基于响应曲面法旋风分离器的自然旋风长
旋风分离器设计方案
旋风分离器设计方案用户：特瑞斯信力（常州）燃气设备有限公司型号： XC24A-31 任务书编号： SR11014 工作令： SWA11298 图号： SW03-020-00编制：日期：本设计中旋风分离器属于中压容器，应以安全为前提，综合考虑质量保证的各个环节，尽可能做到经济合理，可靠的密封性，足够的安全寿命。
设计标准如下：a. TSG R0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》b. GB150-1998《钢制压力容器》c. HG20584-1998《钢制化工容器制造技术要求》d. JB4712.2-2007《容器支座》2、旋风分离器结构与原理旋风分离器结构简单、造价低廉，无运动部件，操作范围广，不受温度、压力限制，分离效率高。
一般主要应用于需要高效除去固、液颗粒的场合，不论颗粒尺寸大小都可以应用，适用于各种燃气及其他非腐蚀性气体。
说明：旋风分离器的总体结构主要由：进料布气室、旋风分离组件、排气室、集污室和进出口接管及人孔等部分组成。
旋风分离器的核心部件是旋风分离组件，它由多根旋风分离管呈叠加布置组装而成。
旋风管是一个利用离心原理的2英寸管状物。
待过滤的燃气从进气口进入，在管内形成旋流，由于固、液颗粒和燃气的密度差异，在离心力的作用下分离、清洁燃气从上导管溜走，固体颗粒从下导管落入分离器底部，从排污口排走。
由于旋风除尘过滤器的工作原理，决定了它的结构型式是立式的。
常用在有大量杂物或有大量液滴出现的场合。
其设计的主要步骤如下：①根据介质特性，选择合适的壳体材料、接管、法兰等部件材料；②设计参数的确定；③根据用户提供的设计条件及参数，根据GB150公式，预设壳体壁厚；④从连接的密封性、强度等出发，按标准选用法兰、垫片及紧固件；⑤使用化工设备中心站开发的正版软件，SW6校核设备强度，确定壳体厚度及接管壁厚；⑥焊接接头型式的选择；⑦根据以上的容器设计计算，画出设计总设备图及零件图。
4、材料的选择①筒体与封头的材料选择：天然气最主要的成分是甲烷，经过处理的天然气具有无腐蚀性，因此可选用一般的钢材。
基于响应曲面法旋风分离器的自然旋风长
寸及运行条件对其性能的影响．
关键词 ：响应 曲面 法 ；旋风 分 离器 ；自然旋风 长 ；预测 模 型 中 图分 类号 ： Ｋ ２ ．２ Ｔ ２３ ２ 文献标 识 码 ： Ａ 文 章编 号 ：１０ ００ （０６ ０ －２７０ ０ １— ５ ５ ２０ ）２０ ４ －５
气相流场进 行 了数值 模 拟 ， 于 响应 曲面 法并 利 用 统 计软 件 Ｍｉｉ ｂ Ｖ１ 基 ｎｔ ４得 到 了旋 风 分 离器 自 ａ
然旋 风长 新 的预 测模 型． 预 测模 型分 析后表 明， 了入 口面积和 排 气芯管 直径 影 响 自然旋风 长 对 除
外， 口 入 风速 、 旋风器高度 以及排气芯管 的插入深度也会不同程度地影响 自然旋风长． 由于 自然
ｃ ｍｍｅｃ ｌ ｏ ｐ ｔ ｉｎ ｌ ｕｄｄ ｎｍｉｓ（ Ｆ ｏ ｒｉ ｍ ｕａ ｏ ａ ｆ ｉ ｙ ａ ｃ Ｃ Ｄ）ｃ ｄ ｕ ｎ ６ １ ｅ ｒｄ ｔ ｎｍｏ ｅ ｆｔｅ ａｃ ｔ ｌ ｏ ｅＦ ｅ ｔ ． ．Ａ ｎ ｗ ｐｅ ｉ ｉ ｄ ｌ ｌ ｃｏ ｏ ｈ
Ｎａ ｕｒ ｌｖ ｒｅ ｅ ｔ ｓｏ ｙ ｌ ｎ ｅ ａ ａ ｏ ｓ ｂ ｓ ｄ ｏ ｔ ａ ｏ ｔ ｘ ｌｎｇ ｈ ｆｃ ｃｏ ｅ ｓ ｐ ｒ ｔ ｒ ａ ｅ ｎ ｒ ｓ ｏ ｓ ｕｒａ ｅ ｍ ｅ ｈ ｄ ｌ ｇ ｅ ｐ ｎ ｅ ｓ ｆ ｃ ｔ ｏ ｏｏ ｙ
Ｑ ａ ｕ ｉｇ ｉ Ｆ ｐｎ ｎｈ ｉ ｂ ａｎ ｄ ｂ ｓ ｄ ｏ ｅ ｐ ｎ ｅ ｓ ｒａ ｅ ｍｅ ｏ ｏ ｏ ｙ ｂ ａ ｓ ｏ ｈ ｔｔ ｔ ａ ａ ｕ ｅ ｖ ｆ ｘ ｌｎ ｔ ｓ ｏ ｔｉ ｅ ａ ｅ ｎ ｒ ｓ ｏ ｓ ｕ ｃ ｔ ｄ ｌｇ ｙ ｍｅ ｎ ｆ ｔ ｅ ｓａｉ ｉ ｌ ｆ ｈ ｓｃ
基于响应曲面法的涡旋管分离器结构优化
基于响应曲面法的涡旋管分离器结构优化
胡瑜;王锁芳;梁晓迪
【期刊名称】《机械制造与自动化》
【年(卷),期】2024(53)3
【摘要】采用响应曲面法和数值模拟方法,以涡旋管分离器结构参数为设计变量,以分离效率和压降为目标函数,对涡旋管结构进行四因素的优化设计分析。
结果表明:叶片数量对压降和分离效率影响较小;旋转角度对压降影响较弱,但对分离效率影响显著,且旋转角度与螺距及中心轴轴径对分离器分离性能的交互作用明显;螺距和中心轴轴径对压降和分离效率影响较大,且两者对分离器压降的影响有着很强的交互作用;与初始模型相比,基于响应曲面法设计的优化模型性能较佳。
【总页数】6页(P166-171)
【作者】胡瑜;王锁芳;梁晓迪
【作者单位】南京航空航天大学能源与动力学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.9
【相关文献】
1.基于响应曲面法的泥沙分离器的数值模拟
2.基于响应曲面法径向入口旋风分离器的结构优化
3.基于响应曲面法的旋风分离器结构优化
4.基于响应曲面法小型旋风分离器的多目标优化
5.基于响应曲面法的旋风分离器排气管优化研究
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旋风分离器数值模拟ppt课件
2 前处理：几何建模
利用solidworks进行几何建模 导入gambit
4
2 前处理：划分网格
对几何体进行分块，交界面采用interface。采用Hex/Wedge结构化网格， 采用Cooper（制桶）铺层方法
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2 前处理：导入模型
入口为velocity-inlet，出口均为outflow。检查网格，保证最小网格体积 不为零。
