入口截面高寬比對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)流場(chǎng)的影響

摘 要

摘要：氣相采用雷諾應(yīng)力模型(RSM)模擬，顆粒相采用拉格朗日坐標(biāo)系隨機(jī)軌道模型，模擬具有不同高寬比的入口截面下的旋風(fēng)分離器內(nèi)氣固兩相流流動(dòng)特性。采用適當(dāng)?shù)母邔挶龋苁剐L(fēng)分
摘要：氣相采用雷諾應(yīng)力模型(RSM)模擬，顆粒相采用拉格朗日坐標(biāo)系隨機(jī)軌道模型，模擬具有不同高寬比的入口截面下的旋風(fēng)分離器內(nèi)氣固兩相流流動(dòng)特性。采用適當(dāng)?shù)母邔挶?，能使旋風(fēng)分離器近壁面保持較高的氣流速度，強(qiáng)化外旋渦，能使顆粒更容易被壁面捕集而分離，對(duì)提高分離效率有重要作用。
關(guān)鍵詞：旋風(fēng)分離器；高寬比；數(shù)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(fēng)分離器是循環(huán)流化床的重要部件，是循環(huán)流化床內(nèi)固體物料高效利用的保證。對(duì)于大容量循環(huán)流化床鍋爐，由于旋風(fēng)分離器的尺寸較大，導(dǎo)致分離效率降低。如何提高旋風(fēng)分離器的分離效率是一項(xiàng)循環(huán)流化床設(shè)計(jì)時(shí)必須解決的技術(shù)問題?？梢哉f，旋風(fēng)分離器是循環(huán)流化床鍋爐的一個(gè)核心部件，其性能的優(yōu)劣對(duì)整個(gè)循環(huán)流化床鍋爐的運(yùn)行影響很大。
   旋風(fēng)分離器的分離效率和分離器內(nèi)的流場(chǎng)是密切相關(guān)的，深入研究分離器內(nèi)的氣固兩相流動(dòng)特性對(duì)于其結(jié)構(gòu)優(yōu)化、提高分離效率有重要意義。近年來，國(guó)內(nèi)外在旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)尺寸、入口流速等對(duì)分離效率的影響已經(jīng)做了大量研究和討論，但是對(duì)旋風(fēng)分離器入口截面高寬比對(duì)分離器分離效率影響的研究還不多。本文對(duì)入口截面高寬比對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)流場(chǎng)的影響進(jìn)行探討。
1 模型及網(wǎng)格劃分
    ① 模型及網(wǎng)格劃分
    模擬對(duì)象為某300MW循環(huán)流化床鍋爐的旋風(fēng)分離器模型，模型與實(shí)物比例為1:25。旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)見圖1。入口截面高寬比是旋風(fēng)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(fēng)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(shè)計(jì)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(duì)旋風(fēng)分離器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，各部分均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)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(fēng)分離器總高度，mm
   ② 數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法
   目前，氣相湍流計(jì)算模型主要有κ-ε模型、RNG模型、雷諾應(yīng)力模型(RSM)。κ-ε模型基于各向同性假設(shè)，與旋風(fēng)分離器內(nèi)部強(qiáng)旋流場(chǎng)的實(shí)際情況不符。RNG模型雖然在κ-ε模型的基礎(chǔ)上引入了時(shí)均應(yīng)變率的概念，但由于依然采用各向同性的湍流動(dòng)力黏度來計(jì)算湍流應(yīng)力，在描述強(qiáng)旋流場(chǎng)時(shí)依然存在不足。RSM拋棄了各向同性湍流動(dòng)力黏度及湍流應(yīng)力與時(shí)均速度梯度成線性關(guān)系的假設(shè)，在模擬各向異性的湍流流動(dòng)中具有一定的優(yōu)越性，能更好地模擬強(qiáng)旋流場(chǎng)[1]。已有學(xué)者采用RSM成功模擬了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下旋風(fēng)分離器內(nèi)的氣相流場(chǎng)[2～6]，能夠很好地與實(shí)驗(yàn)值相符。因此，本文采用RSM對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)部氣相流場(chǎng)進(jìn)行模擬。
    由于旋風(fēng)分離器內(nèi)顆粒相為稀相，顆粒相采用拉格朗日坐標(biāo)系下的隨機(jī)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(shè)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(shù)為湍流強(qiáng)度和水力直徑。湍流強(qiáng)度，的計(jì)算式為：
    I=0.16Re-0.125
式中I湍流強(qiáng)度
    Re——入口雷諾數(shù)
水力直徑DH的計(jì)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(shù)法。
    d. 排塵口邊界條件。假設(shè)沒有氣流從排塵口流出，氣流流量為零。
2 計(jì)算結(jié)果及分析
2.1 氣相流場(chǎng)分析
    切向速度和軸向速度是影響旋風(fēng)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(nèi)的切向速度和軸向速度分布。逆時(shí)針方向?yàn)榍邢蛩俣鹊恼较颍瑉軸正方向?yàn)檩S向速度的正方向。由于本文的旋風(fēng)分離器為順時(shí)針切向進(jìn)氣，因此分離器內(nèi)流體的切向速度為負(fù)。入口風(fēng)速為15m/s時(shí)，3種類型的旋風(fēng)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(fēng)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(fēng)分離器壁面附近的流體切向速度增大。類型A旋風(fēng)分離器的切向速度最大值的徑向位置離壁面最遠(yuǎn)，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(fēng)分離器內(nèi)，固體顆粒主要是在高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用下從氣體中分離出來的。當(dāng)分離器的高寬比增大時(shí)，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(fēng)速為15m/s時(shí)，3種類型的旋風(fēng)分離器在環(huán)形空間內(nèi)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(fēng)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(nèi)氣流向下的軸向速度增加，特別是靠近排氣管壁外側(cè)的氣流向下的軸向速度增加較大，這也會(huì)加劇“短路流”現(xiàn)象，導(dǎo)致分離效率的降低。
 

