两种入口旋风分离器数值模拟对比

两种入口截面形式的旋风分离器流动分布的对比研究魏彦海（中国石油大学 储运与建筑工程学院，山东 青岛266555）摘要：针对旋风分离器内部的气相流动，采用RNG ε-k 双方程湍流模型模拟得到不同截面形状旋风分离器内气相流场分布，同时，使用随机轨道模型模拟得出不同粒径时的颗粒轨迹。

结果表明，长方形入口相比于正方形入口来说，能使分离器内部连续相流场和分散相的轨迹更加条理和规整，因此旋风分离器一般使用长方形入口形式。

关键词：旋风分离器；入口截面；RNG 模型；数值模拟Study on Flow in Two Different Inlet Cross-section CycloneWei Yan-hai(College of Pipeline and Civil Engineering in China University of Petroleum,Qingdao26655, China ）Abstract: The gas flow distribution in two different inlet cross-section cyclone is simulated by using RNG model. Meanwhile, the discrete phase model is used to get the track distribution of different size particles. The results show that the gas flow distribution and particle track in quadrate inlet cross-section cyclone is more neat and regular than foursquare inlet cross-section. So the cyclone mostly use quadrate inlet cross-section.Key words: cyclone separator; inlet cross-section; RNG model; numerical simulation旋风分离器是利用离心场中的介质的密度差将固体颗粒从气体中分离出来的一种分离设备。

旋风分离器具有结构简单、成本低廉、无运动部件、能适用于苛刻的生产条件等优点。

因此广泛应用在石油化工、煤炭发电和环境保护等部门。

旋风分离器的结构形式对分离器的内部流场和分离效率有较大的影响，许伟伟[1]等人就研究了直切式和涡壳式旋风分离器内不同的流场分布，得出涡壳式进口具有更适合造旋，分离空间切向速度比直切式大，气流旋转强度高等优点的结论。

笔者采用CFD 软件FLUENT 对具有相同截面积的不同截面形状的直切式旋流风分离器进行了内部流场模拟，揭示了其对分离性能和流场分布的影响机理，为旋风分离器的结构设计提供参考。

1 数学模型与边界条件1.1数学模型的选择目前旋风分离器中气相旋流数值模拟的计算模型主要有标准ε-k 模型、RNG 模型、雷诺应力模型（RSM ）以及代数应力模型（ASM ）。

标准ε-k 模型具有简单、计算速度快等优点，但是它基于各向同性假设，对于各向非同性湍流的强湍流分离器流场的模拟偏差较大。

代数应力模型（ASM ）虽然能够模拟湍流各向异性，但是对各向异性特征的描述能力有限。

RSM 模型虽然是最适合求解各向异性湍流运动的，但是RSM 模型在三维情况下需要求解7个方程，比双方程模型多了3倍还多，计算量比较大，因此笔者采用RNG ε-k 双方程湍流模型进行模拟。

RNG ε-k 双方程湍流模型的控制方程是：ρεμαρρ++⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡∂∂∂∂=∂∂+∂∂k j eff k j i i G x k x x ku t k )()( k C G k C x x x u t k j eff ji i 221)()(ερεεμαρερεεεε-+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡∂∂∂∂=∂∂+∂∂*其中，i eff μμμ+=ερμμ2k C i =0845.0=μC ，39.1==εααk30111)/1(βηηηηεε+--=*C C 42.11=εC ，68.12=εCεηkE E ij ij 21)2(⋅=⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂+∂∂=i jj i ij x u x u E 21 377.40=η，012.0=β旋风分离器内固相对于气相来说是非常稀疏的，所以本模拟采用Euler-Lagrange 方法，固相颗粒采用随机轨道模型[2]。

颗粒在Lagrangian 坐标系下的运动方程为x p p x p D p F g u u F dtdu +-+-=ρρρ/)()(式中：24Re182D pp D C d F ρμ=，μρuu D p p -=Re ，u 是气体的分子粘性系数，ρ、p ρ分别为气体与颗粒的密度，p d 为颗粒直径，D C 安文献[3]的方法计算。

颗粒轨道可以通过式p u dtdx=得到。

1.2 几何模型本文采用的几何模型是具有相同截面积的截面形状为正方形和长方形的旋风分离器，基本结构如图1a ，图1b 是计算时所划分的网格，其结构尺寸列于表1。

a b 图1 旋风分离器的结构及其网格 Fig.1 Structure of Cyclone and its mesh表1 不同入口截面旋风分离器尺寸 mmTable 1 Size of cyclone separators with different sectional area mm1.3边界条件本模拟中所使用的边界条件规定如下： （1）入口边界。