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旋风分离器内两相流动 数值模拟
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模拟内容
CONTENTS
1 背景及意义 2 前处理 3 计算 4 后处理
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1 背景及意义
旋风分离器是利用气固两相流的旋转， 将固体颗粒从气流中分离出来的一种干式气 固分离装置。与其它气固分离设备相比，具 有结构简单、设备紧凑、性能稳定和分离效 率高等特点。广泛应用于石油、化工、冶金、 建筑、矿山、机械和环保等工业部门。
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3 计算：设置参数并求解
入口速度为30m/s，湍流强度为10%，水力直径为0.0543m。迭代3000， 并以出口质量流量判断其收敛与否。
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4 后处理
1μm颗粒的跟 随性比较好，可以 根据颗粒轨迹来分 析流场。
1μm颗粒轨迹
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4 后处理
创建x=0面，显示压力云图。
从其压力云图中可以看出， 两侧压力较高，中间排出管压力 较小，有明显的压力突变；而两 侧延高度方向压降较小；与实验 测量一致。
由于旋风分离器内部流动非常复杂，用 试验或者解析的方法研究分离器内部的流动 状况比较困难。近年来，随着计算机硬件 CFD(计算流体动力学)技术的不断进步，数值 方法成为研究旋风分离器的一种重要手段。 通过对旋风分离器内气固两相进行数值模拟， 揭示旋风分离器内部流场，为优化旋风分离 器的结构提供思路，也为进一步提高分离性 能奠定基础。
旋风分离器英文文献翻译
旋风分离器的经向入口结构的气固流场数值模拟Jie Cui, Xueli Chen,* Xin Gong, and Guangsuo Yu——上海华东理工大学国家煤气化重点实验室，2002.3.7对应用在多喷嘴对置气化系统中的一个简单的气体与颗粒离分装置——旋风分离器径向入口结构改进的研究现状进行了回顾。
在高效率的前提下径向入口旋流器更适合高压工业运行环境。
应用计算流体动力学（CFD）技术为基础的模型来研究一种新型旋风分离器的性能。
用这一方法，用雷诺应力模型来描述湍流，然后由拉格朗日随机模型来描述粒子流。
该方法很好的验证了测量与预测结果之间联系的有效性。
结果表明，即使速度流场不是几何对称和三维非稳态，但它是准周期的。
此外，还有存在一个涡核现象在旋风分离器中。
因为离心力，颗粒浓度分布是不均匀的。
根据粒子的运动特征，分布区域可分为三个部分。
较大的颗粒比较小的更容易分开。
但超过某一临界值的大小时颗粒将不会在旋风分离器的锥形墙底部被收集，然后发生凝滞。
这将导致在旋风分离器的锥形部分发生严重侵蚀。
此外，分离效率与粒径的增大、径向进气旋风分离器切点的直径是小于相同的入口条件下的传统旋风分离器的。
简介多喷嘴对置气化系统是由煤处理、煤气发生炉、煤气净化和黑色的水处理工艺组成。
煤气净化在整个运行在较高的温度和压力系统中起着重要的作用。
它是消除在气化炉生产的合成气才到达旋风分离器下出口之前的颗粒。
多喷嘴对置气化系统净化过程是采用搅拌机、旋风器和洗涤器组合的，它与在GE气化合成气净化技术是不同的。
旋风分离器的存在提高了净化效果和系统操作的稳定。
旋风分离器被广泛应用于工业应用，在空气污染控制及气固分离和气溶胶采样等。
随着结构简单、制造成本低和适应极其恶劣的条件下运行，旋风分离器成为在科学与工程除尘应用设备领域中最重要的装备之一。
在一般情况下，传统的旋风分离器通常采用切向进气道结构。
霍夫曼和Louis纷纷推出关于分离器上锥与切向入口气旋的一些设计要点。
热工学
基 于响 应 曲面 法 旋 风分 离 器 的 自然旋
风 长 ＝ ｔｒｌ ｏｔｘｌｎ ｔｓ ｆ ｙ ｌｎ Ｎａ ａ ｖ ｒ ｇｈ ｃｏ ｅ ｕ ｅ ｅ ｏｃ
ｓ ｐａ ａ ｏ ｓ ａ ｅ ｏ ｒ ｓ ｏ ｓ ｓ ｒ ａ ｅ ｅ ｒ ｔ ｒ ｂ ｓ ｄ ｎ ｅ ｐ ｎ ｅ ｕ ｆ ｃ
维普资讯
Байду номын сангаас
１０ ２
中国学术期刊文摘 Ｇ— 模糊聚 类对 系统输 入／ 出数据 空 Ｋ 输 间进行快速聚类分解 ，避免 了聚类数 确 定的盲 目性 ；然后在每 个子空 间中利 用 最小二乘法辨识 出相应 的线性子模 型， 再将各子模型通过模糊 加权求和 以得 到 精 确的系统全局模 型． 同时 ，为保证 各 聚类子空间 内样本的 “ 线性化度 ” 采 用 ， 新的综合聚类指标 ，并利用免疫遗传算 法 来求解该聚类 问题 ， 以克服迭代算法 易陷入局部极小和对聚 类初始化敏感 的 缺 点．该方法能充分利 用运 行数据 中所 包 涵的对象动态特性信 息， 以描述过程 的全局非线性 ．最后通过 几个典型实例 验 证了该方法的有效性 、准 确性 ．图 ２ 参 １ ８ 关 键词 ：多模 型建模 ；递阶 聚类；Ｇ— Ｋ 模糊聚类 ；免疫遗传 算法：热工过程
ｍｅ ｏｏｏ ｙ 刊 ，中］ 钱付平（ ｔ ｄ ｌｇ ［ ｈ ／ 东南大学 洁净煤发 电与燃烧 技术教育部重点实验 室，南京 ２ ０ ９ ） １０ ６ ，章名耀， ／ 东南大学学 报（ 自然科学版 ） ２ ０ ，３（） ４ ～ ． ０ ６ ６２． ７ 一 一２
２ １ ５
ｓｓ ｍ ［ ，中］ 初云涛 （ ｙｔ 刊 ｅ ／ 华中科技大学 煤燃烧 国家重 点实验 室 ，武汉 ４０ ７ ） ３ ０ ４ 周 怀 春，中 国 电机 工 程 学 报 ． ２ ０ ， ／ 一 ０ ６
