周龍，寧長(zhǎng)春，辛汶錦，遲譽(yù)，李壯*，高姿喬

工藝與裝備

進(jìn)口高寬比對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)流動(dòng)行為影響的數(shù)值模擬研究

周龍1，寧長(zhǎng)春1，辛汶錦1，遲譽(yù)1，李壯1*，高姿喬2

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001；2. 中油遼河工程有限公司，遼寧 盤(pán)錦 124000）

以單入口旋風(fēng)分離器為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬方法對(duì)不同進(jìn)口高寬比條件下旋風(fēng)分離器內(nèi)的流體流動(dòng)行為進(jìn)行模擬研究，得出旋風(fēng)分離器內(nèi)氣體流動(dòng)、壓力分布及顆粒運(yùn)動(dòng)情況，分析和討論了入口流速和進(jìn)口高寬比對(duì)分離器內(nèi)流動(dòng)行為的影響。

旋風(fēng)分離器；流動(dòng)；數(shù)值模擬

旋風(fēng)分離器是工業(yè)過(guò)程中使用最廣泛的氣體凈化裝置。旋風(fēng)分離器具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)[1-5]。在圓柱形和圓錐形的旋風(fēng)分離器內(nèi)，氣體由入口高速切向進(jìn)入旋風(fēng)分離器，形成高速旋流運(yùn)動(dòng)。旋風(fēng)分離器內(nèi)部的流動(dòng)是高度湍流和復(fù)雜的。為了研究不同幾何結(jié)構(gòu)對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)氣體流動(dòng)的影響，很多學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)數(shù)值模擬研究[6-10]。楊志勇[11]等研究了旋風(fēng)分離器在催化裂化工藝中的應(yīng)用，分析討論了入口速度對(duì)催化劑跑損的影響。Elsayed和Lacor[12-14]采用數(shù)值模擬方法研究了不同旋風(fēng)分離器幾何形狀對(duì)氣體流動(dòng)行為的影響。研究結(jié)果表明，旋風(fēng)分離器內(nèi)最大切向速度和壓降隨著分離器直徑的減小而增大。分離器錐體下部直徑對(duì)氣體流動(dòng)影響不明顯。El-Batsh[15]等研究了溢流管長(zhǎng)度對(duì)分離器內(nèi)氣體流動(dòng)行為的影響，研究結(jié)果表明溢流管的長(zhǎng)度不會(huì)顯著影響壓降或最大切向速度。Wang[16]等采用實(shí)驗(yàn)的方法研究了溢流管形狀對(duì)分離器性能的影響，結(jié)果表明倒錐形的溢流管有利于提高收集效率和壓降。李杰[17]等針對(duì)灰斗的返混現(xiàn)象，采用數(shù)值模擬方法研究了防返混圓臺(tái)位置及其底面積對(duì)旋風(fēng)分離器性能的影響。

本文以單入口旋風(fēng)分離器為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬方法對(duì)不同進(jìn)口高寬比條件下旋風(fēng)分離器內(nèi)的氣體流動(dòng)、壓力分布及顆粒運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行研究，以期為旋風(fēng)分離器的設(shè)計(jì)和分離效率的提高提供依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 旋風(fēng)分離器幾何模型及網(wǎng)格劃分

旋風(fēng)分離器物理模型如圖1(a)所示。其中分離器入口為氣體入口，上部出口為氣體出口，下部出口為灰塵顆粒出口。本文考慮了3種入口寬度，分別為40 mm、50 mm和60 mm。表1給出了旋風(fēng)分離器的幾何參數(shù)及數(shù)值模擬過(guò)程中的相關(guān)參數(shù)。

表1 物理模型和數(shù)值模擬參數(shù)

圖1(b)給出了旋風(fēng)分離器內(nèi)流體區(qū)域網(wǎng)格劃分。

圖1 旋風(fēng)分離器幾何模型及網(wǎng)格劃分

本研究采用六面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)分離器內(nèi)流體區(qū)域進(jìn)行劃分，不同入口寬度條件下網(wǎng)格數(shù)量分別為42.6萬(wàn)、46.8萬(wàn)和46.8萬(wàn)。

1.2 控制方程、求解方法及邊界條件設(shè)置

本文通過(guò)求解連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和DPM模型來(lái)獲得分離器內(nèi)流體流速、壓力以及顆粒軌跡分布。數(shù)值模擬求解過(guò)程中，湍流模型選擇模型[2]。壓力速度耦合方法采用SIMPLE算法，當(dāng)收斂殘差值小于10-4時(shí)，求解收斂。分離器入口設(shè)置為速度入口，分離器的氣體和灰塵出口設(shè)置為Outflow，各物理量沿該截面的法向?qū)?shù)為零。對(duì)于灰塵顆粒，分離器入口和出口設(shè)置為“Escape”邊界條件，壁面設(shè)置為“Reflect”邊界條件。