2.2 旋風(fēng)分離器壓降
    旋風(fēng)分離器的壓降是其內(nèi)部流場(chǎng)的能量損失，是評(píng)價(jià)旋風(fēng)分離器性能的一個(gè)重要參數(shù)。3種類型旋風(fēng)分離器的壓降見表1。由表1可知，旋風(fēng)分離器壓降隨著高寬比的增大而增加。當(dāng)高寬比增大時(shí)，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(dǎo)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(duì)旋風(fēng)分離器性能的影響，比較符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果[7]。將數(shù)值模擬結(jié)果與Barth模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以看出數(shù)值模擬結(jié)果誤差較小，具有一定的精度。
表1 不同入口高寬比下旋風(fēng)分離器的壓降
類型
A
B
C
數(shù)值模擬結(jié)果/Pa
563
579
596
Barth模型計(jì)算結(jié)果/Pa
536
557
586
相對(duì)誤差/%
5.04
3.95
1.71
2.3 分離效率
    粒級(jí)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(shí)的顆粒粒徑。粒級(jí)效率圖可以清晰表明旋風(fēng)分離器對(duì)不同粒徑顆粒的分離性能。3種類型旋風(fēng)分離器的粒級(jí)效率見圖7。由圖7可知，類型B旋風(fēng)分離器的切割粒徑最小。3種類型旋風(fēng)分離器的分離效率分別為：A：88.71%，B：91.54%，C：90.27%。因此，當(dāng)入口高寬比增大或減小時(shí)，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(shí)際工程運(yùn)用中，應(yīng)當(dāng)保持旋風(fēng)分離器入口高寬比在一個(gè)合適范圍內(nèi)，使得旋風(fēng)分離器具有最佳的分離效率。
 

3 結(jié)論
    通過比較3種不同類型的旋風(fēng)分離器同一軸向高度上切向速度的分布，發(fā)現(xiàn)隨著旋風(fēng)分離器高寬比的增加，分離器內(nèi)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(xiàn)旋風(fēng)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(gè)入口高寬比的最佳區(qū)間，使得旋風(fēng)分離器具有最佳的分離效率和較低的壓力損失。
參考文獻(xiàn)：
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(本文作者：李強(qiáng) 黃榮國(guó) 繆正清 衛(wèi)飛飛 上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200240)