蔡香麗，楊智勇，馬玉苗，管述哲，魏耀東,2

(1.新疆工程學(xué)院 化學(xué)工程系，新疆 烏魯木齊 930091；2.中國(guó)石油大學(xué) 化工學(xué)院, 北京 102249)

旋風(fēng)分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)流湍流特性的實(shí)驗(yàn)分析

蔡香麗1，楊智勇1，馬玉苗1，管述哲1，魏耀東1,2

(1.新疆工程學(xué)院 化學(xué)工程系，新疆 烏魯木齊 930091；2.中國(guó)石油大學(xué) 化工學(xué)院, 北京 102249)

采用熱線風(fēng)速儀(Hot wire anemometry，HWA)測(cè)量了φ300 mm×2000 mm旋風(fēng)分離器內(nèi)的瞬時(shí)切向速度，進(jìn)而分析旋轉(zhuǎn)流的湍流特性。基于測(cè)量的瞬時(shí)切向速度計(jì)算的湍流強(qiáng)度表明，切向湍流強(qiáng)度是由氣流自身湍流脈動(dòng)產(chǎn)生的湍流強(qiáng)度和氣流旋轉(zhuǎn)波動(dòng)產(chǎn)生的湍流強(qiáng)度兩部分構(gòu)成。在壁面附近，切向湍流強(qiáng)度主要是旋轉(zhuǎn)流自身的湍流脈動(dòng)作用，旋轉(zhuǎn)流波動(dòng)對(duì)其影響較??；而在幾何中心附近，切向湍流強(qiáng)度不僅有旋轉(zhuǎn)流自身的湍流脈動(dòng)，而且更主要是旋轉(zhuǎn)流擺動(dòng)的影響。由于旋風(fēng)分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)流的旋轉(zhuǎn)中心與幾何中心不重合，形成了旋流的擺動(dòng)，使中心區(qū)域的計(jì)算切向湍流強(qiáng)度驟增，遠(yuǎn)大于壁面區(qū)域的切向湍流強(qiáng)度。

旋風(fēng)分離器；熱線風(fēng)速儀(HWA)；旋轉(zhuǎn)流；湍流強(qiáng)度；波動(dòng)特性

旋風(fēng)分離器作為一種廣泛使用的氣-固分離設(shè)備，特別適用于一些高溫、高壓的氣-固分離工藝，如煉油催化裂化裝置中凈化煙氣和油氣的旋風(fēng)分離器、丙烯腈反應(yīng)器內(nèi)分離催化劑的旋風(fēng)分離器等。旋風(fēng)分離器是利用氣流旋轉(zhuǎn)離心力使固體與氣體分離，其旋轉(zhuǎn)流流場(chǎng)的研究是強(qiáng)化分離性能的重點(diǎn)。旋風(fēng)分離器內(nèi)部是一個(gè)三維湍流強(qiáng)旋轉(zhuǎn)流流場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)流的三維速度分布和湍流特性存在一定的變化規(guī)律[1-6]。但是相關(guān)的研究多局限在宏觀參數(shù)，即穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)靜態(tài)特性的描述上，缺少對(duì)流場(chǎng)瞬態(tài)特性的分析，尤其是對(duì)湍流強(qiáng)度的分析基本上只基于時(shí)均統(tǒng)計(jì)的方法。Hoekstra等[6]、王建軍等[7]采用激光多普勒測(cè)速儀(Laser doppler velocimetry, LDV)，王甜等[8]利用熱線風(fēng)速儀(Hot wire anemometry，HWA)，吳小林等[9]采用粒子圖像測(cè)速儀(Particle image velocimetry，PIV)分別測(cè)量了旋風(fēng)分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)流切向速度的湍流強(qiáng)度。測(cè)量結(jié)果表明，在外旋流區(qū)，湍流強(qiáng)度較小且分布均勻；進(jìn)入內(nèi)旋流區(qū)，湍流強(qiáng)度顯著增大。對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬結(jié)果也表明，湍流強(qiáng)度在內(nèi)旋流區(qū)域急劇增大[9-11]。雖然上述研究有助于認(rèn)識(shí)旋風(fēng)分離器流場(chǎng)的湍流特性，但僅停留在現(xiàn)象的描述上，缺乏對(duì)湍流特性機(jī)制的分析。實(shí)際上，旋風(fēng)分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)流的中心和旋風(fēng)分離器的幾何中心不重合，旋轉(zhuǎn)中心在橫截面上作不規(guī)則的擺動(dòng)，形成了旋轉(zhuǎn)流波動(dòng)[12-15]。這種旋轉(zhuǎn)流動(dòng)形式的湍流不同于一般直管內(nèi)的湍流，更需要考慮旋轉(zhuǎn)流波動(dòng)對(duì)湍流的影響。為此，筆者在實(shí)驗(yàn)測(cè)量瞬時(shí)切向速度的基礎(chǔ)上，分析了旋轉(zhuǎn)流波動(dòng)與切向速度湍流特性之間的關(guān)系，以及旋轉(zhuǎn)流擺動(dòng)對(duì)湍流強(qiáng)度分布的影響。

