基于CFD的旋风分离器的结构优化设计

应用计算流体力学软件FLUENT对旋风分离器进行三维气固两相流场的数值模拟。根据不同结构参数(排气管直径、排气管插入深度以及锥体和筒体的相对尺寸)的旋风分离器内部流场模拟结果,分析了不同参数对分离效率和压降的影响,得到旋风分离器的最优结构参数,并对最优结构参数的旋风分离器动、静压力和三维速度进行数值模拟和分析。     

方形旋风分离器数值模拟研究

针对圆形旋风分离器空间利用率不高,安装后密封性能低等问题,提出一种柱锥式方形旋风分离器,并通过数值模拟对其流动特性、分离性能的影响机理进行研究。采用雷诺应力模型(RSM)和随机轨道模型(DPM),重点分析了该结构方形旋风分离器不同流量下流场压力分布和速度分布,及颗粒入射位置对颗粒运动轨迹的影响。结果表明:该结构旋风分离器流场特征与圆形旋风分离器近似,存在对分离性能有较大影响的二次流。在分离效果损失不大的情况下,在空间利用和安装排布上有明显优势。     

基于回归正交试验的旋风分离器结构优化研究

针对旋风分离器多结构参数变化,选取影响旋风分离器性能较大的4个结构参数作为优化变量:圆柱体高度H/D、排气管直径d/D、排气管插入深度h/D、锥体高度He/D。以回归正交试验法为实验方案,做36组仿真模拟实验。采用湍流计算的雷诺应力模型(RSM)进行气固两相流场数值模拟,并用拉格朗日法追踪固体颗粒的运动轨迹;在此基础上分别建立了旋风分离器压降和分离效率对其结构参数的回归数学模型;根据回归数学模型针对结构参数对旋风分离器的压降和分离效率的影响程度进行了分析,得出影响压降的最主要因素是升气管直径(随着升气管直径增大压降显著减小)、影响分离效率的最主要因素是升气管直径和锥体段高度。     

基于响应面法的旋风分离器结构参数的优化

目前,旋风分离器的结构优化主要局限于控制变量法的单因素优化,不能准确反映综合因素条件下旋风分离器的分离效率,且结构间的细微变化及交互性难以操控,很难进一步提高其分离效率。为解决此问题,以催化裂化装置中的一级旋风分离器为研究对象,提出了基于响应面法的参数优化方法。以对分离效率影响显著的锥管段倾斜角度α、排气管插入深度s和排气管直径De为设计变量,以分离效率和压降为目标函数,优化了旋风分离器的结构参数。结果表明:利用响应面优化法将旋风分离器的分离效率由原来84.3%提升到90.4%,并对比分析了优化前后的速度、压降、分级分离效率等;响应面优化法可从全局角度智能的对结构参数进行优化组合,缩短CAD建模及网格划分时间,并可实现多参数条件下交互性的同时优化,有效提高工作效率;通过数值模拟与试验证明优化后的旋风分离器分离效率强于优化前,优化后的旋风分离器速度分布规律对称性好、速度差值大、分离效率高,同时能完成比优化前更小粒径(粒径=12μm)的完全分离任务。     

旋风分离器不同排气管形状对性能影响研究

目前针对旋风分离器排气管的研究主要围绕排气圆管直径与内伸长度进行,而排气管内伸部分形状变化对分离器性能有着重要影响。在一个标准Stairmand型分离器基础上,建立了排气管圆管直径变化和圆管内伸部分进行"内缩型"及"内扩型"改变等3组共9个分离器模型,采用流体力学方法计算其分离效率和压降,讨论不同模型性能之间的关系:分离器分离效率会随着排气管圆管直径的减小而明显提高,但压降也随之大幅增加,提升分离效率和减小压降构成矛盾的优化目标;当排气管直径大于0.4D后,排气管内伸部分"内缩型"改变可以提高分离效率,而"内扩型"改变会小幅度降低分离效率却较大幅度减小了压降。这为不同优化目标(提高效率或降低压降)的旋风分离器排气管结构设计提供参考依据。     

工作条件对轴流旋风分离器分离效率影响的数值研究

燃气轮机对进气质量的要求很高,低质量的空气进入燃气轮机不仅不能保证其正常的工作条件,还极易给燃气轮机带来不可恢复的损害,因此研制高效的燃气轮机进气滤清器成为一项十分重要的任务。为了研究轴流式旋风分离器在不同工作条件下的分离性能,通过数值模拟的方法,对多管式轴流旋风分离器的其中一个分离管进行研究,分析进气角度和集尘管进口扫气压力对不同直径颗粒的分离性能的影响,并探索灰尘颗粒在分离器中运动过程的物理机理。研究结果表明,适当的预旋角度会提高小直径颗粒的分离效率,而较大直径颗粒的分离效率反而有所降低;降低集尘管进口扫气压力会提高小直径颗粒的分离效率,对大直径颗粒的分离效果几乎没有影响。计算结果可为轴流旋风分离器的设计和工程应用提供理论指导。     

