劉鳳戚　仲凱

摘 要：簡要介紹了CFD技術(shù)，并利用CFD技術(shù)對旋風(fēng)分離器進(jìn)行數(shù)值研究，探討了適用于旋風(fēng)分離器的計(jì)算模型，包括湍流模型的選擇、多項(xiàng)流模型的選取以及內(nèi)部空氣柱的分析方法。以錐形分離器為例進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和模擬，獲得了旋風(fēng)分離器中內(nèi)部流場的靜壓云圖、速度云圖和速度矢量圖，并用模擬結(jié)果與實(shí)際情況作為參照，得出可信性分析，這在以后對于旋風(fēng)分離器的優(yōu)化設(shè)計(jì)及性能分析有著重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：CFD技術(shù) 旋風(fēng)分離器 內(nèi)部流場

中圖分類號：TH43 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）06（b）-0092-02

Abstract：CFD technology was introduced briefly，with which numerical research was carried on.Computational models for Hydrocyclone were discussed，including the choice of turbulence model，multiphase flow model and calculation method for air column.Numerical simulation for taper hydrocyclone was taken as an example.Static pressure cloud chart，velocity cloud chart and vectorgraph of hydroclone internal flow field were achieved.Comparison between the simulation results and practice was made to prove the reliability with the directive significance to hydrocyclone optimization design and performance analysis.

Key Words：CFD Thchnology；Hydrocyclone；Internal Flow Field

旋風(fēng)分離器廣泛應(yīng)用于石油化工、燃煤發(fā)電和環(huán)保等許多行業(yè)。它作為一種重要的氣固分離設(shè)備，與其他氣固分離設(shè)備的技術(shù)相比具有機(jī)構(gòu)簡單、無運(yùn)動部件、分離效率高和壓降適中等特點(diǎn)，尤其適用于高溫、高壓和含塵濃度高的工況。旋風(fēng)分離器內(nèi)的流體是一個復(fù)雜的三維旋轉(zhuǎn)流動，流體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動簡稱渦流。到現(xiàn)在為止還不能用理論分析的方法來闡明旋流器內(nèi)部的流體力學(xué)規(guī)律。近年來，隨著計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，應(yīng)用計(jì)算機(jī)根據(jù)計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的原理和方法，對旋流器內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬受到越來越多學(xué)者的重視。

1 旋風(fēng)分離技術(shù)

旋風(fēng)分離器的實(shí)際工作原理涉及到不同的學(xué)科，尤其是與旋轉(zhuǎn)流動有關(guān)的流體力學(xué)、流體中顆粒的流動、顆粒特性等知識。

旋風(fēng)分離器的性能評價主要是總分離效率、分級效率和壓降。因此我們可以分析得出影響旋風(fēng)分離器性能的主要因素為結(jié)構(gòu)參數(shù)、粉塵的物理性質(zhì)和分離器的運(yùn)行參數(shù)。為了可以實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)的合理性和高度可控性，有必要研究旋風(fēng)分離器的內(nèi)部流場特性，在這過程中CFD技術(shù)是除了實(shí)驗(yàn)外的可準(zhǔn)確分析內(nèi)部流場特性的唯一手段。

2 CFD技術(shù)

CFD軟件將一些難懂的程序代碼打包，因此該項(xiàng)技術(shù)更易于掌握和使用，它可以快速地、相對準(zhǔn)確地計(jì)算并表示旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場的流動情況，如速度、壓力、濃度甚至湍流動能的分布，可以進(jìn)一步對流場進(jìn)行預(yù)測和分析，同時也可以通過分析提出問題和解決問題。常用的CFD商用軟件有PHOENICS、CFX、STAR-CD、FIDIP、FLUENT等多個商用CFD軟件，這些軟件的功能比較全面、適用性強(qiáng)；具有比較易用的前后處理系統(tǒng)和與其他CAD及CFD軟件的接口能力；具有比較完備的容錯機(jī)制和操作界面，穩(wěn)定性高；可在多種計(jì)算機(jī)、多種操作系統(tǒng)，包括并行環(huán)境下運(yùn)行。本文中主要應(yīng)用了ANSYS ICEM CFD和FLUENT CFD應(yīng)用軟件進(jìn)行模擬和分析。

3 旋風(fēng)分離器的數(shù)值模擬

3.1 湍流模型的選擇

旋風(fēng)分離器內(nèi)的流體運(yùn)動可分為短路流、內(nèi)旋流、外旋流、空氣柱等形式，分離區(qū)域可大致分為預(yù)分離區(qū)、預(yù)主分離區(qū)。顯然，不同區(qū)域流體的運(yùn)動情況不同，也表示不同區(qū)域的固體顆粒的運(yùn)動特性受不同方式的影響。因此，選擇正確的湍流模型在研究內(nèi)部流場上是至關(guān)重要的。

