一种高效旋风分离器的分离特性

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　　摘 要：為了研究大气监测系统中涉及的旋风分离器的分离性能及影响因素，根据旋风分离器设计准则，设计了结构尺寸，建立流场三维物理模型，应用雷诺应力模型（RSM）模拟气相速度场，然后加入颗粒相应用离散相模型进行气固两相流耦合计算，得出内外旋涡形式的流场对颗粒运动影响及颗粒的分离情况;为满足分离性能的要求，在初始结构方案基础上，依次改变排气管长度、直径等参数，计算并比较分离效率曲线的几何标准差。结果表明：较优结构排气管长度为42mm、直径为18mm，可有效抑制短路流产生，增大外部漩涡区域，保证了几何标准差为1.5±0.1，提升了分离效率。
　　关键词：旋风分离;数值模拟;临界粒径;分离性能
　　DOI：10.15938/j.jhust.2020.03.018
　　中图分类号： TK09
　　文献标志码： A
　　文章编号： 1007-2683（2020）03-0116-06
　　Abstract：In order to study the separation performance and influencing factors of cyclone separator involved in the atmospheric monitoring system， the structure size of the particle was designed and the three-dimensional physical model of the flow field was established by the design criterion of the cyclone separator. Reynolds stress model （RSM） was used to simulate gas velocity field， then the particles phase was added and the gas-solid two-phase flow was calculated by the discrete phase model. The effect of internal and external vortices on particle motion and the separation of particles is obtained. In order to satisfy the requirements of separation performance， the parameters such as the length and diameter of exhaust pipe were changed successively and the geometric standard deviation of the efficiency curve of separation was calculated and compared on the basis of the initial structure scheme. The result show that the optimal exhaust pipe length is 42mm and diameter is 18mm. It can effectively inhibit the generation of short circuit flow， increase the external vortex area， guarantee the geometric standard deviation is 1.5±0.1， improve the separation efficiency. 　　Keywords：cyclone separation; numerical simulation， critical particle size， separation performance
　　0 引 言
　　旋风分离器自发明投入使用以来已有百余年历史，先后经过了3个发展阶段，通过理论分析、科学实验、模拟计算等阶段对它有了更加深入的认识[1-2]，用数值模拟方法对旋风分离器内部分离过程进行模拟，理论研究相对成熟。
　　近年来，国内外研究学者对旋风分离器进行了大量相关研究，王海刚等[3]针对标准k-ε、RNG k-ε、雷诺应力（RSM）模型分别进行了计算，通过分析三种不同湍流模型模拟结果，发现RSM模型更能准确反映分离器内部气相的真实状态;高雪琦等[4]在Fluent中应用了RSM和离散相模型（DPM）模型，分别模拟了多种尺寸的旋风分离器对细微粒的分离效果;QI Z等[5]着重分析了旋风分离器内部复杂的流场特征，在流动不同时期采用不同的模拟方法，开始以RSM模型，稳定后过度到大涡模拟，最后激活多相流模型。同时分析了颗粒的粒径分布、密度对分离效率的影响。近年来，计算模型逐渐完善，计算软件逐渐发展，研究不同参数对分离器性能的影响较多。凌国华[6]分析了进气口颗粒的状态对分离效率的影响。