2 分析討論

圖2給出了入口寬度為60 mm條件下，不同入口流速對(duì)分離器內(nèi)壓力分布的影響。

圖2 入口速度對(duì)分離器內(nèi)壓力分布的影響

由圖2可知，氣體流經(jīng)分離器入口直管段時(shí)，入口部分的壓力分布相當(dāng)均勻。當(dāng)氣體進(jìn)入旋風(fēng)分離器時(shí)，受到旋風(fēng)分離器內(nèi)圓形溢流管的影響而產(chǎn)生旋流，旋流使得分離器壁面處的壓力很高。隨著入口氣體流速的增加，分離器壁面處產(chǎn)生的壓力最大值逐漸增加。圖3給出了不同入口寬度條件下分離器壁面處壓力云圖。由圖3可知，當(dāng)入口氣體流速相同時(shí)，增加進(jìn)口寬度，分離器壁面壓力顯著增加，由480 Pa增加至730 Pa。

圖4給出了不同進(jìn)口寬度條件下旋風(fēng)分離器=0截面內(nèi)壓力云圖。由圖可知分離器內(nèi)氣體旋流運(yùn)動(dòng)使得壁面的靜壓很高，并且壓力由分離器壁面向分離器中心逐漸減小。因此在旋風(fēng)分離器的中心區(qū)域存在大范圍的負(fù)壓區(qū)域。沿徑向的壓力梯度最大，這是由于氣體較高的旋轉(zhuǎn)速度產(chǎn)生了高強(qiáng)度的渦流。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，隨著進(jìn)口寬度的增加，分離器內(nèi)沿徑向分布的壓力梯度逐漸增大。

圖3 高寬比對(duì)分離器內(nèi)壓力分布的影響

圖4 高寬比對(duì)Z=0截面內(nèi)壓力分布的影響

圖5(a)和(b)分別給出了不同進(jìn)口寬度條件下，分離器內(nèi)筒體高度中心線處壓力和速度分布。由圖5(a)可知，分離器內(nèi)壓力由外向內(nèi)逐漸降低，在分離器中心位置處產(chǎn)生負(fù)壓。隨著入口寬度增加，分離器壁面處壓力逐漸增大。由圖5(b)可知，分離器內(nèi)速度由壁面到中心呈先增加后減小趨勢(shì)，在分離器中心位置處速度值降低至最小。同時(shí)可以看出，分離器內(nèi)速度分布具有一定對(duì)稱性，且速度最大值隨著進(jìn)口寬度增加而逐漸增大。

圖6和圖7分別給出了不同入口速度和進(jìn)口寬度條件下旋風(fēng)分離器內(nèi)顆粒軌跡分布。由圖6可知，當(dāng)進(jìn)口寬度保持不變時(shí)，隨著入口氣體流速增加，由溢流管逃逸的顆粒數(shù)量顯著減少。這是因?yàn)闅怏w流速較高時(shí)，顆粒受到的離心力較大，因此由溢流管逃逸的顆粒數(shù)量減少。

圖5 高寬比對(duì)分離器內(nèi)壓力和速度分布的影響

圖6 入口速度對(duì)顆粒分布的影響

圖7 高寬比對(duì)顆粒分布的影響

由圖7可知，當(dāng)進(jìn)口氣體流速保持不變時(shí)，隨著進(jìn)口寬度增加，由溢流管逃逸的顆粒數(shù)量顯著增加。這說(shuō)明當(dāng)進(jìn)口氣體流速不變時(shí)，增大進(jìn)口寬度將不利于提高分離器的分離效率。

3 結(jié) 論

本文采用數(shù)值模擬方法對(duì)不同進(jìn)口高寬比條件下單入口旋風(fēng)分離器內(nèi)的氣體流動(dòng)、壓力分布和顆粒運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論：

1）入口氣體流速和進(jìn)口寬度的增加，可以顯著增加分離器壁面處壓力。分離器進(jìn)口寬度的增加，可導(dǎo)致分離器內(nèi)沿徑向分布的壓力梯度增大。

2）入口氣體流速相同時(shí)，隨著分離器進(jìn)口寬度的增加，分離器壁面處壓力增大，徑向速度最大值也隨之增加。

3）本文研究條件下，保持進(jìn)口高寬比不變，增大氣體流速有利于提高分離器的分離效率；保持入口氣體流速不變，增大進(jìn)口寬度不利于提高分離器的分離效率。

致謝

本文作者感謝大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（2020101480067，2021101480084）的資助。

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Numerical simulation of the Effect of Inlet Height-width Ratio on the Flow Behavior in Cyclone Separator

11111*2

（1. College of Petroleum Engineering, Liaoning Petrochemical University, Fushun Liaoning 113001, China;2. PetroChina Liaohe Petroleum Engineering Co., Ltd., Panjin Liaoning 124000, China）

Numerical simulation was conducted to study the fluid flow behavior in a single-inlet cyclone separator. The behavior of gas flow, pressure distribution and particle movement in the cyclone separator were obtained, and the effects of inlet velocity and inlet height-width ratio on the flow behavior in the separator were analyzed and discussed.

Cyclone separator; Flow; Numerical simulation

TQ028.2

A

1004-0935（2022）04-0559-04

大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2020101480067，2021101480084）。

2021-10-09

周龍（2000-），男，遼寧石油化工大學(xué)能源與動(dòng)力工程專業(yè)。 E-mail：2513736638@qq.com。

李壯（1983-），男，副教授，博士，研究方向：多相流相關(guān)數(shù)值模擬。E-mail：lizhuang@lnpu.edu.cn。