旋风分离器内旋转流偏心旋转对速度计算的影响

采用Fluent软件对旋风分离器内流场进行了数值模拟,结果表明其旋转流存在着偏心旋转现象,即旋转流的旋转中心与旋风分离器的几何中心不重合。用CFD计算旋风分离器内强旋流的三维速度是基于旋风分离器的几何中心给定的,而进行气固分离计算用的三维速度是基于旋转中心的,二者之间存在着一定的差别,尤其是径向速度分布上有很大的不同。这就需要对基于几何中心的旋风分离器内旋转流的三维速度值进行修正,将参考几何中心计算的流场变换为参考旋转中心的流场。在旋风分离器流场数值模拟的基础上,分析了基准不同所产生的三维速度分量之间变化,给出了将参考几何中心计算的流场换算到参考旋转中心的流场的方法。     

旋风分离器内气相旋转流不稳定性的实验研究

旋风分离器内气相旋转流具有较强的不稳定性,其表现形式是旋转流的旋转中心围绕几何中心的偏心摆动,导致流场的瞬时速度随时间发生脉动变化。这种旋流的不稳定特性难以用时均流场参数进行描述,需要用动态流场参数描述,为此采用热线风速仪测量了?300 mm旋风分离器内瞬时切向速度随时间的变化。实验结果表明瞬时切向速度是由气体湍流形成的高频脉动和旋转流偏心摆动形成的低频脉动两部分叠加构成,据此探讨了旋转流摆动形成的机制。瞬时切向速度的低频脉动来源于刚性涡的偏心摆动,脉动幅值与偏心距成正比。通过瞬时切向速度频域建立了旋转流的摆动频率与入口速度、筒体直径和排气管直径的计算模型。     

旋风分离器内气相旋转流不稳定性的实验研究

旋风分离器内气相旋转流具有较强的不稳定性,其表现形式是旋转流的旋转中心围绕几何中心的偏心摆动,导致流场的瞬时速度随时间发生脉动变化。这种旋流的不稳定特性难以用时均流场参数进行描述,需要用动态流场参数描述,为此采用热线风速仪测量了?300 mm旋风分离器内瞬时切向速度随时间的变化。实验结果表明瞬时切向速度是由气体湍流形成的高频脉动和旋转流偏心摆动形成的低频脉动两部分叠加构成,据此探讨了旋转流摆动形成的机制。瞬时切向速度的低频脉动来源于刚性涡的偏心摆动,脉动幅值与偏心距成正比。通过瞬时切向速度频域建立了旋转流的摆动频率与入口速度、筒体直径和排气管直径的计算模型。     

RSM与LES模拟旋风分离器流场动态特性的对比分析

为评价雷诺应力模型(RSM)与大涡模拟(LES)两种方法计算旋风分离器动态流场的精度,利用FLUENT14对旋风分离器内气相动态流场特性进行数值模拟及分析,考察了两种方法计算得到的瞬时切向速度分布、切向速度脉动强度及切向速度频谱特性。计算结果与热线风速仪(HWA,Hot-wire anemometer)测量的切向速度数据进行无量纲对比表明,在时均切向速度上,LES的模拟结果比RSM的准确性高;在瞬时切向速度上,LES预测的瞬时切向速度可以反映旋流摆动造成的切向速度的波动特性,呈现出接近实验测量值的高频速度脉动变化;而RSM难以预测瞬时切向速度的波动变化,仅给出低频小幅值的波动。因此采用LES预测旋风分离器流场能够捕捉动态信息,揭示流场的动态特性。     

动态旋风分离器数值模拟及实验研究

旋风分离器具有结构简单性能稳定等优点,但对于粒径10μm以下颗粒,分离效率较低。本文对普通旋风分离器进行改进,设计了带有旋转叶片的动态旋风分离装置,并进行了实验和数值模拟研究。数值模拟气相采用RNG k-ε模型与RSM模型相结合的算法,颗粒相与气相之间采用以欧拉-拉格朗日气固两相流耦合思想为基础的DPM模型进行模拟,主要研究了装置内部流场和颗粒分离效率与进口气速和转子转速之间的关系,并与实验中通过静电低压悬浮颗粒取样器（ELPI）获得的装置分离效率进行了对比。模拟和实验结果表明,装置切向速度场中转子部分的切向速度主要由叶片转速决定,转子外部区域的切向速度则主要由进口气速决定,且在一定的转速和进口气速下,动态旋风分离器对粒径在5μm以上的颗粒有良好的脱除效果。     

直切式旋风分离器内气相流场的实验研究和数值分析

采用实验测量与数值模拟相结合的方法对直切式旋风分离器内气相流动的三维流场进行了研究。雷诺应力湍流模型对流场的计算与五孔球探针的测量结果基本相符。实验测量与数值模拟的研究结果表明,环形空间的流场呈现明显的非轴对称性,切向速度在0°方位最大,在300°方位最小;分离空间基本呈轴对称性,流场稳定,有利于颗粒分离;排气管内仍存在较强的旋转,产生较大的能耗。     

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.     