袁怡等[7]通过比较不同圆柱体直径与分离器分离性能的关系，定性的预测了旋风分离器分离效率和压降随圆柱体直径的变化趋势。JIN W L等[8]发现内外漩涡分界面的形状对气流流动和颗粒分离的影响很大，分离器中圆锥体部分及进气口可以影响对内外漩涡分界面。调整圆柱体直径，可以减小进气流量对总压降的影响。OSCAR L等[9]认为在旋风分离器的设计时最重要的性能参数是压降和收集效率，发现最大切向速度位置向内移动，壁面附近切向速度变化梯度增加，均会降低压降，增加收集效率。苏伟等[10]通过研究分离器内气相流场的分布，改变入口气体流量，颗粒相浓度来分析分离性能的好坏。狄文静等[11]模拟研究了VSCC型旋风分离器的内部湍流场，并进行了相关的实验验证，提出了多种几何参数改进方案，定性的分析了提高分离效率，减少能耗的途径。GHASEMI A等[12]对三维旋风分离器进行数值模拟，通过改变排气口直径、圆柱体直径。进气口直径及倾角，获得了气液分离的最佳点。汪林[13]研究了进气口不同位置处颗粒的分离状况，研究了排气管截面积、偏置方向、偏心距带来的压力损失及分离效率的影响。姜孝国等[14]采用Fluent对分离器效率的影响因素进行了分析，着重研究了逃逸的三类颗粒，并分别提出了减少这三类颗粒逃逸的优化措施及建议。近期研究重点主要集中在不同结构旋风分离器的分离性能研究[15-17]。
　　综上所述，在国内外的研究中发现，大多数的人都集中在定性分析边界条件及结构参数对气相流场及分离效率的影响，对要求有特定切割粒径的分离器的结构参数设计及边界条件的设定的研究较少。本文研究的是固定源排放颗粒物浓度监测系统装置中的PM10旋风分离器，特点是流量小，流量为10L/min，临界粒径应为10μm，同时为后面PM2.5浓度测量的准确性，还需保证分离效率几何标准差在理论范围内。
　　1 物理模型
　　本文设计的PM10旋风分离器结构及原理示意见图1，该装置分为5个区域：进气管、圆柱体、圆锥体、排气管、排尘口，其中h为圆柱体高度，H为分离器高度，De为排气管直径，D为圆柱体直径，a为进气口高度，b为进气口宽度，E为排尘口直径。图1（b）为X=0截面。
　　使用SolidWorks建立物理计算模型，根据文[18]得出各结构尺寸如表1：
　　2 数学模型及求解条件
　　2.1 数学模型
　　气相模型：根据以往研究发现RSM模型[3]更能准确反映分离器内部气相的真实状态，故选用该模型方程：
　　气固两相模型：本文的PM10旋风分离器，粒子浓度相对较低，则应使用离散相模型（DPM）[19]，对粒子的轨迹进行追踪。由于体积分数较小，不需要考虑考虑离散相对气相的作用，因此选用单向耦合。由以往的研究可知，曳力对颗粒运动的影响最大，其余的对其影响非常小，固可忽略不计。曳力表达式如下：
　　分离性能指标：
　　1）临界粒径dc50是分离性能的一个关键参考因素，通常情况下，用dc50表示在分离器中分离效率为50%的颗粒空气动力学直径[20]。
　　2）认为排尘口流出的颗粒数N逃逸与进气口射入的颗粒总数N总数的比值为总分离效率η，也可以表示为分级分离效率，指在某一粒径范围内的分离效率，可以直观反映对不同粒径颗粒的分离程度[21]。
　　式中：dc84，dc50，dc16，分别代表分离效率为84%，50%，16%的颗粒粒径;δg为无量纲常数，用来表示分离器的分离性能。
　　2.2 求解条件
　　气相边界条件：①进气口：给定体积流量入口10L/min，烟气温度150℃，设置进气口为速度入口2.3m/s，水力直径为10mm;②排气口：设置为自由出流;③壁面：无滑移。
　　颗粒相边界条件：①进气口：在进气口进入的粒子群按初始尺寸分组，使不同粒径的粒子在进气口截面不同的位置均匀射入，粒子与气体的初始速度相同;②壁面：設置壁面为reflect;③排气口：设置为escape（4）排尘口：设置排尘口边界条件为trap。
　　采用ICEM软件划分网格，发现当网格数为30万以上时，模拟结果基本不随网格数变化。压力离散格式采用PRESTO！，其他离散格式相采用具有三阶精度的QUICK格式。离散方程组求解时压力速度耦合采用SIMPLEC方法，近壁面处使用标准壁面函数法，获得网格独立收敛解。 　　3 计数值模拟结果及分析
　　3.1 流动分析
　　假设颗粒相的体积分数很小，将其视为稀疏相处理，颗粒相的受力与运动受分离器中气相流场作用的影响较强烈，首先计算分离器中的气相流场。
　　流场Y=0截面（见图1）速度矢量分布见图2。由图可知，分离器内有内旋涡与外旋涡构成的双层旋流以外，还有局部的二次涡流;由进气口射入的大部分气流进入分离器内，有一小部分气流沿轴向朝上运动，碰到上壁面后，在排气管外壁面附近形成了二次涡流，这些涡流会将其中未经分离的颗粒聚集在长时间停留，最终增加了这部分粒子撞击到壁面上的概率，影响了分离的性能;由进气口射入的气流速度较大，紊流程度较强，并且进气口距离排气口下端较近，所以一部分颗粒流并未跟随主流体向下运动，未经分离过程经排气管流出，类似短路流，严重降低了分离性能。
