螺旋式旋流器的切向速度分析.pdf

烟 气 污 染 治 理 螺旋式旋流器的切向速度分析 ＊ 吴剑华 闫星峰 王宗勇 沈阳化工学院机械工程学院, 沈阳 110142 摘要 借助 CFD 软件, 采用 R SM 模型对螺旋式旋流器内的切向速度场进行了数值模拟。 模拟结果表明 旋流器内部的 流场分为螺旋通道内的准自由涡和内筒区域的准强制涡; 在柱锥交界区域的内筒外壁附近有一低速区, 易导致颗粒富 集而出现高浓度区进而影响分离效率; 此外通过改变入口速度和螺旋通道的螺距, 研究对旋流器切向速度的影响。 通 过对流场特性的研究, 为进一步充分认识此类旋流器的分离机理提供了依据。 关键词 螺旋式旋流器;雷诺应力模型; 切向速度 ANALYSIS OF TANGENTIAL VELOCITY IN A SPIRAL CYCLONE Wu Jianhua Yan Xingfeng Wang Zongyong Mechanical Engineering Department, Shenyang Institute of Chemical Technology, Shenyang 110142, China Abstract The internal tangential velocity field in a spiral cyclone was simulated using commercial CFD software and the Reynolds stress model. The simulated results indicated that the internal flow field in a spiral cyclone could be divided into two parts the spiral channel isthe norm free vortex and the central area isthe forced vortex. There exists a much lower velocity spot, whichmay affect the separation efficiency . Furthermore, the effects of inlet velocity and helical pitch of the spiral channel on the tangential velocity were presented. The research on the characteristics of flow field provided the evidence for further understanding of a spiral cyclone flow field and separationmechanism. Keywordsspiral cyclone; Reynolds stress model;tangential velocity ＊国家“十五”科技攻关项目 2004BA319B1 。 旋流器是一种紧凑高效的离心分离设备 ,可用于 液- 固 、 液 - 液二相以及气- 固等的分离 [ 1] 。旋流器 已广泛应用于矿山 、石油 、化工 、医药、环保等行业的 分离 、 分级和分选 [ 2- 3] 。 在旋流分离操作中, 当处理量大时 ,为了提高其 分离效率, 一般宜采用多只旋流器并联操作 ,使旋流 器筒径小些 , 而不采用一只筒径大的旋流器 , 如图 1 所示 。本文选取图 1 旋流器组中的小旋流器, 即螺旋 型旋流分离器作为研究对象。与常规旋流器的结构 相比 ,这种旋流器最大的特点就是在其内部增设了螺 旋通道。在工业生产中, 已被证实为性能优越的高效 旋流器 [ 4] 。 在旋流器的速度场中, 切向速度起着主导地位。 切向速度越大, 离心力越强,分离效率越高,而且切向 速度的大小还反映旋转动能损失的多少 。本文对旋 流分离器的切向速度场进行数值模拟, 以此来预测此 旋流器的分离性能。根据模拟结果 ,对旋流器内的切 向速度分布获得一些新的认识 ,对进行旋流器结构的 优化具有一定的工程应用价值 。 