent模拟CYG-S型天然气脱蜡旋风分离器的两相流场,得到了旋风分离器内的压力、切向速度、轴向速度分布。对比了不同入口速度下的模拟与理论计算的分割粒径x50,发现具有很好的吻合度,两相模拟有一定的可靠性。结果表明：在旋风分离器锥段底部靠近壁面处的石蜡液滴质量浓度较高;随着进口流量的增加,旋风分离器分离效率提高,当进口流量为1000 m3/h时,x50可以达到5.3 μm;大粒径液滴的分离效果明显,但在所研究的进口流量范围内,进口流量的变化不能明显地影响粒径小于5 μm液滴的分离效率;柱段和锥段长度的增加使得旋风分离器的整体长度增加,延长了液滴在旋风分离器内的停留时间,提高了旋风分离器的分离效率。     

双循环旋风分离器除尘机理的数值模拟

双循环旋风分离器通过将主进口设置在筒体中部,将顶部进气口设置为回流口,消除了进气口附近的二次流,避免了短路流,将大于3μm颗粒的分离效率提高至接近100%,并避免了少量11—15μm颗粒的短路逃逸。为了探索该设备的除尘机理,借助CFD软件,通过数值模拟研究的方式,辅助分析了2种进气口在分离性能上不同,传统旋风分离器不能完全分离3—8μm和11—15μm颗粒的机理,以及消除二次流的方法。计算结果表明:当回流气速低于主进气速时,会产生类似于顶端进气口的现象,即二次流、灰环和短路流,降低了小于6μm颗粒的分离效率。当回流气速略大于主进气速时,可以完全消除主进气口附近的二次流,使得所有粒径颗粒的分离效率都较高。模拟结果与实验结果从定性的角度符合较好。     

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。     

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。