旋风分离器高温高浓度性能试验研究

为预测高温下浓度对旋风分离器分离性能的影响,选用一个直径为300mm的切流反转式旋风分离器在温度673K,入口浓度2-60g/m3范围内进行试验研究。试验用中位粒径为16.47μm的滑石粉作为粉料,试验测得了不同浓度下旋风分离器的分离效率与压降。结果显示,相同入口气液速度下,分离效率与压降均随浓度的升高而降低。     

喷油压缩机用旋风式油气分离器筒体尺寸设计方法

针对喷油压缩机系统用旋风式油气分离器筒体尺寸(直径和高度)设计基本依赖实际经验,缺乏理论依据的问题,提出了一种结合数值模拟的理论设计方法。通过理论计算可以得出设计分离器筒体直径的方法——依据切向速度关系曲线,通过选取合适的筒体直径而使外旋涡的平均切向速度大于临界切向速度。考虑到直筒形与筒锥形旋风分离器存在差异,借助数值模拟方法对理论计算的切向速度和有效分离高度进行了修正。建立了旋风式油气分离器的三维非稳态数值模型,其中气相流场采用RSM湍流模型,油滴运动轨迹采用离散相模型。计算了适用于额定工况下容积流量为6 m3/min、排气压力为0.8MPa(a)的空压机系统油气旋风分离器筒体尺寸,并计算分析了容积流量改变时(50%～100%)对分离器筒体尺寸的影响。最后经过数值模拟验证,结果表明所设计的分离器可对粒径为5μm以上的油滴完全分离。本方法适用于喷油压缩机系统中旋风式油气分离器的设计工作,也可以为其他场合应用旋风分离器作为设计指导。     

炼油装置旋风分离器结构的CFD优化

旋风分离器在炼油装置中的应用极为广泛,对旋风分离器的结构进行优化,使之达到最佳的操作性能是研究人员一直努力实现的目标。采用CFD软件分别从排气管直径、排气管插入深度、筒体圆柱段长度等多个方面来对炼油装置中的某个旋风分离器结构进行优化,以便能够提高旋风分离器的性能。     

基于CFD技术的旋风分离器减阻性能研究

利用雷诺应力模型对旋风分离器气相流场进行数值模拟研究，在此基础上对安装在旋风分离器排气芯管下口的双进口螺旋减阻装置进行了研究，并通过与直径为205mm的Stairmand旋风分离器和直径为150mm的Bohnet型旋风分离器的试验数据进行比较，结果表明，减阻装置可以使排气管下口切向速度降低，内外漩涡交接面半径明显外移，合理改变旋风分离器内部压力分布，能有效降低旋风分离器的压力损失35％以上。研究结果还表明，旋风分离器数值模拟结果和试验数据吻合较好，应用计算流体动力学（CFD）来研究旋风分离器性能方便且可行。     

颗粒物性参数对旋风分离器性能影响的试验研究

通过全面测定循环流化床锅炉用旋风分离器在不同操作参数下的分离效率,研究了入口气速和入口颗粒浓度、入口颗粒物性等参数对旋风分离器的压降和分离性能的影响规律.试验结果表明,影响旋风分离器分离性能的主要物性参数是颗粒的中位粒径和密度,在入口颗粒的中位粒径相差较大时,分离性能主要受粒径的影响,而当入口颗粒粒径相差较小时,密度对分离器分离性能的影响则更为显著.     

喉管直径对旋风分离器性能影响的仿真研究

采用数值模拟方法研究了在普通Lapple型(d/D=0.5)旋风分离器气流出口处外加不同直径的喉管结构对于其流场及性能的影响.采用雷诺应力模型(RSM)模拟旋风分离器内的各向异性湍流,同时采用拉格朗日颗粒追踪(LPT)模型计算颗粒运动.结果表明,喉管直径能有效控制内旋涡的大小,从而影响旋风分离器的性能.随着喉管直径减小...     