取入口为常温下的空气，沿入口截面法相速度为30m/s ，湍流强度为10%。

在使用分散相模型时设置材料密度1000kg/m ，颗粒的质量流动速率是0.05kg/s 。

（2）出口边界。

此处设出口处流动已经充分发展，，因此出口处设为自由出流边界条件。

（3）下灰口边界。

设此处气体流量为0，即无气体流从此口出流，因此为壁面边界条件。

（4）壁面边界。

壁面采用无滑移边界条件，湍流采用标准壁面函数法处理。

（5）交界面。

出气口下端面与筒体的相交的界面采用交界面边界条件。

1.4 差分格式选择离散方法采用有限体积法。

差分格式采用一阶迎风格式，采用标准压力插补格式，采用SIMPLE 算法耦合连续性和动量方程。

2 结果分析与讨论2.1 气相流场分布 2.1.1 切向速度分布图2给出了RNG ε-k 双方程湍流模型计算得到的Ⅰ、Ⅱ型2个分离器内z=645mm 截面的切向速度矢量图。

该图显示旋转地气流基本上是关于轴心对称的，但是可以明显的看出模型Ⅰ的流场要比模型Ⅱ的规整，更加条理化。

a.模型Ⅰb.模型Ⅱ图2 z=645mm 截面切向速度矢量分布图 Fig.2 Tangential speed vector distribution atsectional cut z=645mm图3给出了Ⅰ、Ⅱ型两个旋风分离器内z=360mm 截面的切向速度矢量图。

该图显示了旋转气流并不是关于轴心对称的，这说明在旋风分离器中气流并不是严格沿着轴心上升的。

同时可以看出模型Ⅰ的流场要比模型Ⅱ的规整、条理。

a.模型Ⅰb.模型Ⅱ图3 z=360mm 截面切向速度矢量分布图 Fig.3 Tangential speed vector distribution atsectional cut z=360mm2.1.2轴向速度分布 图4分别给出了由RNG ε-k 双方程湍流模型计算得到的Ⅰ、Ⅱ型2个旋风分离器内x=0截面的轴向速度矢量图。

从对比中可以看出，模型Ⅰ的流场比模型Ⅱ的更加的规整，模型Ⅰ在筒体上部产生的旋流要比模型Ⅱ强烈，并且可以看出模型Ⅱ在筒体上部出气口壁的外侧产生的与主旋流方向相反的旋流要比模型Ⅰ强烈的多。

同时可以观察出旋风分离器中气流并不是严格沿着轴心上升的，特别是在筒体下部和灰斗中，这印证了截面z=360mm 切向速度的分布情况。

a.模型Ⅰb.模型Ⅱ图4 x=0截面轴向速度矢量分布图Fig.4 Axial speed vector distribution at sectionalcut x=0 2.2 颗粒的轨迹分布图5显示了Ⅰ、Ⅱ型2种旋风分离器内颗粒直径为1μm、30μm、100μm粒子轨迹分布图，从图中可以看出，直径1μm的颗粒随气流旋转向下运动，部分颗粒到达锥部灰斗之后又随内部的上升气流螺旋上升，进入排气管，还有部分颗粒没有达到底部时就进入内旋流，通过旋转气流上升，直接进入排气芯管。

从30μm和100μm的颗粒轨迹图中可以看出，两种大直径的颗粒由于受到较大离心力的作用，被甩向壁面，沿壁面螺旋下滑至分离器底部灰斗，被分离出来；还可以看到，与30μm颗粒轨道不同的是，100μm颗粒由于惯性大，更容易保持原先的螺旋运动状态。

通过模型Ⅰ的颗粒轨迹与模型Ⅱ的颗粒轨迹的对比可以看出，模型Ⅰ的颗粒运动轨迹要比模型Ⅱ的规整，这对降低分离器的内部的压力损失，提高分离器的分离效率是有利的。

a.Ⅰ型1μm颗粒b.Ⅰ型30μm颗粒c.Ⅰ型100μm颗粒d.Ⅱ型1μm 颗粒e.Ⅱ型30μm 颗粒f.Ⅱ型100μm 颗粒图5 颗粒轨迹图 Fig.5 Track of particles3 结论（1）相同截面积不同截面形状的旋风分离器在同样的条件下其内部流场是不同的，长方形入口相比于正方形入口来说，能使分离器内部连续相流场和分散相的轨迹更加条理和规整。

（2）旋风分离器可以将直径较大的颗粒完全分离，直径较小的颗粒可能会被内旋流带出分离器。

（3）由于长方形入口相比于正方形入口的优势，因此旋风分离器的入口大部分设计为长方形。

长方形入口的具体的最优化的尺寸，还需要进一步的模拟来确定。

参考文献：[1] 许伟伟,金有海,王建军.两种不同入口形式的旋风分离器内流动分布的对比研究.流体机械,2009,37(10):1~6.[2] 苏亚欣,郑安桥,杨翔翔.进口结构对方形旋风分离性能影响的数值研究.热科学与技术,2009,8(4):318~325.[3] HAIDER A, LEVENSPIEL O. Drag coefficient and terminal velocity of spherical and nonspherical particles[J]. Pow Tech, 1989, 8(1):63—70．。