　　气相计算分析结束后，加入颗粒相计算颗粒的运动情况，得到各粒径范围内颗粒的分离效率η，如图3所示。由图可知，10μm以下分离曲线上凹，其他下凹;随着粒径增加，η数值逐渐增加;粒径超过10μm，η增长速率放缓。本研究的PM10分离器不仅要保证临界粒径在10±0.5μm范围内，为了保证下一级测量准确性，须保证分离效率曲线的几何标准差为δg=1.5±0.1，如果对于大粒径颗粒的分离效果较差，使得大颗粒进入后续细分离设备，会使后续测量产生误差。
　　根据图3得到dc84=13.2，dc16=6.71， dc50=8.7，计算得到分离效率曲线几何标准差：δg=dc84/dc50=1.47，δg=dc50/dc16=1.33。数值小于1.4，分离性能较差。主要是由于在临界粒径附近的颗粒，未能按理想的运动轨迹发展，主要表现在过多小粒径颗粒被PM10旋风分离器收集，过多大粒径颗粒逃逸。
　　3.2 结构参数对分离性能的影响
　　针对上述方案得到的PM10旋风分离器分离效率曲线几何标准差较差的问题，为提高分离性能，依次改变分离器排气管的长度、排气管的直径，使用SolidWorks、ICEM进行前期处理，给定相同的边界条件，分别进行数值模拟，并总结结构尺寸对分离性能的影响规律。
　　排气管长度影响：设计了如下两组改进方案;具体结构参数改变数值见表2。第一组方案中圆柱体段高度不变，第二组方案中圆柱体高度随排气管改变，设排气管长度为36mm时为初始方案，其他的结构参数均相同。
　　得到排气管长度不同时4个方案中分离器Y=0截面的速度分布云图，见图4，通过方案一与方案二比较发现，随着排气管长度的增加，在排气管外壁面附近的二次涡流范围逐渐变小。气流进入分离器的位置与排气口底端的距离增加，减少了气流因两者距离短直接进入排气口的短路流的发生，在此处的气流的速度逐渐增加，减少了气流直接进入排气口的可能性。但随着排气管长度的增加，排气管增加部分的管壁破坏了原本存在的分离器气流内外双层漩涡状态，减小了对颗粒分离起主要作用的外旋涡区域，使得分离器内没有足够的空间使颗粒进行分离，导致增加排气管长度但并不能很好的提高分离性能。
　　第2组方案，将圆柱体段高度随排气管长度改进，速度云图见图5。通过纵向对比第一、三方案;第二、四方案，可以明显发现，在排气管底端处切向速度减小，避免了较大颗粒逃逸;内外漩渦区域高度增大，使得颗粒有足够空间进行分离，同时可以减少排尘口附近已被捕集颗粒出现返混的可能性，只改变排气管长度方案的缺点得到了修正。故初步选定第4方案。
　　排气管直径的影响：在对旋风分离器的研究中发现，排气口直径对分离性能有重要影响。为了分析排气管直径对分离器性能的影响，在上述第4方案的基础上，设计了排气管直径分别为14、18、26mm，3个改进方案，其他的结构参数均相同。
　　两个方案的切向速度分布见图6，对比发现当排气管直径变小时，分离器的最大切向速度变大。切向速度对颗粒的分离至关重要，切向速度越大，颗粒越容易分离。方案一中的最大切向速度是方案3中的1.8倍，所以排气管直径越小越好;随着排气管直径逐渐变大，由最大切向速度值组成的CS面沿径向向外移动，即CS面以外的对颗粒分离起主要作用的外旋涡区域变小，对颗粒分离效果变差。
　　方案1、2方案中分离器Y=0截面的轴向速度分布云图，见图7，由图可知，第1方案中心线上，轴向速度由0m/s增加到6.72m/s，而第3方案中心线上轴向速度由0m/s增加到2.24m/s，排气管直径越小，上升气流的流通流截面积变小，使得轴向速度明显增加。但轴向速度过大，使得一些原本可以被捕集的在内漩涡中做上旋运动的大粒径颗粒逃逸，降低了分离性能，所以并不是排气管直径越小越好。即取18mm作为直径。
　　4 结果验证
　　在原方案基础上，通过计算分析对PM10旋风分离器进行了排气管长度及直径的结构优化，改善了分离性能，改进方案与原方案中各粒径范围颗粒的分离效率见图8，分离效率曲线几何标准差δg=dc84/dc50=1.45，δg=dc50/dc16=1.42。可以发现，对于较大粒径的颗粒分离效率提高，说明结构优化后的PM10旋风分离器捕集了更多的大于10μm的颗粒，减小了在原方案这些颗粒逃逸对后续测量的误差，较小粒径的颗粒分离效率降低。
　　5 结 论
　　本章为分离含尘气流中PM10颗粒，根据PM10旋风分离器设计准则，为满足临界粒径，分离效率几何标准差的要求，进行了结构尺寸设计，根据气固两相流动模拟结果，提出了影响因素并进行比较分析，得到以下几条结论：
　　1）在旋风分离器排气管外壁上存在二次涡流，增加了颗粒停留的时间，不利于分离;在排气管底端存在短路流，导致部分颗粒未经分离直接流入排气口逃逸。
　　2）随着排气管长度增加（圆柱体高度增加相同值），减少了排气管下端短路流的发生，当其值为42mm时，分离性能较好。 　　3）随着排气管直径减小，在各高度截面上的最大切向速度均有不同程度的增加，CS面沿径向朝中心移动，外旋涡区域增大，当De=14mm时最大切向速度是De=26mm时的1.8倍。但直径过小会导致轴向速度过大，影响正常颗粒分离，分析得到当De=18mm时，满足要求。
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　　（编辑：王 萍）
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