（蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，蘭州 730000）

0 引言

旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、維護(hù)成本低，運(yùn)行穩(wěn)定，廣泛用于多相流中顆粒和液滴的收集。其原理是流體切向進(jìn)入旋風(fēng)分離器后在分離空間產(chǎn)生旋流運(yùn)動(dòng)，顆?；蛞旱卧陔x心力作用下被甩向壁面。在旋流的外部，氣體向下運(yùn)動(dòng)，把分離到器壁的顆粒或液滴帶到旋風(fēng)分離器的底部，氣體反向向上運(yùn)動(dòng)，形成內(nèi)部旋流，從溢流管上部排出［1］。

許多研究表明，流體的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)產(chǎn)生渦［2］，渦使得旋風(fēng)分離器的流場(chǎng)不穩(wěn)定［3］，產(chǎn)生旋進(jìn)渦核［1］，導(dǎo)致能量耗散［4］，顆粒的分離效率降低［5］。所以，旋風(fēng)分離器中渦結(jié)構(gòu)的研究至關(guān)重要。Iozia等［6］提出了渦核直徑擬合方程，又基于顆粒平衡理論預(yù)測(cè)分割粒徑d50。結(jié)果表明，渦核直徑受入口面積和溢流管直徑影響很大。Peng等［7］的研究指出外旋渦的體積對(duì)顆粒所受的離心力起決定性作用，故渦核直徑對(duì)旋風(fēng)分離器的性能影響顯著。Hoekstra等［8］采用激光多普勒測(cè)速技術(shù)測(cè)量具有不同溢流管直徑旋風(fēng)分離器內(nèi)部的切向速度分布，表明溢流管直徑減小，渦核直徑減小。Brar等［9］減小溢流管直徑使得顆粒收集效率提高，但壓降增加明顯，多位學(xué)者［10-13］得到了相同的結(jié)果。Kumar等［14］設(shè)計(jì)了錐形溢流管旋風(fēng)分離器，增加錐形溢流管的錐角使得分離效率增加，同時(shí)壓降顯著增大。以上學(xué)者的研究顯示溢流管的直徑和形狀會(huì)顯著影響旋風(fēng)分離器的渦核直徑，進(jìn)而影響其性能。

總而言之，許多學(xué)者通過改變旋風(fēng)分離器溢流管直徑和形狀來研究其對(duì)渦核直徑的影響，但是通過在溢流管上部氣流出口處外加結(jié)構(gòu)控制渦核直徑的研究甚少。本研究在普通Lapple型（d/D=0.5）旋風(fēng)分離器氣流出口處外加了d/D=0.1，0.2，0.3，0.4四種不同直徑的喉管結(jié)構(gòu)，確定相應(yīng)的渦核直徑大小，以及切向速度、軸向速度、徑向速度、渦核偏心等流場(chǎng)特性和旋風(fēng)分離器壓降、分離效率的變化。

1 數(shù)值模擬

1.1 模擬方法及邊界條件

雷諾應(yīng)力模型消除了各向同性湍流的假設(shè)，適用于旋風(fēng)分離器內(nèi)部氣相流場(chǎng)的模擬，因此本文采用雷諾應(yīng)力模型（RSM）模擬氣相流場(chǎng)的湍流［15］，得到不同喉管直徑的旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)分布。在穩(wěn)定流場(chǎng)基礎(chǔ)上注入顆粒，假設(shè)顆粒相為稀相流，可利用LPT模型［15］進(jìn)行追蹤，獲得分級(jí)效率曲線和顆粒分布。

本研究在普通Lapple型（d/D=0.5）旋風(fēng)分離器氣流出口處外加d/D=0.1，0.2，0.3，0.4四種不同直徑的喉管結(jié)構(gòu)，具體尺寸及結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示。測(cè) 量 截 面 選 擇 x=0，z=-1.0D，z=-1.5D，z=-2.0D，z=-2.5D，如圖1（b）所示。為提高計(jì)算精度，所有的網(wǎng)格均為ICEM 17.0繪制的正六面體網(wǎng)格，見圖1（c）。求解器采用商業(yè)計(jì)算軟件FLUENT 17.0，氣相流體為空氣，密度為1.225 kg/m3，黏度為 1.79×10-5Pa·s，顆粒相為碳酸鈣，密度為 2 800 kg/m3。邊界條件設(shè)置見表1。