基于响应曲面法小型旋风分离器的多目标优化
基于响应曲面法小型旋风分离器的多目标优化梁文龙 1 戴石良 1，2 田伶 11南华大学土木工程学院 2湖南核三力技术工程有限公司摘 要： 本文采用RSM 湍流模型对不同尺寸参数的旋风分离器气固两相流场进行数值模拟， 基于响应曲面法建 立旋风分离器的欧拉数和分割粒径的预测模型。
结果表明： 排气管直径对欧拉数及分割粒径的影响极其显著， 随着排气管直径的增大， 欧拉数先迅速减小后缓慢增大， 分割粒径增大。
入口高度和入口宽度对欧拉数及分割粒径 的影响极其显著， 随着入口高度和入口宽度的增大， 欧拉数增大， 分割粒径增大。
总高对分割粒径的影响显著， 随 着总高的增大， 分割粒径减小。
优化模型相比于Stairmand 基准模型， 欧拉数降低58%， 分割粒径降低41%。
关键词： 旋风分离器 响应曲面法 优化设计 预测模型MultiObjective Optimization of Small CycloneSeparator Using Response Surface MethodologyLIANG Wenlong 1 ,DAI Shiliang 1,2 ,TIAN Ling11School of Civil Engineering,University of South China 2Hunan Sunny Technology Engineering Co.,Ltd.Abstract: Numerical study on gassolid flow field in the cyclone separator with different geometrical parameters was carried by using unsteady RSM model.The predictive models of the Euler number and cutoff size of cyclone separators based on response surface methodology was applied.The results showed that,the vortex finder diameter had a significant effect on the Euler number and cutoff size.With the increase of vortex finder diameter,the Euler number decreases rapidly and then increases slowly,the cutoff size increases.The effect of inlet height and inlet width on Euler number and cutoff size is significant.With the increase of inlet height and inlet width,the Euler number increases,the cutoff size increases.The influence of total cyclone height is greater.The larger the total cyclone height is,the smaller the cutoff size is.The optimal design reduces the Euler number and cutoff size by 58%and 41%,respectively,compared to the reference model.Keywords:cyclone separator,response surface methodology,optimize design;predictive model收稿日期： 201837作者简介： 梁文龙 （1992~）， 男， 硕士研究生； 衡阳市常胜西路28号南华大学土木学院 （421000）； Email ： 1062682749@ 基金项目： 湖南省教育厅产业化基金资助项目 （12CY011）旋风分离器广泛应用于烟气除尘和气固分离旋 流器技术领域。
旋风分离器的设计计算
旋风分离器的设计计算
R.K.Sinnott
【期刊名称】《医药工程设计》
【年(卷),期】1989(000)004
【摘要】旋风分离器是气固分离器的主要型式,靠离心力进行分离,应用广泛。
旋风分离器结构简单,可用各种材料制作,能用于高温高压。
旋风分离器适用于分离粒径为5μm 以上的颗粒,对于粒径在0.5μm 以下的较小微粒,在旋风分离器中会发生附聚作用。
旋风分离器最通用的结构型式是反流
【总页数】4页(P11-14)
【作者】R.K.Sinnott
【作者单位】
【正文语种】中文
【中图分类】R
【相关文献】
1.旋风分离器旋风长度的分析计算 [J], 高翠芝;孙国刚;董瑞倩
2.一种新型旋风分离器--均匀料流旋风分离器 [J], 谭岳云
3.旋风分离器简捷设计计算方法 [J], 刘忠文
4.旋风分离器自然旋风长的影响因素 [J], 高助威; 王娟; 王江云; 毛羽
5.旋风分离器设计计算的研究 [J], 蔡安江
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基于CFD-DPM的旋风分离器结构设计优化
