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%.     

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     

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。     

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。     

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。     

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。     

旋风分离器锥体局部磨损对内流场及性能的影响

为了探究局部磨损对旋风分离器性能的影响,采用Oka磨损方程以及计算流体动力学(CFD)对旋风分离器壁面磨损以及内流场特性进行数值模拟,考察旋风分离器内流场等参数随磨损厚度增大的变化规律。结果表明,旋风分离器壁在锥体底部排尘口附近壁面局部磨损严重,形成螺旋形冲蚀磨损带。磨损引起设备几何结构的改变会导致切向速度降低,颗粒所受离心力降低,锥体内局部涡强度及影响范围增大,涡核旋进(PVC)的影响加大,不利于主流的稳定与固体颗粒的分离。与未磨损时相比,当局部磨损厚度为20 mm时,粒径为4μm的颗粒分离效率由100%降低至93%,分割粒径由1.3增大至1.9μm,设备压降降低了约40%。研究工作对保障旋风分离器的长期安全稳定运行具有重要理论指导意义。     

大长径比直筒型旋风分离器内部流动特性研究

为了探究大长径比直筒型旋风分离器内部的流动特性,采用雷诺应力模型(RSM)对单入口蜗壳式旋风分离器进行数值模拟,从瞬态流场和动态特性两个方面分析不同轴向位置的切向速度分布。同时,运用RMS分析了湍流脉动速度偏离时均速度的程度。结果表明,在瞬态流场中,切向速度等值线在截面上分布不对称,呈现明显的非轴对称现象;主要表现为切向速度零值的所在位置与几何中心不重合,零值偏移的一侧,切向速度较大,偏离的一侧较小。此外,切向速度的动态变化属于高速脉动状态,具有准周期性特点,通过优化结构或操作条件可以改变涡核频率,降低工业震动。在分离空间上部区域,流动不稳定性较大,湍流脉动较强,速度波动范围较大。随着轴向向下,流体能量逐渐耗散,速度脉动逐渐减小。RMS数据表明运动流体从入口段进入旋风分离器,流动不稳定性逐渐增大,达到一定程度后,不稳定性逐渐变小,直至较为平稳。     

导流板对旋风分离器内气固两相分离性能的影响

通过数值模拟对环形空间设有导流板的旋风分离器进行了研究. 与常规单入口旋风分离器相比,设置导流板显著改善了旋风分离器内的非轴对称流动,使流场的旋转中心与分离器的几何中心重合,从而抑制了旋风分离器内的涡核摆动现象. 气固两相模拟结果表明,加入导流板可明显提高旋风分离器的分离效率,尤其是对于粒径为5 mm的小颗粒,分离效率从53.4%提高到94.6%,捕集效率显著提高.     

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.     

旋风分离器分离性能的数值模拟与分析

以XLPB-5.0和XCX-5.0两种旋风分离器为原型,采用CFD软件对这两种旋风分离器进行了流场与分离效率的数值模拟,初步探讨了入口蜗壳形式与芯管结构对分离效率的影响。模拟结果显示:旋风分离器内流场呈各向异性分布特点,切向速度是影响分离效率的首要因素,径向速度的存在会造成"流场短路"现象,使轴向速度呈不对称分布,导致分离效率的降低。轴向速度与径向速度的共同作用促使颗粒在旋风分离器内做螺旋运动;XLPB-5.0和XCX-5.0的分离效率分别为92.55%和94.96%,与实验结果基本吻合,且不同芯管参数下XCX型的分离效率比XLPB型高;螺旋式入口蜗壳(XCX-5.0型)对旋风分离器上部流场的影响相比直流式入口蜗壳(XLPB-5.0型)复杂;对于两种旋风分离器,随着芯管直径的增大,分离效率逐渐变小;随着芯管深度的增大,分离效率先增大后减小。     

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.     

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。     

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     

锥段长度对微型旋流分离器内流场影响的数值模拟

采用CFD软件FLUENT对3种不同锥段长度的微型旋流分离器中的液相流动规律进行数值模拟.模拟结果表明,随着旋流器锥体长度的增加,旋流器内切向速度降低,径向速度减小,轴向速度增大,压降减小,分流比增大.适当加长旋流器长度可获得较佳的分离性能,然而过分增加旋流器长度,分离性能反而会降低.     

Simulating turbulent swirling flow in a gas cyclone: A comparison of various modeling approaches

The single phase flow field of a gas cyclone has been simulated with a finite volume RANS model and two LES approaches — one with finite volume and one with lattice-Boltzmann discretization. In order to evaluate their quality, the modeling results have been compared with LDA velocity measurements taken from the literature. Since the steady-state RANS simulation did not result in a converged solution, an unsteady RANS simulation was performed and used for further evaluations. The peak-levels of the time-averaged tangential velocity are well predicted by the two LES approaches whereas the RANS-based simulation under-predicts them. For the mean axial velocity, all models perform equally well. Velocity fluctuation levels (in terms of the root-mean-square values of the tangential and axial velocity components) are much better predicted by the large eddy simulations as compared to the RANS simulation. This relates to vortex core precession, the frequency of which was analysed for the two LES approaches. It agreed within 10% with experimentally obtained data. In conclusion, unsteady RANS-based simulations on a relatively coarse grid can provide reasonable and industrially relevant results with limited computational effort, whereas simulations that accurately capture the flow physics require a large eddy approach on fine grids.