气固多相旋转射流的数值模拟研究

以气固多相旋转射流的偏微分方程组为基础,针对采用k-ε双方程湍流模型模拟旋转湍流场尚存的不足,本文通过对湍流耗散率方程修正的方法,数值模拟研究了气相湍流场、颗粒运动轨迹和轴向速度分布规律,开发研制出相应的通用计算软件,其预测结果与LDV实测值吻合较好.     

多相流中颗粒旋转运动特性的研究进展

多相流中分散相颗粒旋转运动特性研究对于进一步揭示多相流机理有重要意义,同时也有助于人们更全面地认识多相流动,因此,越来越受到学者们的关注。近年来,人们从理论模拟方面研究颗粒旋转对流场的影响,通过改进多相流数值模型来考虑颗粒旋转,获得了与实验吻合的结果,但由于模型本身的局限性,无法全面考虑颗粒旋转运动对颗粒群和周围流场的影响;在实验研究方面,人们尝试利用高速摄像方法测量颗粒的转速,并对实际气固两相流中颗粒的转速进行了测量,但更准确、有效的颗粒转速测量方法还需进一步探索。把直接数值模拟方法应用于颗粒旋转运动特性的模拟是进一步研究颗粒旋转运动特性需要突破的方向,另外,通过计算机视觉场景中的连续图像序列对目标物体进行三维运动和结构重建的技术,也将是颗粒转速测量方法的研究重点之一。     

圆柱旋流器多相流场的数值分析

采用简化的多相流模型建立了圆柱旋流器内液固多相流动的数学描述,并用雷诺应力模型描述湍流,对圆柱旋流器的多相流流场和随时间变化的分离机理进行三维数值模拟,得到了旋流器内不同截面上的速度分布和不同时间的体积分布状况。数值计算结果为前人的试验和理论总结提供了有力的支持,对旋流器的进一步研究有指导意义。     

折流式旋转床气相流场数值模拟研究

采用CFD方法对折流式旋转床气液两相流动及压降进行数值模拟,建立了二维物理模型,研究了折流式旋转床转速、动静圈对数、进气量对气相压降和气相流场的影响,并用实验数据对模型进行验证. 结果表明,计算与实验相对误差在15%以内. 气相压降随进气量和动静圈对数增加而显著增大;转速增加,压降增大,但不明显,压降主要集中在转子内部,占总压降的88%~97%,其中转子压降的55%~73%由拐弯处的摩擦阻力引起;气体在静圈下隙存在回流,在动圈上隙气体流动缓慢,存在流动死区,气速主要以切向速度为主(占80%以上),峰值位于转子外缘,并与气体入口存在较大速度梯度,径向和轴向速度所占比例较小,且因位置不同而不同. 速度变化和压降的变化是转速、进气量和动静圈数等共同作用的结果.     

气-液旋流分离器流场数值模拟研究

为研究旋流分离器内部气体和液滴的运动情况和分离机理,用流体动力学软件Fluent对旋流分离器内部流场和液滴的运动状况进行了数值模拟研究,在模拟过程中,采用k-epsilon(2 eqn)方程来模拟气相旋流流动,采用Lagrange方法模拟液滴运动。模拟结果表明,旋流分离器内部流场呈旋转分布,分为内、外两个流场,在不同流动区域,气体压力场、速度场分布成规则变化;液滴的运动较为复杂,带有随机性;总体运动轨迹的形状与气相流场的分布趋于一致。     

蜗壳式旋风分离器气相流场的数值模拟

采用FLUENT软件提供的RSM模型对蜗壳式旋风分离器内气相流场进行数值模拟,并与用五孔球探针测试的流场进行比较.结果表明,当设置合适的边界条件,RSM模型对蜗壳式旋风分离器的压力分布和速度分布有着良好的预测精度.对比实验和模拟的结果分析,蜗壳式旋风分离器内部存在二次涡现象,并分析研究进口区域附近流场的非轴对称性.     