1 旋風(fēng)分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)流特性的實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)量方法

研究旋風(fēng)分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)流特性的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。采用吸風(fēng)負(fù)壓操作，氣體在旋風(fēng)分離器內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)流，然后從排氣管流出。氣體為常溫空氣，設(shè)定入口速度Vi=10 m/s。

圖1 研究旋風(fēng)分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)流特性的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖2為旋風(fēng)分離器模型。為了考察旋轉(zhuǎn)流波動(dòng)特性，在結(jié)構(gòu)上將常規(guī)旋風(fēng)分離器的錐體部分取消，以消除錐體對(duì)切向速度的加速作用。旋風(fēng)分離器采用整體筒體結(jié)構(gòu)，用有機(jī)玻璃制造，筒體尺寸φ300 mm×2000 mm，進(jìn)氣口尺寸178 mm×92 mm，排氣管直徑φ90 mm。軸向坐標(biāo)Z原點(diǎn)在升氣管入口截面的中心處，向下為正。筒體軸向上選擇Z分別為322 mm、572 mm和1072 mm 3個(gè)測(cè)量截面，主要測(cè)量0°～180°徑向方向的切向速度，徑向測(cè)量點(diǎn)間隔20 mm。采用美國(guó)TSI公司IFA100/200熱線風(fēng)速儀，采樣頻率5000 Hz，采樣時(shí)間1 s。切向速度是旋風(fēng)分離器流場(chǎng)的主要分量，并能直接反映旋轉(zhuǎn)流的擺動(dòng)變化，因此通過(guò)測(cè)量瞬時(shí)切向速度的波動(dòng)變化考察旋轉(zhuǎn)流的湍流特性。

圖2 旋風(fēng)分離器尺寸和測(cè)量點(diǎn)

2 結(jié)果與討論

2.1 旋風(fēng)分離器內(nèi)的時(shí)均切向速度和瞬時(shí)切向速度

圖4為旋風(fēng)分離器3個(gè)測(cè)量截面上不同測(cè)量點(diǎn)的瞬時(shí)切向速度隨時(shí)間的變化曲線。其中，圖4(a)、(c)、(e)是1s測(cè)量時(shí)間內(nèi)所有數(shù)據(jù)繪制的曲線，而圖4(b)、(d)、(f)是其對(duì)應(yīng)1s測(cè)量時(shí)間0.4～0.6s區(qū)間的局部放大圖。由圖4可知，旋轉(zhuǎn)流的瞬時(shí)切向速度是由高頻的湍流脈動(dòng)速度和低頻的波動(dòng)速度疊加構(gòu)成，其脈動(dòng)速度反映了氣流自身的湍流，是無(wú)規(guī)則和高頻的，而波動(dòng)速度是一種低頻高幅的速度變化，具有類周期性，由旋轉(zhuǎn)流的波動(dòng)造成，即由旋轉(zhuǎn)流的旋轉(zhuǎn)中心偏離旋風(fēng)分離器幾何中心擺動(dòng)造成。