中国粉体技术CHINA POWDER SCIENCE AND TECHNOLOGY第27卷第2期2021年3月Vol. 27 No. 2Mar. 2021文章编号：1008-5548 (2021 )02-0063-11 doi ：10.13732/j.issn.l008-5548.2021.02.009基于CFD-DPM 的旋风分离器结构设计优化彭丽，柳冠青，董方，石战胜(华电电力科学研究院有限公司多相流分离技术研究及应用中心，浙江杭州310030)摘要：采用计算流体力学离散颗粒模型(CFD-DPM),结合响应曲面法，通过系列正交实验，对旋风分离器结构进 行优化设计；考察旋风分离器的7个结构参数以及参数间的交互作用对其性能的影响。
结果表明：对压降和分离效率影响最显著的结构参数为排气管直径，然后分别是入口高度、入口宽度、旋风分离器长度、排气管插入深度；入口尺寸与排气管直径对压降的影响存在很强的交互作用；旋风分离器长度与排气管插入深度、入口宽度与排气管直 径、入口宽度与旋风分离器长度及排气管直径与旋风分离器长度对分离效率的影响存在较强的交互作用，其余因素影响不显著；通过对各结构参数的响应面进行优化，获得该旋风分离器在最小压降和最大分离效率时对应的几何结构 参数。
关键词：旋风分离器；响应曲面法；计算流体力学；两相流；模型优化中图分类号:TH31 文献标志码:AStructure optimization and design of cyclone separatorbased on CFD-DPMPENG Li , LIU Guanqing , DONG Fang , SHI Zhansheng(Research and Application Center of Multiphase Flow Separation Technology , Huadian Electric Power Research Institute Co., Ltd., Hangzhou 310030, China)Abstract : A series of orthographic experiments were designed to optimize and design the cyclone separator geometry by adoptingthe CFD-DPM (computational fluid dynamics-discrete particle model ) and the response surface method. The effect of sevencyclone geometrical parameters and their interactions on the performance were investigated. The results show that the most signifi cant geometrical parameter is the vortex finder diameter. Other factors of the inlet width , inlet height , total cyclone height , and vortex finder length have significant effects on the cyclone performance. In addition , there are strong interactions between theeffect of the inlet dimensions and the vortex finder diameter on the pressure drop. There are strong interactions between the effectof the vortex finder length and total cyclone height , inlet width and vortex finder diameter , inlet width and total cyclone height ,vortex finder diameter and total cyclone height on the separation efficiency. Finally, a new set of geometrical ratios are obtained toachieve minimum pressure drop maximum separation efficiency by optimization of the response surface of each index.Keywords : cyclone separator ； response surface method ； computational fluid dynamics ； two-phase flow ； model optimization旋风分离器是一种极其重要的颗粒分离设备，在火力发电、石油、化工、水泥、钢铁、冶金等工业领域应用广泛。
基于响应曲面法的微藻絮凝采收参数优化方法及实施方案[发明专利]
![基于响应曲面法的微藻絮凝采收参数优化方法及实施方案[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/9fddaa11abea998fcc22bcd126fff705cc175c64.png)
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910964157.9(22)申请日 2019.10.11(71)申请人 河海大学地址 210098 江苏省南京市西康路1号(72)发明人 侯俊 杨梓俊 苗令占 尤国祥 杨杨阳 邢子涵 周昱旸 (74)专利代理机构 南京君陶专利商标代理有限公司 32215代理人 严海晨(51)Int.Cl.G06F 17/18(2006.01)C12N 1/12(2006.01)(54)发明名称基于响应曲面法的微藻絮凝采收参数优化方法及实施方案(57)摘要本发明涉及一种基于响应曲面法的微藻絮凝采收工艺参数优化方法及实施方案，优化方法包括①通过单因素变量实验确定絮凝剂投加量、培养基pH和微藻生物量参数取值范围；②采用响应曲面法中Box -Behnken方法设计参数优化实验；③开展微藻采收实验；④多元回归拟合数据，建立回归方程；⑤方差和相关性分析；⑥验证实验检验模型有效性；⑦确定工艺参数。