图 1 多管式旋流器组 68 环 境 工 程 2009年 6 月第27 卷第3 期 1 计算模型及相关说明 1. 1 几何实体尺寸 旋流器结构参数关系模型如图 2。此旋流器是 由轴向入口、 圆柱段 、 圆锥段、溢流口和底流口组成 。 图 2 旋流器结构示意 其结构尺寸分别为 D 140 mm , DeD 2 70 mm , H 440 mm , h150 mm , h2140 mm , h3 50 mm , a 10 mm , b 30 mm,B 40 mm , s 10 mm 。 1. 2 网格划分 使用 Fluent 中的前处理程序 Gambit 生成网格如 图3 所示 。整个旋流器计算区域共划分为288 705个 网格单元 ,59 599个节点 。 图 3 计算区域的网格划分示意 1. 3 湍流模型 在现有研究文献中选用较多的是重整化群 k- ε 模型 RNGk- ε 和雷诺应力模型 RSM 。虽然这两种 模型均能模拟旋流, 但 RNGk- ε 模型基于 boussinesq涡 黏性假设, 通过涡黏性系数计算雷诺应力使方程封 闭,其湍流具有各向同性效应, 适用于简单的湍流情 况; 而雷诺应力模型放弃了各向同性的涡黏性假设, 直接求解各项雷诺应力, 适用于模拟三维 、 各向异性 等复杂的湍流情况 [ 5] 。本文所研究的旋流器中的流 体是一种强旋流流动 ,其湍流具有各向异性等特点, 根据前人的研究表明 [ 6- 9] 采用 RSM 模型能够更为真 实地模拟旋流器内部的复杂流动情况 。所以本文采 用 RSM 模型进行模拟。 1. 4 边界条件的设定 在运用 Fluent 软件对旋流器进行数值模拟时 ,边 界条件的设置也不尽相同 ,一般多采用入口为质量流 量或速 度入口 ; 出口 为压力出口 或出口充 分发 展 [ 10-11] 。在本文的模拟中, 边界条件采取如下设置 1 进口边界条件 认为流体的湍流已经充分发 展,入口截面的法向速度为均值,即速度设为10 m s。 2 出口边界条件 两出口均采用充分发展, 溢流 口和底流口的流速权重因子分别设为 0. 96,0. 04。 3 壁面条件 流动边界采用无滑移固壁条件。 1. 5 物理条件及其他设置 本文以空气为介质进行模拟。 空气的密度和黏度按以下数值选取 [ 12] ρ 1. 205 kg m 3 , μ 18. 110 -6 Pas。 采用 SIMPLE 算法对速度场进行求解 ,采用二次 迎风格式离散动量方程和离散湍流能量方程 ,采用非 耦合求解方法求解。 2 结果与讨论 为清楚描述旋流器内流场情况 ,选取旋流器的一 个纵剖截面 Y 0 来描绘旋流器内部切向速度分 布,同时作了垂直于轴线方向的平面 Z -40, 20, 100 来描述旋流器内部切向速度在各截面上沿半径 的分布情况 。各截面的位置如图 4所示。 图 4 截面位置示意 69 环 境 工 程 2009年 6 月第27 卷第3 期 2. 1 旋流器切向速度分布特征 图5 为各截面切向速度沿半径的分布曲线。可 以看出 ,切向速度呈现准对称分布, 各截面上流体的 切向速度变化规律大体一致。在旋流器的溢流管口 以下的平面上, 如平面 Z 20 与 Z 100 上, 切向速 度的径向分布曲线由外到内可以分为 靠旋流器壁的 上升段以及中心区附近的下降段; 而在溢流管管口以 上的平面上 如平面 Z - 40 ,切向速度的变化规律 为 靠旋流器壁的上升段 、 内筒外壁附近的下降段 、 内 筒内壁附近的上升段以及中心区附近的下降段。总 之,切向速度值随半径的减小而增大, 在某一径向位 置处达到最大值 , 而后随着径向位置的进一步减小, 切向速度也减小。另外从切向速度分布图还可以看 出,旋流器内气流的旋转运动符合组合涡的特点, 这 种流动形式对分离是十分有利的, 中心区域强旋涡运 动的离心作用有利于颗粒甩向外部 ; 外部的准自由涡 区由于旋流强度低, 有利于颗粒在壁面附近被捕集 。 图 5 切向速度分布 图6 为螺旋式旋流器内切向速度分布云图,可以 看出, 当气流从分离器入口进入后, 气流开始在螺旋 通道内加速运动 ,随后气流沿筒壁作圆周运动 ,切向 速度梯度慢慢降低下来 。