科氏力作用下旋风分离器内颗粒运动规律的研究

科氏力作用下旋风分离器内颗粒运动规律的研究旋风分离器作为一种结构简单、方便快捷、高效可靠的气固分离设备,被广泛地应用于化工、石油、能源、环保、矿业等诸多领域。目前,在能源短缺和环境恶化的大背景下,工业生产中对旋风分离器的设计和应用提出了更加严格的要求。

但由于旋风分离器内部为科氏力作用下各向异性的三维强旋流流场,颗粒在其中的运动极其复杂。因此,深入研究旋风分离器内部流场结构以及颗粒的运动规律,对旋风分离器的结构优化和性能提升有着重要的意义。

本文采用实验和数值模拟相结合的方法,对直切式旋风分离器内的流场和固相颗粒运动规律进行了深入的研究,具体内容如下:(1)通过实验测量了不同流量下旋风分离器的进出口压力差和颗粒的分离效率。(2)采用不同的湍流模型计算了旋风分离器的进出口压差,并与实验数据对比。

结果表明雷诺应力模型(RSM),对流项的QUICK格式和压力梯度项的PRESTO 压力插补格式更适合用于旋风分离器的流场模拟。通过对气相流场的分析可知,切向速度和轴向速度在颗粒的分离中起主导作用;旋风分离器内的流动伴随着能量的损失,其表现为压力的损失;旋风分离器外圈向下的流体和内圈向上的流体中夹杂着二次流动,它们的存在会改变流场结构,从而影响颗粒的分离。

(3)在气相流场的基础上,利用离散相模型(DPM)对旋风分离器的气固两相流场进行了数值模拟,其中湍流扩散采用基于随机轨道模型的随机游走模型(DRW)。通过对比实验、理论和数值计算的分级效率可知,三者吻合较好,说明离散相模型和随机游走模型在气固两相流场的模拟上能够保证结果的准确性。

(4)通过研究颗粒运动轨迹与粒径、入口位置的关系可知,细微颗粒由于受空

气粘带的作用较大,因此受短路流的影响较大;小颗粒受纵向涡流的影响较大,因此呈现出在内外旋流间交替运动的情况;大颗粒则主要受锥体段底部偏心环流的影响。此外,细微颗粒从入口中下部靠外侧的区域进入时分离效率最高;小颗粒从入口中下部进入时分离效率最高;大颗粒从入口上部和外侧区域进入时分离效率最高。

(5)针对颗粒运动规律的研究结果,将旋风分离器的进气管改为缩口式结构。通过模拟研究发现,当缩口角为20°时,既能有效地提升旋风分离器的分离效率,又不会使分离器的压降升高太大而造成过多的能量损耗。