圖1 旋風(fēng)分離器的幾何圖、測(cè)量截面和網(wǎng)格Fig.1 Schematic，measured sections and grid representation of the cyclone separator

表1 邊界條件設(shè)置Tab.1 The settings of the boundary conditions

1.2 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的合理性，本研究選取截面z=-0.625D，-2.0D和-2.5D處數(shù)值模擬的切向速度Vt和軸向速度Va結(jié)果與Hoekstra的試驗(yàn)結(jié)果［16］進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖2所示。從圖可以看出，趨勢(shì)擬合較好，因此可以認(rèn)為數(shù)值模擬的結(jié)果是合理準(zhǔn)確的。在Hoekstra的試驗(yàn)中，截面z=-2.0D和-2.5D的中心軸處軸向速度曲線平緩，原因可能是因?yàn)闇u核偏心現(xiàn)象的空間平均效應(yīng)，即由于渦核進(jìn)動(dòng)和激光多普勒測(cè)速儀測(cè)定的體積有限，使得試驗(yàn)測(cè)定的速度曲線變得平滑［16］。

圖2 模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.2 The comparison between the simulation results and the experimental results

2 結(jié)果與討論

2.1 喉管直徑對(duì)速度場(chǎng)的影響

切向速度分布與顆粒的離心力密切相關(guān)，對(duì)旋風(fēng)分離器的分離效率影響很大，圖3示出不同喉管直徑旋風(fēng)分離器內(nèi)切向速度的分布。切向速度沿幾何中心軸呈對(duì)稱分布，徑向方向上沿器壁向幾何中心軸先非線性增大后線性減小，呈類似M型分布，為標(biāo)準(zhǔn)的蘭金組合渦結(jié)構(gòu)［17］，即內(nèi)旋渦為準(zhǔn)強(qiáng)制渦，外旋渦為準(zhǔn)自由渦。對(duì)于給定的喉管直徑，切向速度在軸向方向上的分布類似；隨著喉管直徑減小，在徑向方向上最大切向速度的位置向中心移動(dòng)，且數(shù)值增加。

圖3 x=0截面和z=-1.0D測(cè)量直線上的不同喉管直徑切向速度分布Fig.3 The tangential velocity of different hollow throat diameters in the x=0 section and z=-0.1D measured line

最大切向速度是內(nèi)外旋渦分界線［18］，圖4（a）示出不同喉管直徑旋風(fēng)分離器測(cè)量截面的平均渦核直徑和平均最大切向速度。由圖可知，喉管直徑可以控制內(nèi)旋渦的大小，隨著喉管直徑減小，渦核直徑先逐漸減小，當(dāng)喉管直徑與筒體直徑比值為0.3時(shí)，渦核直徑趨于穩(wěn)定。內(nèi)旋渦體積減小，分離空間增大，且切向速度增加，離心力增大，有利于顆粒的收集。

圖4 不同喉管、筒體直徑旋風(fēng)分離器的平均渦核直徑和平均最大切向速度Fig.4 The average vortex diameter and the average maximum tangential velocity of the cyclone separators in different hollow throat diameters and cylinder diameters

普通Lapple型旋風(fēng)分離器筒體的直徑D=200 mm，考慮到筒體直徑放大后渦核直徑與筒體直徑的比值可能也會(huì)放大，改變筒體直徑，D1=2.5D=500 mm，D2=4D=800 mm，確定筒體直徑放大后旋風(fēng)分離器的最大切向速度和渦核直徑，如圖4（b）所示。筒體直徑增加，喉管直徑仍然可以控制渦核直徑的大小，且渦核直徑與筒體直徑的比值幾乎不變，不存在放大效應(yīng)。喉管結(jié)構(gòu)喉口位置與溢流管下口間的距離可能會(huì)影響渦核直徑，喉管直徑與筒體直徑比值為0.3時(shí)渦核直徑趨于穩(wěn)定，此條件下改變喉管位置如圖5所示，最大切向速度的位置并未發(fā)生改變，渦核直徑大小幾乎沒有變化。

圖5 x=0截面和z=-1.5D測(cè)量直線上的不同喉管位置切向速度分布Fig.5 The tangential velocity of different hollow throat locations in the x=0 section and z=-1.5D measured line