雷諾應(yīng)力模型（RSM）比單方程和雙方程模型更加嚴(yán)格的考慮線型彎曲、漩渦、旋轉(zhuǎn)和張力快速變化，它對于復(fù)雜流動有更高的精度預(yù)測的潛力?？梢钥闯鲈撃Ｐ头浅?fù)雜，有潛力成為所有經(jīng)典湍流模型中的通用。計(jì)算工作量非常大因此在邊界計(jì)算過程中的差分格式采用QUICK差分格式，求解器采用三維雙精度穩(wěn)態(tài)求解器，以便計(jì)算結(jié)果更為精確。RSM模型是計(jì)算重介質(zhì)旋流器的最佳湍流模型。在流場不是很復(fù)雜的情況下也可選擇標(biāo)準(zhǔn)模型。

3.2 網(wǎng)格的劃分

本文中使用ANSYS ICEM CFD，這個商業(yè)軟件中可以提供高級幾何獲取、網(wǎng)格生成、網(wǎng)格優(yōu)化以及后處理工具以滿足當(dāng)今復(fù)雜分析對集成網(wǎng)格生成與后處理工具的需求。旋風(fēng)分離器的入口的網(wǎng)格是一個難點(diǎn)，本文中應(yīng)用此軟件為之后的模擬和后處理做了可靠的準(zhǔn)備。

3.3 計(jì)算結(jié)果及對比

分別是旋風(fēng)分離器內(nèi)靜壓云圖、切向速度云圖、軸向速度云圖和入口速度矢量圖。由圖可以看出，旋風(fēng)分離器內(nèi)部壓力和速度基本沿中軸呈對稱分布。沿徑向方向全壓具有較大梯度；切向速度先增大后減小，具有極大值；軸向速度先減小后增大，有極小值。與現(xiàn)有分析及模擬結(jié)果相一致。

圖5為平面z=-270 mm切向速度，在此將模擬結(jié)果與參考文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對比，可見模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合較好。由此表明，所采用的計(jì)算模型和數(shù)值模擬方法能較好地預(yù)測旋風(fēng)分離器內(nèi)的氣相流場，有較高的可靠性。其中a圖為參考文獻(xiàn)中結(jié)果，b圖為本次模擬結(jié)果。endprint

4 結(jié)語

本文基于CFD技術(shù)，針對旋風(fēng)分離器模型，探討了適用的湍流模型、網(wǎng)格的劃分以及模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析對比，從不同的角度驗(yàn)證了CFD技術(shù)在旋風(fēng)分離器中的可靠應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上可以通過不同的模擬條件對旋風(fēng)分離器進(jìn)行流場分析，從而得到影響旋風(fēng)分離器的主要因素，最終達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。CFD技術(shù)對旋風(fēng)分離器的選擇以及準(zhǔn)確的預(yù)測分離性能有著重要的作用。

當(dāng)然，CFD技術(shù)本身也存在著一定的局限性，比如對物理模型、經(jīng)驗(yàn)技巧有一定的依賴，但是因其巨大的優(yōu)勢，在之后的研究學(xué)習(xí)過程中它將發(fā)揮著越來越多的作用。

參考文獻(xiàn)

[1] A.C.霍夫曼，L.E.斯坦因.旋風(fēng)分離器-原理、設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用[M].彭維明，姬忠禮，譯.化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[2] Khairy Elsayed ，ChrisLacor.Optimization of the cyclone separator geometry for minimum pressure drop using mathematical models and CFD simulations[J].Chemical EngineeringScience，2010，65：6048-6058.

[3] 董瑞倩，孫國剛，高翠芝，等.高溫高壓旋風(fēng)分離器流場模擬及性能試驗(yàn)[J].中國粉體技術(shù)，2011，17（4）：1-4.

[4] 黃濱，王樂勤，焦磊，等.升氣管插入深度對旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場影響的數(shù)值模擬[J].化工機(jī)械，2010，37（1）：53-57.

[5] 王金瑞，張凱，王剛.Fluent技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用實(shí)例[M].清華大學(xué)出版社，2007.

[6] 金有海，姬廣勤，曹晴云，等.旋風(fēng)分離器排氣管內(nèi)氣相流場的數(shù)值模擬[M].中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，32（6）：109-112.

[7] 李丹，馬貴陽，杜明俊，等.基于DPM的旋風(fēng)分離器內(nèi)顆粒軌跡數(shù)值模擬[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31（2）：36-38

[8] 宋健斐，楊光福，陳建義，等.旋風(fēng)分離器內(nèi)氣相流場的相似模化分析（2）尺寸參數(shù)[J].化工學(xué)報(bào)，2010，61（9）：2274-2279

[9] 吳德銘，郜冶.實(shí)用計(jì)算流體力學(xué)基礎(chǔ)[M].哈爾濱工程大學(xué)出版社，2008：317-330.endprint