气液旋流分离器排气管结构优化的数值模拟

旋 流分离 技术 日益 成为 国 内外 竞相 研究 的热 点技术， 旋流 分 离 器具 有 结 构简 单 、 无 运 转部 件 、
１ ． １ 湍流模 型 的选择 Ｃ Ｆ Ｄ能 够成 功模 拟 分 离 器 内部 湍 流 流 场 ， 关 键在 于 能 够 准 确 描 述 出 湍 流 流 场 的 特 征 。 Ｆ Ｌ Ｕ Ｅ Ｎ Ｔ中提供 的湍 流 模 型 中只 有 Ｒ Ｓ Ｍ 模 型 能 够预 测与 实验 数据一 样 的组合 涡 。 目前 国 内外 许 多学 者应 用 Ｒ Ｓ Ｍ 模 型 成 功模 拟 气 液 旋 流 分 离 器 内部流 场 的情 况 Ｈ ， 因此笔 者 采用 Ｒ Ｓ Ｍ模 型 对 旋流 器 内气相 流场进 行数 值计算 。 １ ． ２ 控制 方程
Ｄ
．
— —
湍流 扩散项 ；
Ｐ ， —— 雷诺 剪应力 产 生项 ； 咖 ， —— 压力 应变项 ；
— —
工
机
械
６ ２ １
１ ． ３ Ｄ Ｐ Ｍ 模 型
用， 其 他作 用力 相对 于曳 力要 小很 多故 忽略不 计 。 １ ． ４ 边 界 条件 的设定 采用 欧拉 一拉格 朗 日计算 方法 时应 先计 算连 续相 流场 ， 然后再 引入离散 相 ， 因此 边界 条件 设定 分为气 相 边 界 条 件 的设 定 和 两 相 边 界 条 件 的设 定， 两 者 的区别 在 于 后者 主要 表 现 在 颗粒 相 的设 置上 。首先 设 置气 相 边 界 条 件 ， 分 离器 入 口设 置 为ｖ ｅ ｌ ｏ ｃ ｉ ｔ ｙ ｉ ｎ ｌ ｅ ｔ ， 连续相介质为空气 ， 出 口条 件 为 ｏ ｕ ｔ ｆ ｌ ｏ ｗ， 其 他壁面均 设置为无 滑移边界 条件 ， 在 后 设置 两相 边界 条 件 ， 入 口处 将 颗 粒群 按 初 始 尺 寸分组 ， 使 不 同直 径 的液 滴 均 匀 的从 人 口截 面 上 射 入分 离器 内 ， 液 滴 的初 始 速 度 为 气体 的入 口速 度； 当液滴 运动 到壁 面时 只考虑 反弹 和沉 积 ， 故 壁 面设置 为 ｒ ｅ ｆ ｌ ｅ ｃ ｔ ， 设 置 排 气 口边 界 为 ｅ ｓ ｃ ａ ｐ ｅ ， 捕 集
连续 性方 程 ： 动 量方程 ：
Ｏ ｔ ＋ ａ
ｘ
＝ 一
处 理量 大 、 效 率 高 以及压 降适 中等 优点 。近 年来
大部 分研 究 集 中 于 旋 流 分 离 器 结 构 上 的优 化 设 计， 主 要 体现 在 ： 提 高 其对 细 粒 的捕 捉 能 力 ； 设计 出压 降低 、 能耗低 、 分离 效率 高 的分离 器 。研究发 现 排气 管 的结 构 形式对 旋 流分离 器 的性能 影响较
内部 气相 流场 和液 滴轨 迹 进 行 了数 值 模 拟 ， 模 拟 结 果 显 示锥 角 在 Ｏ一 ２ ０ 。 范围 内， 随 着锥 角 的 不 断 增 大 ， 压 降 小 幅度 减 小 ， 当达 到 临 界 角度 时 压 降 略 高 于 传 统 型 排 气 管 压 降 ， 但 分 离效率提 高 了 ９ ． ２ ％， 因此 扩 散 雏 形排 气 管 应 用 到切 流 式 气 液 旋 流 分 离器 内既 可 以保 持 压 降基 本 不 变 又 能提 高 分 离效 率 。 关键 词 气 液 旋 流 分 离 器 数 值 模 拟 排 气 管 中图分类号 Ｔ Ｑ ０ ２ ８ ． ５ ４ 文献标识码 Ａ 文章编号 ０ ２ ５ ４ ￣０ ９ ４ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ５ － ０ ６ ２ ０ － ０ ５
６ ２ ０
化
工
机
械
２ ０ １ ３生
气 液旋 流 分 离 器 排气 管 结构 优 化 的数 值模 拟
周 云 龙 米列 东 杨 美
（ 东 北 电力 大 学 能 源 与 动 力工 程 学 院 ）
摘
要
利用 Ｆ Ｌ Ｕ Ｅ Ｎ Ｔ提 供 的 Ｒ Ｓ Ｍ模型和 Ｄ Ｐ Ｍ 模 型 对采 用扩 散 锥 形 排 气 管 的 切 流 式 气 液 旋 流 分 离 器
。 ‘ 眠
＋
： ０
（ １ ）
一
情 况 下提 高分 离 效 率 。 目前 为 止 ， 该 种 结 构 形 式
只在 轴流式 分 离器 内采 用 ， 而 切 流 式分 离 器 还 未 见应 用 。笔者 采 用数 值 模 拟 的 方法 ， 研 究 扩 散 锥
毒 缸 ＋ 毒 Ｏ ｘ 【 （ ＼ 詈 Ｏ ｘ ＋ 善 Ｏ ｘ ） Ｊ 一 ｃ ｐ Ｊ 】
大 。金 向红 等… 通 过 实 验 证 实 了 相 对 于 传 统 的
直 气 管形结 构 ， 采 用扩 散 锥 形 排气 管 结 构 可 以有 效 地 削弱旋 流分 离 器 内短 路 流 的形 成 ， 这 种 倒 坡 的 出 口结构 使液 膜难 以形成 和攀 升 同时也 能减 少 因突缩 造成 的 压 降 ， 从 而 在 保 证 压 降基 本 不 变 的
湍 流扩 散影 响后 ， 得 到 流 场 中 颗粒 的运 动 速 度 和
轨迹。
周 云龙 ， 男， １ ９ ６ ０年 ２月 生 ， 教 授 。吉 林 省 吉 林 市 ， １ ３ ２ ０ １ ２ 。
式中
Ｃ —— 对 流项 ；
Ｄ —— 扩 散项 ； Ｄ¨， —— 分 子粘 性扩 散项 ；
（ ２ ）
， ，
形排 气管对 切 流式气 液旋 流分 离器 分离性 能 的影
响和 确定 最佳 的锥 角 。
Ｒ ｅ ｙ ｎ ｏ ｌ ｄ ｓ 应力方 程 ：
＋ Ｃｉ ｊ＝ ＤＴｑ＋Ｄ ＬＩ ｊ ＋Ｐ ｊ＋ ｚ
㈣
１ 数值 计算 模 型 欧拉 一拉 格 朗 日计算 方法 是 目前应 用 比较多 的一 种计 算 气 液 两 相 流 动 的 方 法 。 它 将 气 相 看作 连续 相 ， 液滴 看 作 是 分 布 于连 续 相 中 的离 散 颗粒 。该 方法 必须 先得 到 收敛 的单相 流场后 再 引 入 颗粒 相 ， 在 考 虑 了颗 粒 在 流 场 中 的各 项 受 力 和