入口截面高寬比對旋風分離器內流場的影響

摘 要

摘要：氣相采用雷諾應力模型(RSM)模擬，顆粒相采用拉格朗日坐標系隨機軌道模型，模擬具有不同高寬比的入口截面下的旋風分離器內氣固兩相流流動特性。采用適當的高寬比，能使旋風分
摘要：氣相采用雷諾應力模型(RSM)模擬，顆粒相采用拉格朗日坐標系隨機軌道模型，模擬具有不同高寬比的入口截面下的旋風分離器內氣固兩相流流動特性。采用適當的高寬比，能使旋風分離器近壁面保持較高的氣流速度，強化外旋渦，能使顆粒更容易被壁面捕集而分離，對提高分離效率有重要作用。
關鍵詞：旋風分離器；高寬比；數值模擬；分離效率
Influence of Depth-width Ratio of Inlet Section on Flow Field in Cyclone Separator
LI Qiang，HUANG Rong-guo，MIA0 Zheng-qing，WEI Fei-fei
Abstract：The characteristics of gas-solid two-phase flow in cyclone separator having inlet section with different depth-width ratios are simulated by Reynolds stress model for the ga8 Pha8e and the particle stochastic trajectory model in Lagrange coordinate system for the particle phase. Using the appropriate depth-width ratio enables keep a high air velocity and strengthen the outer Vortex 1n the near wall of cyclone separator and allows particle to be captured and separated by the wall more easily，which plays an important role in improving the separation efficiency。
Key words：cyclone separator；depth-width ratio；numerical simulation；separation efficiency
   旋風分離器是循環(huán)流化床的重要部件，是循環(huán)流化床內固體物料高效利用的保證。對于大容量循環(huán)流化床鍋爐，由于旋風分離器的尺寸較大，導致分離效率降低。如何提高旋風分離器的分離效率是一項循環(huán)流化床設計時必須解決的技術問題?？梢哉f，旋風分離器是循環(huán)流化床鍋爐的一個核心部件，其性能的優(yōu)劣對整個循環(huán)流化床鍋爐的運行影響很大。
   旋風分離器的分離效率和分離器內的流場是密切相關的，深入研究分離器內的氣固兩相流動特性對于其結構優(yōu)化、提高分離效率有重要意義。近年來，國內外在旋風分離器結構尺寸、入口流速等對分離效率的影響已經做了大量研究和討論，但是對旋風分離器入口截面高寬比對分離器分離效率影響的研究還不多。本文對入口截面高寬比對旋風分離器內流場的影響進行探討。
1 模型及網格劃分
    ① 模型及網格劃分
    模擬對象為某300MW循環(huán)流化床鍋爐的旋風分離器模型，模型與實物比例為1:25。旋風分離器結構見圖1。入口截面高寬比是旋風分離器入口高度與寬度的比值，即圖1中的h/b。分離器筒體直徑D=320mm，旋風分離器總高度ha=710mm，排氣管直徑Dx=170mm，排氣管高度hr=730mm，排塵口直徑Dd=160mm，排氣管插入深度S=70mm。

    分離器入口尺寸一共設計了3種類型：類型A入口尺寸為190mm×101mm，入口截面高寬比為1.88；類型B尺寸為240mm×80mm，入口截面高寬比為3；類型C入口尺寸為320mm×60mm，入口截面高寬比為5.33。對旋風分離器進行網格劃分，各部分均采用結構化網格，網格模型見圖2。
 

圖中hc——錐體段高度，mm
    hr——排氣管高度，mm
    Dd——排塵口直徑，mm
    h、b——入口截面的高度、寬度，mm
    S——排氣管插入深度，mm
    D——分離器筒體直徑，mm
    Dx——排氣管直徑，mm
    ha——旋風分離器總高度，mm
   ② 數學模型及計算方法
   目前，氣相湍流計算模型主要有κ-ε模型、RNG模型、雷諾應力模型(RSM)。κ-ε模型基于各向同性假設，與旋風分離器內部強旋流場的實際情況不符。RNG模型雖然在κ-ε模型的基礎上引入了時均應變率的概念，但由于依然采用各向同性的湍流動力黏度來計算湍流應力，在描述強旋流場時依然存在不足。RSM拋棄了各向同性湍流動力黏度及湍流應力與時均速度梯度成線性關系的假設，在模擬各向異性的湍流流動中具有一定的優(yōu)越性，能更好地模擬強旋流場[1]。已有學者采用RSM成功模擬了不同結構參數下旋風分離器內的氣相流場[2～6]，能夠很好地與實驗值相符。因此，本文采用RSM對旋風分離器內部氣相流場進行模擬。
    由于旋風分離器內顆粒相為稀相，顆粒相采用拉格朗日坐標系下的隨機軌道模型模擬，采用PRETO、QUICK差分格式和SIMPLE算法求解控制方程，考慮顆粒相和氣相的耦合作用。
    ③ 邊界條件設置
    a. 入口邊界條件。入口氣流為常溫下的空氣，入口空氣流速為15m/s，入口指定參數為湍流強度和水力直徑。湍流強度，的計算式為：
    I=0.16Re-0.125
式中I湍流強度
    Re——入口雷諾數
水力直徑DH的計算式為：
 