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。     

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。     

双节流结构旋风过滤器阻力性能研究

对一种高浓度盐雾分离装置——旋风分离器进行研究，并对已有旋风分离器结构进行了改进，提出了一种具有双节流结构的旋风分离器形式。利用标准k-ε模型和realizable k-ε两种湍流模型进行了数值模拟，给出了相应模型的阻力特性。同时在专门风洞实验台上进行了模型的阻力特性实验，将实验结果与数值模拟结果进行比较，认为在计算旋风分离器阻力特性时，realizable k-ε优于标准k-ε模型。     

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。     

Stereoscopic PIV studies on the swirling flow structure in a gas cyclone

Understanding the swirling flow in a gas cyclone is of great importance in improving the cyclone design. Once the three-dimensional strong swirling flow is fully understood, cyclone performance such as pressure drop and separation efficiency can be improved by optimizing the cyclone design. The swirling flow was investigated by the stereoscopic particle image velocimetry (Stereo-PIV) in this work. The instantaneous whole-field tangential, axial, and radial velocities were measured simultaneously in the cylindrical and conical separation zone, and in the dust hopper area of the cyclone with gas inlet velocity of .The time-averaged flow pattern in the cylindrical and conical sections of the cyclone showed: a typical Rankine vortex with inner quasi-forced vortex and outer quasi-free vortex which is generated by tangential gas velocity; inner upward flow and outer downward flow of axial gas velocity; and centripetal flow in the region close to the wall due to the presence of radial gas velocity. In the dust hopper, a secondary longitudinal circular flow is formed in the annulus area between the conical body and the cylindrical wall. Experimental results indicate that the separated particles may be re-entrained into the cyclone from the bin to degrade the separation efficiency of the cyclone.     

Experimental study of gas swirling flow instability characteristics in a cyclone using the hot-wire anemometry technique

The instability characteristics of gas swirling flow in a cyclone were investigated experimentally by measuring the instantaneous tangential velocity with the hot-wire anemometry. The results showed that the instantaneous tangential velocity fluctuated continuously with time at both low and high frequencies. Further analysis of measured data regarding time and frequency domain by probability density and spectral methods revealed that the velocity fluctuation was affected not only by the turbulence flow itself but also by gas swirling flow instability. Also, the distributions of dominant frequency and amplitude indicated that low-frequency velocity fluctuation caused by the instability had the transfer behavior and attenuation character, which could be characterized by the dominant frequency that varied little along the radial position and decreased gradually along the axial direction, while the amplitude increased significantly with decreased radial position. Due to the gas swirling instability, the turbulence intensity and the fine particle diffusion were enhanced, which would degrade the separation efficiency of cyclone.     

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。     

Swirling flow of natural gas in supersonic separators

The supersonic swirling separator is a new apparatus for offshore and subsea natural gas separation, due to its lightweight and the viability of unmanned operation. A new supersonic swirling separator was designed for the numerical calculation, in which a central body was inserted based on the principle of conservation of angular momentum. Axial and radial distribution of the main parameters of natural gas flow was investigated with RNG K-? turbulence model. The effects of the shock waves on the natural gas flow fields were analyzed in the supersonic separator. The results show that water and heavy hydrocarbons can be separated from natural gas due to the low temperature and high centrifugal field. The non-uniformity of radial distribution of the gas dynamic parameters significantly affects the gas/liquid separation. The position of the shock wave determines the distribution of the temperature, which has a great influence on the re-evaporation of liquid droplets.     

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     

基于液膜流型的双入口管柱式气液分离器性能研究

管柱式气液分离器(gas-liquid cylindrical cyclone,GLCC)是一种耦合离心力与重力作用的分离设备,常用于深海油气分离。气相带液(liquid carry-over,LCO)是影响GLCC分离性能的关键问题,且LCO率与GLCC上部筒体内的液膜流型有密切关系。因此,通过调控液膜流型来控制LCO率是一种可行方法。提出了一种向上分支的双入口管柱式气液分离器,并在其分支管增设一个阀门以控制两入口间流量比,达到调控液膜流型的目的。利用高速摄像机,通过改变入口气、液流量和阀门开度,系统研究了液膜的分布特征;并利用数值模拟对GLCC液膜流型、内部流线及速度特性做了研究。支路流通面积比从100%改变至0时,流经倾斜管主路的流量增多,液膜占据的筒体壁面高度沿轴向逐渐降低,且液膜集中在倾斜管主路入口附近并形成对分离性能有利的旋环流流型;模拟结果显示,在前述过程中,旋流场涡核中心逐渐稳定,有利于抑制LCO的发生。调节入口阀门开度以调控液膜流型是改善GLCC分离性能的可行手段。