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。     

高温条件下旋风分离器内气相流场的数值模拟

通过FLUENT 6.1流体计算软件,采用改进的各向异性的RSM模型,对直径300 mm的蜗壳式旋风分离器,在入口气速20 m/s条件下,对293~1273 K的气相流场进行了数值模拟. 模拟结果与实验数据吻合较好,表明温度变化对旋风分离器的流场有较大影响,尤其是对切向速度影响很大. 旋风分离器内气相流场的切向速度随温度的升高而降低,同时强制涡区扩大,沿轴向的衰减增大,两者的关系式为 . 当温度超过1000 K,切向速度降低幅度趋于减小. 由于温度升高导致气流的旋转强度下降而使下行的轴向速度略有降低,上行的轴向速度略有升高. 温度变化引起气体粘度和切向速度的变化而影响旋风分离器的分离性能,当温度达到1273 K时,气体粘度增大使切割粒径dp50T增加1.58倍,而切向速度降低使切割粒径dp50T增加1.23倍,切向速度与气体粘度的作用是同等重要的.     

轴流式气液旋流分离器内气相流场的数值研究

应用RSM湍流模型对内径100mm的轴流导叶式气液旋流分离器内气相流场进行了数值研究,计算得到的气流时均速度分布和压力分布与实验测量结果基本吻合。根据分离器内气相流动分布的特点可知:(1)气流旋转强度与导向叶片出口角有关,出口角越大,切向速度越小;(2)排气管下口区域存在明显的短路流分布,容易卷吸夹带液滴进入排气管逃出,造成分离效率下降;(3)排气口和排液口附近的区域气流湍流脉动强度高,容易造成液滴破碎,直径减小,从而影响分离效率。以上研究结果为轴流导叶式气液旋流分离器的结构优化,进一步提高分离性能奠定了基础。     

E型旋风分离器流场的数值模拟和分离性能研究

采用数值模拟方法分析了旋风分离器内的上顶板附近的二次流特性,并与试验结果进行了比较,吻合较好。模拟了旋风分离器内的切向、轴向速度随入口气速变化的特性,并以此说明E型旋风分离器的流场结构特性。采用DPM方法分析了旋风分离器的入口速度、粉尘浓度和排气口直径对其效率的影响,模拟结果与试验测定值变化趋势一致。     

Numerical investigation and improvement strategy of flow characteristics inside supersonic separator

In order to study the flow behavior and optimize separation performance, a three-dimensional numerical model of an improved supersonic separator was developed. The proposed model takes into account the compressible and strong swirling effect. Four widely-used turbulence models include Sparlart–Allmaras model, realizable k–ε model, shear-stress transport (SST) k–ω model, and Reynolds stress model (RSM) were validated and compared by the experimental date reported in the literature. The comparison results indicated that RSMs have great potential to predict the flow inside supersonic separator. Based on the established numerical model, the distribution of critical parameters such as temperature, pressure, and Mach number was obtained. The influence of the pressure loss ratio on the shockwave location occurred at the divergence section of the Laval nozzle was systematically studied. Analysis about the relationship between the pressure effect and shock wave location was carried out to explore the principal factors that limit the performance of the supersonic separator.     

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.     

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。     

转笼式选粉机的流场模拟分析

利用美国ANSYS公司workbench环境下CFX软件对选粉机内部流场进行了模拟分析,结果直观地印证了选粉机的理论研究成果;文章还就选粉机转子内部有无涡流消除叶片模拟结果进行了分析比较,得出结论与理论相符.     

催化裂化沉降器新型高效旋流快分器内气固两相流动

用CFX软件对催化裂化沉降器新型旋流快分器的气相流场进行了三维模拟,湍流模型采用雷诺应力输运方程模型.计算结果与用五孔探针测试的气相流场实验结果吻合很好.采用离散轨道模型对该旋流快分器内颗粒的运动情况进行了计算,并由此估算了旋流快分器的分级效率和总分离效率.模拟结果表明：该新型旋流头可消除现有旋流头喷出口附近的短路流,更有利于提高旋流快分器的效率.两种结构形式的旋流快分器分离效率的计算对比说明：在旋流头处加入一个内构件,是很有价值的改进.     