最大切向速度值出现在大 约内筒壁的位置 。而且可以看到, 在柱锥交界区域的 内筒外壁附近有一个低速区, 这将使进入该区域的颗 粒“悬浮”而富集 ,从而形成高浓度区, 严重地影响了 旋流器的分离效率。 由于切向速度大小的变化反映了旋转动能损失 的多少,故还应考察它的梯度的分布情况。由切向速 度直方图图 7 可以看出, 切向速度绝大部分都是正 值,这是因为在柱坐标系中 ,切向速度正方向是由右 手定则来判断的 ,该模型中气体流入方向与旋转轴正 方向符合右手定则; 但存在极小一部分流体的切向速 度方向为负 ,其旋转方向与主流不一致 , 这主要发生 图 6 切向速度分布 在旋流器进口处 ,流体沿轴向进入旋流器 ,由于螺旋 片距离筒上壁面近 ,使得在此处流体可能窜动, 引起 其旋转方向与主流不一致。所以在今后的设计中应 该给予改进 ,即增加螺旋片与筒体上壁的距离, 降低 产生切向速度为负值的可能性 。 另外由图 7 还可以看出, 在旋流器中, 切向速度 值在 20～ 60 m s的占85左右 ,这将有利于分离操作 的进行。 图 7 切向速度梯度分布 最大切向速度沿轴向变化趋势见图 8。 由图 8 可知 ,最大切向速度值沿轴向从上到下有 衰减 ,这主要是由于螺旋通道内压力损失和壁面摩擦 损耗的缘故, 使得与理想情况有偏差。在理想状况 下,根据“旋转矩不变”原理 ,最大切向速度值由上到 下应略有增大, 并且在轴向大约 Z -100 mm处切 向速度值最大。由此可见 ,旋风分离器内螺旋片尺寸 以及旋流器壁面状况等都会对分离器产生重要 影响 。 70 环 境 工 程 2009年 6 月第27 卷第3 期 图 8 Uθ max变化曲线 2. 2 最大切向速度与入口流速的关系 为了研究入口流速对旋流器性能的影响 ,入口速 度分别取 5,10,15,20 m s,在其他条件不变的情况下 进行模拟, 得到了不同入口速度下的最大切向速度 值,见表 1。 表 1 不同入口流速与最大切向速度m s U UmaxUmax U 533. 456 . 69 1067. 26 . 72 15100. 986 . 73 20133. 716 . 69 切向速度值越大, 越有利于分离 。当然并不是 说,入口速度越大越好 , 还应考虑速度增大带来压降 增大的影响。从以上的模拟结果可以看出,当入口速 度为 10和15 m s时, 更有利于分离。 2. 3 最大切向速度与螺距的关系 分别取螺距为 20 ,30,40 mm ,在其他参数不变的 条件下进行数值模拟 ,得到了相应情况下的最大切向 速度值,见表 2。 表 2 不同螺距与最大切向速度 螺距 b mmUmax ms- 1 Umax U 2072. 097 . 21 3067. 26 . 72 4061. 916 . 19 从表 2 可以看出 ,螺距越小, 得到的切向速度越 大,越有利于分离操作。但从理论上可以知道 ,螺旋 片螺距的减小会增大能量的损失, 所以螺距大小的选 取,应综合予以考虑 。 3 结论 1 该类型旋流器内的流体主流是双层旋转流 ,切 向速度分布符合组合涡的特点。中心区域强旋涡运 动的离心作用有利于颗粒甩向外部 ; 外部的准自由涡 有利于颗粒在壁面附近被捕集 。 2 在柱锥交界区域的内筒外壁附近有一低速区, 这将使进入该区域的颗粒“悬浮”而富集 ,从而形成高 浓度区,严重地影响了旋流器的分离效率 。 3 最大切向速度值沿轴向位置的变化规律与理 想情况有差异, 其沿轴向有衰减。说明旋流器内螺旋 片尺寸以及旋流器壁面状况等都会对分离器的分离 产生重要影响。 4 虽然增大入口速度可以提高最大切向速度值, 提高分离效率, 但这是以过大的能量消耗为代价的。 而且当入口速度增大到某一值时,其效率反而可能下 降,因此在入口速度的选取上 , 应权衡利弊 。另外旋 流器内螺旋通道的螺距也并不是越小越好,生产实际 中需综合考虑。 参考文献 [ 1] 俞接成, 陈家庆, 王波. 液-液分离用水力旋流器内部流场的三 维数值模拟[ J] . 石油矿场机械,2007, 36 5 9-14. 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