圖3 旋風(fēng)分離器內(nèi)時(shí)均切向速度分布曲線

2.2 旋風(fēng)分離器內(nèi)瞬時(shí)切向速度的概率密度分布

湍流理論[16]認(rèn)為，湍流速度場(chǎng)在時(shí)間點(diǎn)上具有不規(guī)則性，但在時(shí)間區(qū)間上具有規(guī)則性的概率分布和平均特性。旋轉(zhuǎn)流的湍流脈動(dòng)速度作為一個(gè)連續(xù)型的隨機(jī)變量，在時(shí)間區(qū)間上的數(shù)值分布符合高斯分布函數(shù)，對(duì)應(yīng)旋轉(zhuǎn)流瞬時(shí)切向速度Vt的高斯分布函數(shù)P(Vt)如式(1)所示。

(1)

通過(guò)對(duì)Z=322mm和Z=1072mm測(cè)量截面上的瞬時(shí)切向速度進(jìn)行類似分析，也可以得到具有同Z=572mm測(cè)量截面相同的結(jié)果。

圖5 旋風(fēng)分離器內(nèi)的瞬時(shí)切向速度的高斯分布函數(shù)(P(Vt))擬合曲線

為了進(jìn)一步分析旋轉(zhuǎn)流擺動(dòng)對(duì)瞬時(shí)切向速度的影響，將旋風(fēng)分離器3個(gè)測(cè)量截面(Z=322 mm，Z=572 mm，Z=1072 mm)不同徑向位置測(cè)量點(diǎn)在1 s測(cè)量時(shí)間內(nèi)5000個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)分別通過(guò)式(1)進(jìn)行高斯函數(shù)擬合，結(jié)果如圖6所示。當(dāng)r/R>0.40時(shí)，高斯擬合曲線分布比較窄，σ比較小，即切向速度數(shù)據(jù)分布比較集中；當(dāng)r/R<0.40時(shí)，高斯擬合曲線開始變寬，σ比較大，說(shuō)明切向速度數(shù)據(jù)分散度增大。這是由于旋轉(zhuǎn)流波動(dòng)造成的數(shù)據(jù)分散。

圖6 旋風(fēng)分離器內(nèi)的瞬時(shí)切向速度的高斯分布函數(shù)擬合曲線沿徑向的變化

2.3 旋風(fēng)分離器內(nèi)切向速度的湍流強(qiáng)度

反映氣流湍流特性的主要參數(shù)是湍流強(qiáng)度。湍流運(yùn)動(dòng)在空間任意點(diǎn)上的湍流強(qiáng)度是該點(diǎn)湍流脈動(dòng)速度的均方根值。這里僅考慮旋轉(zhuǎn)流切向速度的切向湍流強(qiáng)度，其均方根Trms的定義及計(jì)算如式(2)所示。式(2)中，N為采樣數(shù)據(jù)數(shù)，N=5000。

(2)

圖7 旋風(fēng)分離器內(nèi)切向湍流強(qiáng)度沿徑向的變化

(3)

旋風(fēng)分離器內(nèi)中心區(qū)域的湍流強(qiáng)度的劇增，一方面增加了流體流動(dòng)的能耗，使壓降增大；另一方面加劇了中心區(qū)域已被分離顆粒的擴(kuò)散返混，使分離效率下降。同時(shí)旋轉(zhuǎn)流的擺動(dòng)也形成旋風(fēng)分離器系統(tǒng)振動(dòng)的激振力，誘導(dǎo)旋風(fēng)分離器系統(tǒng)發(fā)生共振造成設(shè)備的疲勞斷裂。