不同喉管直徑的軸向速度分布如圖6所示，軸向速度在分離空間大致呈對(duì)稱分布。由圖6可知，隨著喉管直徑減小，軸向速度最大值由溢流管內(nèi)壁向中心軸線位置移動(dòng)，與Elsayed等［19］的研究結(jié)果一致。當(dāng)喉管直徑與筒體直徑的比值減小至0.3時(shí)，軸向速度由倒w變?yōu)榈箆分布，由負(fù)壓力梯度產(chǎn)生的中央回流區(qū)被破壞?；亓鞯漠a(chǎn)生與旋流強(qiáng)度密切相關(guān)，而旋流強(qiáng)度的大小一般由旋流數(shù)來表示［20］，由旋流數(shù)定義可知，喉管直徑減小使得旋流數(shù)減小，當(dāng)旋流數(shù)減小到一定程度時(shí)回流消失。

圖6 x=0截面和z=-0.25D（溢流管內(nèi)）測(cè)量直線上的不同喉管直徑軸向速度分布Fig.6 The axial velocity of different hollow throat diameters in the x=0 section and z=-0.25D （inside the vortex finder） measured line

圖7示出不同喉管直徑徑向速度分布，由圖可知，旋風(fēng)分離器的筒體段和錐體段的準(zhǔn)自由渦區(qū)，徑向速度分布均勻，數(shù)值幾乎為0，但由于渦核偏心現(xiàn)象的存在，準(zhǔn)強(qiáng)制渦區(qū)徑向速度沿中心軸呈現(xiàn)一正一負(fù)交替分布。氣流自旋風(fēng)分離器的筒壁流向溢流管外壁，沿著外壁下行，并直接從溢流管下端逃逸，這種現(xiàn)象被稱為短路流［21］。小顆粒容易被短路流攜帶，從而導(dǎo)致小顆粒的收集效率降低；隨著喉管直徑減小，短路流量略有增加［22］。

圖7 不同喉管直徑徑向速度分布和短路流量占比Fig.7 The radial velocity and the ratio of the short circuit flow of the different hollow throat diameters

2.2 渦結(jié)構(gòu)及偏心現(xiàn)象

1988年Hunt等［23］提出了Q準(zhǔn)則用于渦區(qū)域的判定，Gao等［24］利用Q準(zhǔn)則對(duì)旋風(fēng)分離器進(jìn)行等渦面的識(shí)別。Q的大小代表了單位體積單位質(zhì)量的渦具有的能量，圖8示出Q=10 000 s-2的三維等值面。由圖可知，隨著喉管直徑減小，三維等值面的當(dāng)量直徑不斷減小，能量損失增加。事實(shí)上，渦核中心并不是與幾何中心完全重合的，而是偏離幾何中心，呈現(xiàn)一種準(zhǔn)周期性轉(zhuǎn)動(dòng)，稱為旋進(jìn)渦核［20］。旋風(fēng)分離器中渦的不穩(wěn)定性引起流場(chǎng)的不穩(wěn)定，進(jìn)而產(chǎn)生旋進(jìn)渦核［23］，不利于顆粒的分離。

圖8 Q=10 000 s-2三維等值面Fig.8 The three-dimensional iso-surface of Q=10 000 s-2

前期研究表明，渦核偏心現(xiàn)象的改善有利于小顆粒的分離［24］。本文以壓力最小值點(diǎn)作為渦核的中心點(diǎn)，研究了喉管直徑對(duì)渦核偏心的影響。圖9（a）（b）分別示出了不同喉管直徑渦核中心的偏心距在軸向方向上的分布和平均值的變化。由圖可知，喉管直徑減小，渦核中心的偏心距減小，當(dāng)喉管直徑與筒體直徑的比值減小為0.3后，渦核中心的偏心距基本保持穩(wěn)定。

2.3 喉管直徑對(duì)分離器性能的影響

壓降和分離效率是評(píng)價(jià)旋風(fēng)分離器性能的2個(gè)重要參數(shù)。前者代表能量消耗，后者代表顆粒收集效果。如圖10（a）所示，外旋渦區(qū)域?yàn)楦邏簠^(qū)，但壓降變化相對(duì)較小，內(nèi)旋渦則是旋風(fēng)分離器產(chǎn)生壓降的主要區(qū)域，靜壓沿徑向方向由器壁向中心軸逐漸減小。如圖10（b）所示，靜壓壓降隨著喉管直徑減小呈幾何數(shù)增加，原因在于切向速度增加需要更多的靜壓轉(zhuǎn)換為動(dòng)壓來維持；而總壓壓降隨著喉管直徑的減小增幅不大，原因可能是筒體部分的結(jié)構(gòu)幾乎未發(fā)生改變，因此筒體內(nèi)部能量損失的差異主要來源于速度場(chǎng)的不同，而本研究已證實(shí)了喉管直徑的改變對(duì)于旋風(fēng)分離器內(nèi)部整體速度大小影響不大。