切流式双入口气液旋流分离器内的流动分析

针对切流式双入口气液旋流分离器的内部流动特征,利用Fluent软件进行计算分析,重点对分离器内部流动状态及湍流度进行分析,并考察入口流速对主要分离空间流动参数的影响。结果表明,切流式气液分离器内主要分离空间呈明显的组合涡分布,并且轴向零速包络面呈明显柱形,但分离器入口处能耗较大,排气管入口附近紊流现象严重,当入口流速增大时尤为明显。计算结果对气液旋流分离器的结构优化与性能预测具有指导意义。     

溢流管结构对三相分离器分离效率的影响

针对柱状气-液-固三相旋流分离器(GLSC)内部复杂的流场分布,借助CFD软件,研究了溢流口处气相体积分数和侧向出口处固相体积分数的分布趋势。通过数值模拟方法,得到了GLSC的气相、固相分布特点,分析了结构参数中溢流管直径Do和溢流管伸入长度Lo对GLSC分离性能的影响。在试验过程中,验证了结构参数的改变对于GLSC分离性能的影响。研究表明,入口流量为1.1m3/h时,该GLSC具有较好的分离效果。     

排尘口直径对旋风分离器壁面磨损影响的数值模拟

基于计算流体动力学(Computational fluid dynamic,CFD)的数值模拟方法,在FLUENT软件平台上,应用雷诺应力模型、离散相模型和磨损值计算模型系统地研究排尘口直径对旋风分离器壁面磨损的影响。计算结果表明,旋风分离器壁面磨损的整体变化趋势不随排尘口直径的改变而变化,都呈现局部磨损的形态。排尘口直径减小,环形空间壁面磨损值保持不变,分离空间壁面磨损值有不同程度的增加,在锥体末端附近增加幅度最大,而这种变化主要是由于排尘口直径变化后分离器内部流动结构的变化引起的。分离空间锥体末端附近壁面的严重磨损主要受气固两相的旋转速度、颗粒浓度、旋进涡核和颗粒受力情况的影响。通过研究揭示合理地进行结构设计在减少磨损中的重要作用,为旋风分离器壁面的防磨提供数值试验方法和依据。     

直流式旋风分离器参数优化仿真与试验

为了在产品方案设计阶段验证直流式旋风分离器性能,利用罗辛-拉姆特函数对试验粉尘(ISO 12103-A4)粒径分布进行拟合。利用Fluent软件对直流式旋风分离器进行性能仿真,为满足分离效率不低于85%,降低流阻的需求,利用Optislang软件对旋风分离器结构参数进行优化,结果表明:粉尘平均粒径为42.27 μm,粒径分布指数1.126;分离器入口粉尘浓度由1%增至5%,分离效率不变,流阻由31.09 kPa增大至31.45 kPa;旋流叶片螺距对流阻敏感度为99.7%,对分离效率敏感度为94.3%,旋流叶片长度对流阻不敏感但对分离效率有5.8%的敏感度;通过匹配旋流叶片螺距及叶片长度,实现流阻由31.09 kPa降到12.12 kPa,分离效率仅降低4.01%。
     

PV-E型旋风分离器性能试验研究

在PV型旋风分离器流场和浓度测定的基础上，分析了影响分离性能的主要因素。通过采用分流型排气管、预排尘结构以及优化高径比等措施，开发出了一种压降更低、效率更高的PV—E型旋风分离器。冷态试验结果表明，与PV型旋风分离器相比，PV—E型旋风分离器的出口浓度和压降分别降低约10％和20％。PV—E型旋风分离器的优良性能也得到了放大试验和实际应用的证实。     

高压天然气田用旋风分离器内流场的数值模拟

对高压天然气田旋风分离器的内流场进行三维稳态数值模拟。将不同压力下的旋风分离器的内部流场进行对比,结果表明,压力对旋风分离器的轴向速度和径向速度的影响很小,但是对切向速度影响较大。旋风分离器的压降随着压力的增大而增大,基本成线性关系。在高压条件下,排气管的直径和入口面积对旋风分离器内流场速度的影响是比较有规律的。     

旋风分离器在不同工况下分离效率的仿真分析

针对旋风分离器的适用性问题,研究了不同工况条件下各工作参数对分离效率的影响.选择了环境参数为固体颗粒粒径和密度,分离器工作参数为进口速度,基于FLUENT运用RNG k-ε模型模拟旋风分离器内气相紊流,采用了离散相模型（DPM）模拟固相流场颗粒轨迹.由于粒径、密度和进口速度分别变化具有多种组合,为此引入了正交试验法以图减少仿真的次数.讨论了在不同颗粒粒径和颗粒物密度条件下旋风分离器的进气口速度与分离效率之间的关系.研究结果表明,在不同工作环境下旋风分离器工作参数对分离效率有着重要的影响.