实施方案：①培养微藻使其生物量达到最优浓度；②调节微藻培养基pH至最优值；③投加絮凝剂使其浓度达到最优，絮凝搅拌；④沉降；⑤收集反应器底部藻泥进行脱水干燥。
本发明具有实验效率高，预测精度好，可操作性强等优点，在保证微藻高效采收的同时有效降低了成本，适用于微藻絮凝采收工艺参数的优化与实施。
权利要求书2页 说明书7页 附图2页CN 110609978 A 2019.12.24C N 110609978A1.一种基于响应曲面法的微藻絮凝采收参数优化方法，其特征是包括以下步骤： （A）单因素变量实验：选取变量开展单因素变量实验；（B）响应曲面法优化实验：根据单因素变量实验获得的最优范围作为实验水平的选择依据，运用响应曲面法建立响应曲面模型，优化工艺条件并确定模型最优工艺参数。
2.根据权利要求1所述的一种基于响应曲面法的微藻絮凝采收参数优化方法，其特征是所述步骤（A）单因素变量实验：选择絮凝剂投加量、培养基pH和微藻生物量三个因素分别开展单因素变量实验，分析各因素不同取值下微藻采收效果的变化情况，确定各因素的最优范围，所述最优范围为各因素可获得的完整微藻采收效率范围对应的各因素的最小取值范围。
新型旋流分离器的数值模拟研究
为了减少网格对模拟计算结果的影响，对网格无关性 进行检验，划分了 4 种数量不同的单元网格：62 万、85 万、101 万、120 万，并对不同网格数量的初始模型进行 数值模拟，所得阻力特性曲线如图 2。
1 新型旋流分离器
1.1 结构及分离原理 新型轴向旋流分离器主要由进气管、集尘室、排
气管、中心轴、螺旋叶片（4 片）组成，具体几何结构和 固定尺寸见图 1 及表 1。其分离原理同样利用固体颗 粒物在圆管内受螺旋叶片的导向作用做离心力运动， 从而达到气固分离，但与旋风分离器不同的是洁净后 的气体与分离出来的固体颗粒物速度方向垂直，即互 不影响，极大程度上能改善旋风分离器中固体颗粒物 “二次返流”现象。且集尘室端倾斜、光滑的内壁能加 快分离后固体颗粒物的汇集。因此新型轴向旋流分离 器无论是从结构上还是分离理论上均作了创新，以期 其能达到低能耗及高分离效率要求。
湍流模型的选择参考文献 [17] 采用标准 K-着 模 型，SIMPLE 算法，结合二阶格式进行压力插值，离散 相二阶迎风格式，提高计算精度。
图 1 新型分离器结构示意图
表 1 新型分离器结构参数
结构
字母
初步设计数值
进风管直径
D
中心轴轴径
H
螺旋叶片长度
L
螺旋叶片螺距
S
集尘室倾斜高度
T
螺旋叶片厚度
δ
集尘室下端长度
（b）t、s 对欧拉数 Eu 的影响
图 3 不同因数对欧拉数 Eu 的响应曲面
表 3 响应曲面优化设计回归方程方差分析
平方和
模型 73.38
A 64.52
B
1.3
C
0.78
AB 0.42
AC 0.11
BC 0.13
“1＋1”自然瘦身旋风
“1＋1”自然瘦身旋风
佚名
【期刊名称】《大观周刊》
【年(卷),期】2006(000)032
【摘要】节食、运动、吸脂、药物……当你已经被“瘦身”这个词搞得晕头转向，再也没有重新开始的勇气时．就应当好好反省一下．自已是否堕入了瘦身的魔道．万劫不复？须知瘦身，必须建立在自然、健康、长久的基础之上，这才是真正的不二法门。
【总页数】1页(P32)
【正文语种】中文
【中图分类】TS974.1
【相关文献】
1.基于响应曲面法旋风分离器的自然旋风长 [J], 钱付平;章名耀
2.旋风分离器自然旋风长的实验研究 [J], 姬忠礼;吴小林
3.旋风分离器自然旋风长的影响因素 [J], 高助威; 王娟; 王江云; 毛羽
4.上海施泉葡萄通过“瘦身”与“盖被”实现自然优生 [J],
5.旋风分离器自然旋风长的试验研究 [J], 魏耀东;张静;宋健斐;王甜
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响应曲面法优化旋流分离处理含油废水
设计 公 称直径 Ｄ一７ ５ ｍｍ、 筒 体 高 度 Ｈ ＝ ＝ ＝ １ ０ ０ ｍｍ、
锥体 高 度 Ｈ ：２ ５ ０ ｍｍ 的旋 流 器 作 为初 始 条件 。根 据 中心 组合 实 验 设 计 法 （ Ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ａ ｌ Ｃ ｏ ｍｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｅ Ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ） 对入 口直径 ｄ 、 溢流 口直 径 ｄ 。 、 底流 口直 径 ｄ 进 行 三 因素 三 水 平 实 验设 计 ， 编码分别为 Ｘ ， Ｘ ， Ｘ。 ， 中心
验方案 ， 主要体现在能准确估计 达到最 优处理效 率 的参 数 ］ ， 并且液一 液旋流 分离定 量分 析结果 较少 。数 值模 拟是一种分析旋流器经济可行 的手段［ ７ ］ ， 所 以本文通过 数值模拟对不 同尺寸 的旋流器 的分离效率 进行计 算 ， 并
采用响应 曲面法对模拟 结果进行 二次拟合 ， 最 后将优化
点 实验 次数 为 ６ ， ｒ值 为 １ ． ６ ８ ２ ＿ ｌ 。 以溢 流 口油 含 量
与人 口油含 量 的 比值 除油 率 为响 应值 ， 各 因 素三 水
平 由低 到 高分别 编码 一１ ， ０ ， ＋１ ， 如表 １所示 。
表 １ 各 因 素水 平及 编 码 设 计 ｍｍ