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.     

带导流叶片的JLX型旋风分离器数值模拟研究

为了确保IGCC燃气轮机长时间平稳运行,IGCC粗煤气需要在进入燃气轮机前将气流中携带的尘粒脱除。文中针对IGCC特定的工艺条件,开发了一种新的JLX型径向进口旋风分离器,并采用Fluent软件进行了数值模拟,研究了相关参数对分离器性能的影响。结果表明:螺旋导流叶片可有效改善流场分布,并实现对粉尘颗粒的预分离;随着导流叶片旋转圈数的增加,压力损失和切向速度随之增加,粒级效率先增加后趋于平缓,1.5圈为最优旋转圈数;随着导流叶片螺旋倾角的增加,环形空间切向速度和压力损失也随之减小,而较小的导流叶片螺旋倾角对提高粒径大于7μm的粉尘颗粒粒级效率是有利的。     

环流式旋风除尘器内颗粒运动的数值模拟

采用CFD软件Fluent提供的雷诺应力模型（RSM）和随机轨道模型,对环流式旋风除尘器内颗粒运动轨迹进行了数值模拟研究。预测了不同粒径颗粒的运动轨迹和分离效率。结果表明：颗粒在环流式旋风除尘器内的运动路径比常规除尘器长;特殊的流路设计,避免了常规旋风除尘器易产生的上灰环和颗粒短路问题,使除尘效率大幅度提高;除尘器内颗粒运动有较强的随机性,尤其对于小颗粒,受气流湍动影响显著。对不同粒径颗粒分离效率的预测表明：环流式旋风除尘器的分割粒径为1．25μm。     

新型超音速旋流分离器流场分析与性能评估

为了解决实际开采过程中高压天然气的含水问题,结合气体动力学和流体热力学原理,设计了一套前置式超音速旋流脱水装置,围绕新装置进行了流场模拟和性能分析两方面研究。首先根据几何尺寸建立了三维数值计算模型,并结合RNG k-ε湍流模型对超音速分离器内部流场进行了模拟,得出了装置轴心线上天然气压力、温度、马赫数等特性参数的分布规律,同时对不同截面上参数的径向变化进行了分析;最后根据露点降和分离效率评估了超音速旋流分离器的工作性能,结果表明：在喷管出口处马赫数为1.51,膨胀最低温度可达140K,切向旋流速度为160m/s,可以实现水蒸气的充分凝结和分离;当压损比达到70%时,可以得到32℃的露点降,而且装置对于变压力、变温度工况具有很好的适应性,完全可以满足生产实际要求。     

Rushton涡轮搅拌槽内流场特性及颗粒运动行为数值模拟

基于计算流体动力学（CFD）方法,采用大涡模拟（LES）和拉格朗日颗粒追踪技术计算了Rushton涡轮搅拌槽内流场特性及三种St颗粒的运动行为。平均流场（切向速度、轴向速度和径向速度）、颗粒速度及浓度分布方面与实验值的吻合度较好,验证了数值模拟的可靠性。结果表明,搅拌流场及颗粒运动均呈现循环流特性,当转速N=313r/min不变时,St=0.24的小颗粒几乎实现了均匀分布;而St=37.3的大颗粒与流体的跟随性较差,底部沉积率较高,容器顶部会出现一定的颗粒空白区。叶轮附近产生一系列的湍流涡结构,并且由于剧烈的颗粒-壁面碰撞,该位置颗粒拟温度最高;小颗粒（St=0.24）的运移主要受叶片后方尾涡的控制,均匀分布在低涡量区;而大颗粒（St=37.3）由于具有较大的惯性,运动不再由涡主导,很快被叶轮甩向边壁,穿过了尾涡所形成的高涡量区,故而叶轮对附近大颗粒的搅拌效果较差。