旋风分离器内旋进涡核的实验研究

采用热线风速仪测速,ＦＦＴ 变换处理数据的方法,研究直切式旋风分离器内旋进涡核（ＰＶＣ） 现象。研究表明,涡核旋进运动主要存在于排尘口附近区域内,其频率接近为一常数,且与入口气速成正比,在排尘口附近,涡核形成高强度的偏心摆动。     

环流式旋风分离器旋进涡核的数值分析

采用雷诺应力模型对环流式旋风除尘器中三维非稳态流场进行了数值模拟计算.分析了环流式旋风分离器中旋进涡核的频率及幅值沿径向和轴向的变化规律.比较了环流式旋风分离器与 DⅢ型旋风分离器中旋进涡核的特征参数.结果表明:环流式旋风分离器与 DⅢ型旋风分离器相比,环流式旋风分离器中的旋进涡核平均波动频率降低了58%,最大波动幅值减少26%.     

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。     

旋风分离器旋进涡核的数值模拟

采用雷诺应力模型对旋风分离器内三维非稳态流场进行了模拟计算。结果表明,旋风分离器全空间内都存在旋进涡核现象。对旋进涡核现象和旋进涡核中心的运动规律进行了详细的描述,分析了不同轴向位置的旋进涡核区域内不同点的速度波动幅值和频率,得到了旋进涡核影响范围以及速度波动规律;通过分析旋进涡核中心的运动频率,得到了旋进涡核出现的强度。模拟结果与采用热线风速仪以及激光粒子成像技术(PIV)测定的实验结果基本吻合。研究结果可以分析旋进涡核对分离效率和压降的影响。     

两级串联旋风分离器旋进涡核现象的数值模拟

针对旋风分离器的内部涡核随时间发生周期性振荡,采用雷诺应力模型(RSM)对两级串联旋风分离器内三维非稳态流场进行模拟计算,对比分析1、2级分离器内压力脉动规律。结果发现:1、2级分离器内脉动主频一致,但第2级分离器内存在较高的二倍频和三倍频;随着轴向高度的降低,1、2级旋进涡核的摆动幅度逐渐减小;入口气速的提高会增加1、2级分离器旋进涡核的频率及幅度。模拟结果与工业现场测得结果基本吻合。研究结果对两级串联旋风分离系统的改进有重要意义。     

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%。     

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。     

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。     

旋风分离器环形空间壁面磨损的数值研究

采用包括流场计算、颗粒轨迹追踪和磨损值计算的数值模拟方法,研究了气固两相流对不同入口结构旋风分离器环形空间壁面磨损情况,计算得出的气相时均速度以及环形空间磨损区域与实验结果基本吻合。计算结果表明,不同入口结构分离器环形空间壁面都是以"局部磨损"为主,但磨损区域略有不同。在圆周方向上,蜗壳式入口结构壁面磨损主要发生在60°~200°,其中90°~180°磨损最为严重;单入口直切式结构磨损范围较广,主要集中在60°~210°;双入口直切式结构壁面磨损在环行空间分成两个区域,分别集中在60°~120°和240°~300°,磨损相对均匀;环形空间壁面磨损率沿周向的变化曲线完全不同,最大磨损率的周向位置也各不相同,蜗壳式结构最大磨损率相对较小。通过研究找到了一种有效的计算分离器壁面磨损的方法;改变分离器入口结构,可以改善环形空间壁面磨损情况,为分离器环形空间的防磨提供依据。     

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.     

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.     

CFB用旋风分离器内气相流场的数值研究

采用RSM非稳态湍流模型对循环流化床锅炉用旋风分离器内气相流场进行了数值模拟。计算值与实验值比较吻合。数值计算的结果表明:排气管下口存在明显的短路流,排尘口附近存在明显的返混现象;排气管直径增加,分离空间切向速度值降低,上行流轴向速度减小。用CFD方法计算的旋风分离器内流场可为高效CFB锅炉用旋风分离器的设计提供参考依据。     

轴对称进口回转通道对旋风分离器分离特性影响的研究

针对单进口旋风分离器内气流轴不对称问题,将单进口旋风分离器入口方式改造为轴对称型回转通道形式（即采用双进口与单进口等长通道长度的新型切向进气方式）,从旋风分离器的进风量、入口含尘量及阻力损失等方面,分析了轴对称型进口回转通道对旋风分离器分离特性的影响。分级分离效率的试验与计算结果表明,新型旋风分离器的分离性能不仅优于单进口,而且稍优于Ｓｔａｉｒｍａｎｄ高效旋风分离器     

Design and performance evaluation of vacuum cleaners using cyclone technology

A cyclone technology for a vacuum cleaner—axial inlet flow cyclone and the tangential inlet flow cyclone — to collect dusts efficiently and reduce pressure drop has been studied experimentally. The optimal design factors such as dust collection efficiency, pressure drop, and cut-size being the particle size corresponding to the fractional collection efficiency of 50% were investigated. The particle cut-size decreases with reduced inlet area, body diameter, and vortex finder diameter of the cyclone. The tangential inlet twin-flow cyclone has good performance taking into account the low pressure drop of 350 mmAq and the cut-size of 1.5 μm in mass median diameter at the flow rate of 1 m³/min. A vacuum cleaner using tangential inlet twin-flow cyclone shows the potential to be an effective method for collecting dusts generated in the household.     

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。     

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。