采用 Ｉ Ｃ Ｅ Ｍ Ｃ Ｆ Ｄ与 Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ 对 表 １中的不 同尺寸 的
旋 流器进行 模 拟 计 算 ， 相关文献指出， Ｒ Ｓ Ｍ 湍 流模 型
与 Ｍｉ ｘ ｔ ｕ ｒ ｅ 混 合 模 型 计 算 旋 流 分 离 器 具 有 较 高 的 精 度＿ １ 。 。由于 中心 实 验 次数 需 要 ６次 ， 模 拟 时 采用 不 同的网格划分精 度与 ｋ － ￡ 模型配 合使用 ， 以达 到不 同实 验结 果表征 随机误差 ， 本 次计算结果 如表 ２ 所示 。
实验设计中的响应曲面设计
实验设计中的响应曲面设计实验设计是科学研究、工程技术和生产管理等领域中必不可少的一个环节。
为了得到更加精确的实验结果，科学家们需要采用一些高级的实验设计技术，其中响应曲面设计就是一种十分常见和有效的技术。
响应曲面设计是一种设计试验方案的统计方法，它能够帮助科学家们建立一个多元函数与实验因素之间的关系模型，再通过这个模型来进行对实验响应值的预测、优化和最大化。
下面将对响应曲面设计的基本原理和实验步骤进行详细的介绍。
一、响应曲面设计的基本原理响应曲面设计的基本原理是基于多元线性模型的分析方法。
假设要研究的分析系统有k个固定因素，它们的值分别为$\zeta_{1}$，$\zeta_{2}$，……$\zeta_{k}$。
而因为一些特殊原因，每个因素的值都可能偏离理论值一定范围，因此我们根据不同的实验条件将k个因素分别设定为$x_{1}$，$x_{2}$，……$x_{k}$。
设实验值为y，则可得以下多元线性关系：$Y =b_{0}+b_{1}x_{1}+b_{2}x_{2}+……+b_{k}x_{k}+\varepsilon$其中$Y$表示响应变量，$b_{0}$，$b_{1}$，$b_{2}$，……，$b_{k}$是系数，$\varepsilon$是误差项，也就是模型无法解释的因素。
考虑到实验中可能存在非线性关系，响应曲面设计将线性多元模型进一步扩展到了非线性多元模型，即：$Y =b_{0}+b_{1}x_{1}+b_{2}x_{2}+……+b_{k}x_{k}+b_{11}x_{1}^{ 2}+b_{22}x_{2}^{2}+……+b_{kk}x_{k}^{2}+……+\varepsilon$这个模型中，响应曲面可以是一个方程，是由响应曲面设计计算得出的。
通过响应曲面方程，科学家们可以预测一个响应变量在不同实验因素值的情况下所取得的结果。
同时，也可以在保证响应变量满足一定的质量指标的前提下，对实验条件进行优化。
旋风分离器自然旋风长的影响因素
旋风分离器自然旋风长的影响因素高助威; 王娟; 王江云; 毛羽【期刊名称】《《石油学报（石油加工）》》【年(卷),期】2019(035)003【总页数】8页(P613-620)【关键词】旋风分离器; 自然旋风长; 旋涡尾端; 能量传递; 影响因素【作者】高助威; 王娟; 王江云; 毛羽【作者单位】中国石油大学重质油国家重点实验室北京102249; 过程流体过滤与分离技术北京市重点实验室北京102249【正文语种】中文【中图分类】TQ051.8旋风分离器是用于气、固分离的工业设备。
其内部流场为双涡旋转(双旋流)流场，内旋涡(内旋流)通常会在轴向位置某一位置发生偏转，称为旋涡“尾端”[1]。
Alexander[2]最早发现这一现象，并定义旋涡尾端到排气管下口的距离为自然旋风长。
通常认为，旋涡尾端会造成颗粒的返混与堵塞，增加了运动流体的不稳定性，影响气、固分离效率。
在旋涡尾端上部区域(自然旋风长区域)，为旋风分离器的有效分离空间；在旋涡尾端以下(超出自然旋风长部分)，气、固分离效率是较低的。
所以，自然旋风长的计算对旋风分离器的高度设计较为重要。
此外，在Leith等[3]、Dietz等[4]计算旋风分离器分离效率的模型中，都采用了Alexander提出的自然旋风长经验公式，而不是旋风分离器的物理高度。
因此，自然旋风长的研究对分离器的优化设计具有重要的意义。
众多国内外学者对旋风分离器内旋转流动进行了分析和研究[5-10]。
Bryant等[11]通过实验证明入口截面面积和排气管直径对自然旋风长的影响较大。
姬忠礼等[12]采用频闪观测仪进行流场测定，通过加尘实验，发现在灰环所在截面上的最大切向速度约为排气管下口截面切向速度的12%，因此将最大切向速度沿轴向衰减88%的截面定义为旋涡尾端，轴向高度为自然旋风长。
杜得喜等[13]运用计算流体力学(CFD)方法的研究结果表明，旋涡尾端气流速度方向发生突变，使此区域湍流度增加，旋涡尾端的雷诺数徒增，因此将湍动能峰值处定义为旋涡尾端，轴向高度为自然旋风长。
响应曲面法(RSM)
这种设计失去了旋转性。但保
留了序贯性，即前一次在立方 点上已经做过的试验结果，在 后续的CCF设计中可以继续使用，
可以在二阶回归中采用。
中心点的个数选择
反应变量为产能（最低75，目标80，望大），产品粘度（60,65,70 ），分子量Molecular Weight（3000,3200,3400）
RSM-CCD1.mtx
试验数据
StdOrder RunOrder PtType Blocks Time Temp Productivity
5
1 -1 1
首先建立一个23因子设计 统计》DOE》修改设计
即一个单位的面上， 当轴向点太远时，实 验条件达不到情况
当轴向点太远时，实 验条件达不到情况， 可以自己定义
3. Box-Behnken试验设计(BBD)
Box-Behnken试验设计是可以评价指标和因
素间的非线性关系的一种试验设计方法。和中心
1
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-1
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差和拟合不足误差，后者包括高阶项和交互项.