式中DH——水力直徑，mm
    b. 出口邊界條件。出口采用充分發(fā)展邊界條件，即所有物理量在出口法線方向的梯度為0。
    c. 壁面邊界條件。壁面為無滑移邊界條件，近壁面采用壁面函數法。
    d. 排塵口邊界條件。假設沒有氣流從排塵口流出，氣流流量為零。
2 計算結果及分析
2.1 氣相流場分析
    切向速度和軸向速度是影響旋風分離器分離效率的重要因素，本文選取z=550、670mm高度上的軸向速度和切向速度，分析柱形空間和環(huán)形空間內的切向速度和軸向速度分布。逆時針方向為切向速度的正方向，z軸正方向為軸向速度的正方向。由于本文的旋風分離器為順時針切向進氣，因此分離器內流體的切向速度為負。入口風速為15m/s時，3種類型的旋風分離器在z=550mm高度上氣相流體的切向速度分布和軸向速度分布見圖3、4。由圖3、4可知，在柱形空間的外旋渦區(qū)，類型A旋風分離器壁面切向速度最小，類型B次之，類型C最大。即隨著高寬比的增大，旋風分離器壁面附近的流體切向速度增大。類型A旋風分離器的切向速度最大值的徑向位置離壁面最遠，類型B次之，類型C最近，即隨著高寬比的增大，切向速度的最大值的徑向位置逐漸向壁面靠攏。在旋風分離器內，固體顆粒主要是在高速旋轉產生的離心力作用下從氣體中分離出來的。當分離器的高寬比增大時，壁面附近的切向速度變大，最大切向速度的徑向位置更靠近壁面。由于壁面切向速度變大以及外旋渦向壁面靠近，氣固兩相流中的顆粒所受的離心力變大，更容易擺脫氣相流體的牽引，被壁面捕集而被分離，從而提高分離效率。
 

    入口風速為15m/s時，3種類型的旋風分離器在環(huán)形空間內z=670mm高度上的切向速度分布和軸向速度分布見圖5、6。由圖5、6可知，類型A旋風分離器切向速度最小，向下的軸向速度最大；類型B次之；類型C分離器切向速度最大，向下的軸向速度最小。即隨著高寬比的降低，向下的軸向速度增加。環(huán)形空間內氣流向下的軸向速度增加，特別是靠近排氣管壁外側的氣流向下的軸向速度增加較大，這也會加劇“短路流”現象，導致分離效率的降低。
 

2.2 旋風分離器壓降
    旋風分離器的壓降是其內部流場的能量損失，是評價旋風分離器性能的一個重要參數。3種類型旋風分離器的壓降見表1。由表1可知，旋風分離器壓降隨著高寬比的增大而增加。當高寬比增大時，最大切向速度的徑向位置向壁面靠近，外旋渦的厚度減小，近壁面區(qū)顆粒濃度增大，從而增大了氣流與分離器器壁之間的摩擦力，導致壓降增大。Barth模型是基于平衡軌道理論的模型，考慮了摩擦對旋風分離器性能的影響，比較符合實驗結果[7]。將數值模擬結果與Barth模型的計算結果進行對比，可以看出數值模擬結果誤差較小，具有一定的精度。
表1 不同入口高寬比下旋風分離器的壓降
類型
A
B
C
數值模擬結果/Pa
563
579
596
Barth模型計算結果/Pa
536
557
586
相對誤差/%
5.04
3.95
1.71
2.3 分離效率
    粒級效率是指某一給定粒徑或粒徑范圍的分離效率，切割粒徑是分離效率為50%時的顆粒粒徑。粒級效率圖可以清晰表明旋風分離器對不同粒徑顆粒的分離性能。3種類型旋風分離器的粒級效率見圖7。由圖7可知，類型B旋風分離器的切割粒徑最小。3種類型旋風分離器的分離效率分別為：A：88.71%，B：91.54%，C：90.27%。因此，當入口高寬比增大或減小時，分離器的切割粒徑都變大，從而使分離器的分離效果變差。在實際工程運用中，應當保持旋風分離器入口高寬比在一個合適范圍內，使得旋風分離器具有最佳的分離效率。
 

3 結論
    通過比較3種不同類型的旋風分離器同一軸向高度上切向速度的分布，發(fā)現隨著旋風分離器高寬比的增加，分離器內切向速度增加，從而在一定程度上提高分離器的分離效率。隨著高寬比的增大，壓降增大。發(fā)現旋風分離器分離效率并不是隨著高寬比的增加而增加，而是存在一個入口高寬比的最佳區(qū)間，使得旋風分離器具有最佳的分離效率和較低的壓力損失。
參考文獻：
[1] 陶文銓.數值傳熱學[M].西安：西安交通大學出版社，2001.
[2] 王海剛，劉石.用雷諾應力模型計算旋風分離器中氣固兩相流動[J].工程熱物理學報，2004，(1)：189-192.
[3] 王樂勤，郝宗睿，王循明，等.筒體長度對旋風分離器內流場影響的數值模擬[J].工程熱物理學報，2009，(2)：223-226.
[4] 曹晴云，姬廣勤，金有海，等.不同結構參數下旋風分離器氣相流場的數值研究[J].流體機械，2008，(1)：34-39.
[5] 宋健斐，魏耀東，時銘顯.旋風分離器內顆粒濃度場的數值模擬[J].中國石油大學學報(自然科學版)，2008，(1)：90-94.
[6] 王海剛，劉石.不同湍流模型在旋風分離器三維數值模擬中的應用和比較[J].熱能動力工程，2003，(4)：337-342.
[7] (丹)霍夫曼A C，(美)斯坦因L E(著)，彭維明，姬忠禮(譯).旋風分離器——原理、設計和工程應用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2004.
 
(本文作者：李強 黃榮國 繆正清 衛(wèi)飛飛 上海交通大學機械與動力工程學院 上海 200240)