圖9 喉管直徑對(duì)渦核偏心的影響Fig.9 The influence of hollow throat diameters on the vortex core eccentricity

圖10 不同喉管直徑z=-1.0D測(cè)量直線上的靜壓分布和壓降Fig.10 The static pressure of z=-1.0D measured line and the pressure drop of the different hollow throat diameters

圖11（a）示出不同喉管直徑的分級(jí)效率，由圖可知，隨著喉管直徑減小，收集效率增加，原因主要是喉管直徑減小，內(nèi)旋渦體積減小，分離空間增加，切向速度的數(shù)值增大，且流場(chǎng)穩(wěn)定性提高，但當(dāng)喉管直徑與筒體直徑比值為0.1時(shí)，短路流量增加明顯，如圖6（b）所示，收集效率反而有所降低。喉管直徑改變主要增加較小顆粒（圖中A段）的收集效率，當(dāng)喉管直徑與筒體直徑的比值為0.2時(shí)，與普通Lapple型（d/D=0.5）旋風(fēng)分離器相比0.5 μm的顆粒收集效率增加高達(dá)8%，中等粒徑顆粒（圖中B段）的收集效率變化較小，2 μm顆粒收集效率僅增加3%左右，當(dāng)顆粒粒徑達(dá)到6 μm后（圖中C段），收集效率達(dá)到100%。選取粒徑 0.8，1，1.5，2.5，6 μm 的顆粒。隨著顆粒粒徑增加，離心力增加，顆粒越容易被甩向器壁，從而被收集。由圖11（b）可知，顆粒沿中心軸對(duì)稱分布，粒徑越大的顆粒分布區(qū)域越靠近壁面，且溢流管、喉管和出口處均無大粒徑顆粒分布。隨著喉管直徑減小，如圖3所示，切向速度不斷增加，此時(shí)顆粒所受的離心力增加，更易被甩向器壁，使得同粒徑顆粒在喉管直徑更小的旋風(fēng)分離器的分離區(qū)域更靠近壁面分布。

圖11 不同喉管直徑分級(jí)效率和顆粒分布Fig.11 The grade efficiency and the particle distribution of the different hollow throat diameters

3 結(jié)論

（1）喉管直徑可以控制渦核直徑的大小。隨著喉管直徑減小，渦核直徑先逐漸減小，流場(chǎng)穩(wěn)定性提高，當(dāng)喉管直徑與筒體直徑的比值減小到0.3時(shí)，渦核直徑趨于穩(wěn)定。同時(shí)喉管直徑減小，渦核中心的偏心距減小，當(dāng)喉管直徑與筒體直徑的比值減小為0.3后，渦核中心的偏心距基本保持穩(wěn)定。

（2）隨著喉管直徑減小，最大切向速度向中心位置移動(dòng)，數(shù)值增加；軸向速度最大值由溢流管內(nèi)壁向中心軸線位置移動(dòng)，由負(fù)壓力梯度所產(chǎn)生的中央回流區(qū)被破壞，但短路流量略有增加。

（3）總壓壓降隨著喉管直徑減小增幅不大。隨著喉管直徑減小，較小顆粒的收集效率得到明顯提升，當(dāng)喉管直徑與筒體直徑的比值為0.2時(shí)，0.5 μm的顆粒收集效率與普通Lapple型（d/D=0.5）旋風(fēng)分離器相比增加8%。存在一個(gè)較優(yōu)的喉管直徑與筒體直徑的比值范圍0.2～0.3，在此范圍內(nèi)，旋風(fēng)分離器分離效率較高，同時(shí)壓降較低。

總體而言，本研究有助于進(jìn)一步了解旋風(fēng)分離器內(nèi)的復(fù)雜流場(chǎng)及性能，并為其結(jié)構(gòu)改善提供指導(dǎo)。