一般认为旋风分离器自然旋风长主要受如下
几个因素的影响，即 a / D，b / D，De / D，（ h - S）/ D，
lnR（e Re 的对数），"p / "g 以及 Stk50 等. 其中，Re =
"g Vin D / #，Stk50
= "p d2p Vin . 本文仅考虑前 5 个变量， l8# D
（ 东南大学洁净煤发电与燃烧技术教育部重点实验室，南京 210096）
摘要：利用商业计算流体力学软件 Fluent 6. 1 对不同结构尺寸以及运行条件下旋风分离器内部 气相流场进行了数值模拟，基于响应曲面法并利用统计软件 Minitab V14 得到了旋风分离器自 然旋风长新的预测模型. 对预测模型分析后表明，除了入口面积和排气芯管直径影响自然旋风长 外，入口风速、旋风器高度以及排气芯管的插入深度也会不同程度地影响自然旋风长. 由于自然 旋风长预测模型考虑了更多的影响因素，和以前的模型比较能更好地反映旋风分离器的结构尺 寸及运行条件对其性能的影响. 关键词：响应曲面法；旋风分离器；自然旋风长；预测模型 中图分类号：TK223. 22 文献标识码：A 文章编号：1001 - 0505（2006）02-0247-05
流场. 本文应用 CFD 商业软件 Fluent 6. l 对旋风分
离器气相流场进行了数值模拟，计算中采用 RSTM
模型，计算时采用的离散方法及其边界条件参见文
献［8］. 对于 RSTM，计算很难达到收敛，残差似乎
呈现出循环的趋势，这种趋势意味着流场中出现瞬
时现象. 因此本文在出现这种情况时采用非稳态计 算，此时时间步长取为 0. 025 S. Hoffmann 等［9］ 认
大减小.
式（4）的回归系数由最小二乘法拟合得到. 方
便起见，将所有变量规格化，即
i
=
Xi - X"i
（l / 2）（ XiH - XiL ）
2. 2 CFD 模型
（5）
由于旋风分离器中的气体流动是湍流状态下
的三维强旋流流动，由于常规的 k-$ 二方程模型湍 vortex lengths of cyclone separators based on response surface methodology
Gian Fuping Zhang Mingyao
（ Key Laboratory of Clean Coal Power Generation and Combustion Technology of Ministry of Education， Southeast UniVersity，Nanjing 210096，China）
D
D ab
（l）
文献［4
5］也提出了类似的公式，即
( ) ( ) l = 2. 26 De -l D2 -0. 5
D
D ab
( ) ( ) l = 2. 4 De -2. 25 D2 -0. 36l
D
D
ab
（2） （3）
式中，l 为自然旋风长；D 为旋风分离器筒体直径；
De 为排气芯管直径；a 为入口高度；b 为入口宽度. 文献［3 5］将自然旋风长的影响因素仅仅归结为
差较大，所以在对旋风分离器的流场进行数值模拟
时，选择恰当的湍流模型是非常重要的. 文献［6
8］认为雷诺应力输运模型（ RSTM）在预测旋风分
离器内部气相流场时和实验结果吻合较好. RSTM
模型的优点是可以准确地考虑各向异性效应，如浮
力效应、旋转效应、曲率效应和近壁效应等，因而大
多数被用来模拟旋风分离器内具有强旋流特点的
面上的 最 大 切 向 速 度 值 只 有 芯 管 下 口 截 面 处 的
l2 ，即切向速度最大值沿轴向衰减了 88 . 同时
灰环截面处切向速度分布巳趋平坦，轴向速度值也
衰减了 90 以上. 因此，将最大切向速度沿轴向衰
减了 88 的截面（ 尾涡的位置）与排气芯管下口
截面之间的距离定义为自然旋风长. 本文即采用该
方法确定自然旋风长.
2 模型建立
2. 1 响应曲面设计
首先根据实 际 选 择 响 应 曲 面 方 程，然 后 根 据
最小二乘法估计相应的系数，就可得到最初的响应
曲面方程. 然后根据显著性检验值的大小，可以分
析方程中对目标函数产生显著影响的因素. 根据上
述原理，首先考虑选择响应曲面方程的形式. 本文
选择二次响应曲面方程，并考虑所有的一次项、二
D，De，a 和 b，而事实上，入口风速、芯管插入深度 以及筒体高度也会不同程度地影响自然旋风长. 本
文将对此作进一步研究.
