旋风分离器内流场动态特性的实验研究和数值模拟

发布时间：2020-04-06 21:36

【摘要】：旋风分离器因结构简单、分离效率高、可连续操作等优点,在工业生产中得到了广泛应用。旋风分离器内部流场为复杂的三维强旋湍流流场,具有明显的动态特性,主要表现为流场的速度和压力值随时间不断发生变化,即流场的不稳定性,这种不稳定性变化会直接影响到颗粒的分离和扩散,从而降低旋风分离器的分离效率,最终影响整个装置的性能。因此,深入研究旋风分离器内流场的动态特性具有重要意义。本文采用实验测量和数值模拟相结合的方法考察了旋风分离器流场不同位置压力的波动,对比了雷诺应力模型和大涡模拟两种数值模拟方法的预测情况,探究压力波动的来源,描绘了涡核中心的运动轨迹,同时分析了入口气速变化对流场压力波动的影响。结果表明,旋风分离器流场的压力在中心区域波动较大,外部区域波动较小。压力波动有两个主频,一个是存在于流场全空间的主频,一个是出现在锥体下端中心以及灰斗上端中心区域附近的局部主频。局部主频是由涡核中心围绕旋风分离器几何中心旋转运动造成,该旋转运动使得流场呈现准周期性波动的特征。全空间主频也是由涡核中心位置的旋转引起,但与锥体下端涡核中心的旋转并不同步。入口气速越大,压力波动越剧烈,全空间主频几乎不随入口气速的改变发生变化,而局部主频会随着气速的增加成线性增大;同时局部主频分布区域会随入口气速增大而有所扩大。筒锥型旋风分离器流场的主频与雷诺数有关。流场数值计算表明大涡模拟在流场不对称、二次涡、压力波动方面的预测精度高于雷诺应力模型。研究结果进一步提高了对流场不稳定性的认识。
【图文】：

排气管,空间,直径,旋风分离器流场

图 2.2 两种不同排气管直径下分离空间（左）和灰斗（右）的切向速度和轴向速度分布Fig.2.2 Tangential and axial velocities in separationspace(left) and dust hopper(right) with differentdiameters of vortex finder图 2.3 旋风分离器内静压分Fig.2.3 The static pressurecyclone separator旋风分离器内流场的静压分布在轴向方向上各部分区域彼此差别较小，上具有良好的对称特性。静压大小主要由切向速度决定。吴小林[5]利用五孔球测量旋风分离器流场的静压如图2.3，内旋流的静压比较低，外旋流的静压比较静压随半径的增大而升高。（2）数值模拟在旋风分离器内流场的数值计算方面，RSM 模型和 LES 方法被证实能够地预测旋风分离器流场时均速度和压力分布。胡王乐元[7]采用 RSM 对蜗壳式旋离器内三维强旋湍流流动进行了数值模拟。结果表明在分离空间和灰斗空间拟值与实测值吻合较好；在环形空间内模拟值也与实测值接近，且此部分流明显的非轴对称性，表明数值模拟结果的合理性。吴小林等[8]对 PV 型旋风分内的三维流场进行了 RSM 数值模拟，预测了分离器内的速度和静压分布。发

静压分布,旋风分离器,静压分布

[5]利用五孔球探针测量旋风分离器流场的静压如图2.3，内旋流的静压比较低，外旋流的静压比较高，静压随半径的增大而升高。（2）数值模拟在旋风分离器内流场的数值计算方面，RSM 模型和 LES 方法被证实能够较好地预测旋风分离器流场时均速度和压力分布。胡王乐元[7]采用 RSM 对蜗壳式旋风分离器内三维强旋湍流流动进行了数值模拟。结果表明在分离空间和灰斗空间，，模拟值与实测值吻合较好；在环形空间内模拟值也与实测值接近，且此部分流动有明显的非轴对称性，表明数值模拟结果的合理性。吴小林等[8]对 PV 型旋风分离器内的三维流场进行了 RSM 数值模拟，预测了分离器内的速度和静压分布。发现旋风分离器切向进气的非对称性决定了流场的三维分布特性；各横截面速度分布与和静压分布均具有较好的对称性，相对轴心有些许偏心，径向速度分布比较乱；切向速度分布可分为内、外旋流区；轴向速度在中心处存在滞流和回流现象。模拟结果与实验结果吻合较好
【学位授予单位】：中国石油大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH69

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