2.4 旋風(fēng)分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)流波動(dòng)對(duì)切向速度的湍流強(qiáng)度的影響

圖8 旋風(fēng)分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)流波動(dòng)對(duì)瞬時(shí)切向速度的影響示意圖

3 結(jié) 論

(1) 采用HWA測(cè)量了旋風(fēng)分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)流的瞬時(shí)切向速度。結(jié)果表明，旋風(fēng)分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)流瞬時(shí)切向速度是高頻的湍流脈動(dòng)速度和低頻的波動(dòng)速度的疊加，中心區(qū)域的瞬時(shí)切向速度隨時(shí)間的速度波動(dòng)較大，而靠近邊壁區(qū)域瞬時(shí)切向速度隨時(shí)間的速度波動(dòng)較小。

(2) 切向速度的湍流強(qiáng)度是由氣流自身脈動(dòng)產(chǎn)生的切向湍流強(qiáng)度和氣流旋轉(zhuǎn)波動(dòng)導(dǎo)致的切向湍流強(qiáng)度兩部分構(gòu)成。在壁面附近，切向湍流強(qiáng)度主要是旋轉(zhuǎn)流自身的湍流脈動(dòng)作用；在幾何中心附近，切向湍流強(qiáng)度不僅有旋轉(zhuǎn)流自身的湍流脈動(dòng)，而且更主要受旋轉(zhuǎn)流波動(dòng)的影響，導(dǎo)致了旋轉(zhuǎn)流湍流強(qiáng)度的急劇增加，對(duì)旋風(fēng)分離器的分離性能不利。

符號(hào)說(shuō)明：

k1——常數(shù)；

k2——常數(shù)；

N——采樣數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)；

n——常數(shù)；

P——切向速度概率密度；

R——旋風(fēng)分離器半徑，mm；

r——徑向坐標(biāo)，mm；

Trms——均方根速度，m/s；

T″rms——旋轉(zhuǎn)流波動(dòng)而導(dǎo)致湍流強(qiáng)度增加部分，m/s；

Vi——入口速度，m/s；

Vt——瞬時(shí)切向速度，m/s；

Z——軸向坐標(biāo)，mm；

σ——標(biāo)準(zhǔn)差；

ΔVt——切向速度波動(dòng)值，m/s；

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Experimental Analysis of Turbulence Characteristics of Swirling Flow in Cyclone

CAI Xiangli1, YANG Zhiyong1, MA Yumiao1, GUAN Shuzhe1, WEI Yaodong1,2

(1.DepartmentofChemicalEngineer,XinjiangInstituteofEngineering,Urumqi930091,China;2.CollegeofChemicalEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249，China)

The turbulence characteristics of swirling flow in the cyclone were studied based on measured real tangential velocity by hot wire anemometry (HWA). The mechanics of turbulence intensity of the real tangential velocity was analyzed. The measured results showed that the turbulence intensity of the tangential velocity was affected largely by the fluctuation of swirling flow, and the turbulence intensity in the center region was higher than that near the wall. As the real tangential velocity was composed of the high frequency turbulence velocity and low frequency fluctuation velocity, the turbulence intensity was not only influenced by the turbulence flow itself, but also by the fluctuation of swirling flow resulted from gas swirling flow center deviating geometry center. So, the real tangential velocity fluctuated significantly in the center region of cyclone, and a little near the wall of cyclone, resulting in the great increase of turbulence intensity in the center region.

cyclone; hot wire anemometry(HWA); swirling flow; turbulence intensity; fluctuation characteristics

2014-04-29

新疆自然科學(xué)基金項(xiàng)目(201233146-1)資助

蔡香麗，女，講師，碩士，從事多相流動(dòng)的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究

魏耀東，男，教授，博士，從事氣-固分離，流態(tài)化及化工過(guò)程裝備優(yōu)化等方面的研究，E-mail:weiyd@cup.edu.cn

1001-8719(2015)04-0983-08

TQ051.8

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2015.04.022