文献［5］在对圆筒形旋风管所作的加尘实验
表明，在直筒形旋风管的下部存在着一个灰环，其 轴向宽度约为 D / 4. 这种现象与 Alexander［3］ 的实
验观察基本一致. 经流场测定，在灰环所在径向截
第 36 卷第 2 期 2006 年 3 月
东 南 大 学 学 报（ 自 然 科 学 版 ）
JOURNAL OF SOUTHEAST UNIVERSITY（ Natural Science Edition）
Vol. 36 No. 2 Mar. 2006
基于响应曲面法旋风分离器的自然旋风长
钱付平 章名耀
model
自然旋风长对于旋风分离器的运行来说是一 个非常关键的参数，会影响分离效率、颗粒的团聚 以及器壁的磨损，在很多计算分级效率公式中，都 应用了自然旋风长公式. 但是通过实验来研究旋风 分离器结构尺寸对自然旋风长的影响，费时费力. 因此，利用计算流体力学（ CFD）研究旋风分离器
收稿日期：2005-07-20. 作者简介：钱付平（1974—），男，博士生；章名耀（ 联系人），男，教
表 ! RSM 模型中变量及其范围［11］
因素 De / D a/D b/D （ h - S）/ D lnRe
xi
XiL
Xih
x1
0. 30
0. 70
x2
0. 30
0. 80
x3
0. 15
0. 35
x4
0. 50
2. 50
x5
10. 20
12. 90
" 结果与分析
中心复合设计的设计点位于一个面中心的超 立方体中，由 3 部分组成：32（2k）个部分全部析因 的点；10（2k）个每个因素原点轴向部分的点；1 个 中心点. 表 2 为本文模型的方差分析. 表中 P 值说 明计算数据和二阶模型吻合得较好.
为：对于常规的筒锥型旋风分离器，尾涡不应在分
离 器 内， 而 会 停 留 在 料 腿 或 灰 斗 中. 同 时 DerkSen［l0］ 指出：为了真实地模拟出旋风分离器中
的流场，必须将粉尘收集装置考虑到模型中去. 基
于这些考虑，本文研究模型采用底部加直管并接一
灰斗的旋风分离器. 旋风分离器结构如图 l 所示.
2. 3 响应与因素
模型中入口风速 Vin = 2 ~ 30 m / S，D = 0. 2
第2 期
钱付平，等：基于响应曲面法旋风分离器的自然旋风长
249
图 ! 旋风分离器结构示意图
m，S = a，H / D = 4. 0（ 由于总高一定，因此模型实
际上也考虑了锥体高度影响），B / D = 0. 375，空气 密度 !g = 1. 225 kg / m3 ，" = 1. 81 X 10 -5 kg（/ m· S）. 表 1 给出了响应曲面模型中各变量的范围.
248
东南大学学报（ 自然科学版）
第 36 卷
风长的模型，该模型有助于优化旋风分离器的结构 设计.
1 自然旋风长
在旋风分离器中，外涡流在距离芯管一定轴向
位置处逐渐减弱并改变方向，这个轴向距离的大小
称为旋风 分 离 器 的 自 然 旋 风 长，轴 向 位 置 称 为 尾
涡. 文献［3］提出
( ) l = 2. 3 De D2 l/ 3
次项和两两交叉项. 响应曲面方程可表示为
k
k
! ! ! Y = !0 + !i Xi + !ii X2i + !ij Xi Xj +
i =l
i =l
i <j
（e Xl ，X2 ，…，Xk ）
（4）
式中，Y 为目标函数或称响应；Xi 为自变量；!i ，!i i ，
!ij 代表一次、二次、交互作用项的回归系数；k 为影 响因素的数量；e 为误差，有 2 个误差源，即实验误
即仅对旋风分离器的气相流场进行研究.
一种估计方程中各参数的方法是研究在 3 个
不同水平下所有因素的响应特性. 这种全部析因设 计将需 35 = 243 种不同的 CFD 模拟. 从时间和资
源角度考虑，全部析因设计是不可取的. 本文所采
用的五因素三水平的面中心的中心复合设计仅需
43 次 CFD 模拟，比三水平的全部析因设计数量大
表 # 二阶模型的方差分析
方差来源 自由度
模型
20
线性项
5
平方项
5
交互项
10
残差
22
总和
42
平方和 均方和 F 值 P 值 20. 845 8 1. 042 29 43. 22 0. 000 13. 601 6 2. 720 32 112. 80 0. 000 5. 755 7 1. 151 14 47. 73 0. 000 1. 488 4 0. 148 84 6. 17 0. 000 0. 795 8 0. 036 2 21. 641 6
授，博士生导师，Zmyao@ seu. edu. cn.
内部流场已经相当普遍，CFD 计算和实验比较，明 显的优点在于可以较方便地改变流动和结构参数 并获得比较准确的结果. 本文利用 CFD 作为工具 来研究结构尺寸和自然旋风长的关系. 由于影响自 然旋风长因素较多，如果不对此进行优化设计，其 工作量也是相当大的. 响应曲面 法（ response surface methodology）［1 2］可以克服正交实验方法中的 不足. 因此本文应用响应曲面法对计算次数进行设 计，在此基础上得出一个能预测旋风分离器自然旋