1、重庆大学本科学生毕业设计（论文）旋风分离器锥段结构对分离性能影响的数值模拟学 生：学 号： 指导教师： 专 业：热能与动力工程重庆大学动力工程学院年 月重庆大学本科学生毕业设计（论文） 中文摘要I摘 要旋风分离器是一种用来从载气中分离固体颗粒或液滴的常用设备。因其操作运行简单、结构不复杂、便于制造、分离效率高、耐高温，因而在国民工业生产各部门被广泛应用。本研究工作的主要目的是用CFD商业软件Fluent来对具有双锥段结构的旋风分离器和传统类型的分离器的内部流场进行数值模拟，从而分析其速度场、压力损失、分离效率，进而证实双锥型旋风分离器性能更优的结论，以便使得这种改进型的旋风分离器得到更大重视和
2、推广，也为今后旋风分离器锥段结构的改进提供一些思路。本研究用 Fluent 前处理器 Gambit 建立两种需要对比的旋风分离器几何模型，然后进行网格的划分、边界条件的设定、计算区域的选取。Fluent 软件计算时湍流模型采用 Reynolds Stress Model（RSM ） ，雷诺应力采用 QUICK 格式，压力梯度项采用 PRESTO！格式，离散格式采用 First Order Upwind，采用 SIMPLEC 算法。研究主要内容包括：分析两种旋风分离器气相流场；分析两种旋风分离器气-固两相流场，在不同颗粒直径、不同颗粒浓度、不同进口风速的情况下，比较两种旋风分离器的两大性能指标分
3、离效率和压降损失。研究结果表明：锥段结构对旋风分离器分离性能影响较大，具有双锥段结构的旋风分离器分离效率更高、压力损失更小，因而性能优于传统类型的旋风分离器。关键词：旋风分离器，锥段结构，分离效率，压力损失，Fluent重庆大学本科学生毕业设计（论文） ABSTRACTIIABSTRACTCyclone separator is a commonly used equipment for separating solid particles or liquid droplets from the carrier gas。Because it has the advantages of simp
4、le operation and running, convenient to install and use, high efficiency, can withstand the high temperature and high pressure，so it is widely used in many fields of energy power, chemical industry, metallurgy, environmental protection etc.The main purpose of this research is through the CFD commerc
5、ial software FLUENT to simulate the two kings of cyclone separators,that one contains double cone section of the structure,the other is the traditional type of cyclone separator. From this,we can draw a conclusion that the performance of the cyclone separator,which contains double cone section is be
6、tter.so that this king of cyclone separator can get more recognition and promotion, as well as provides some ideas at the field that how to improve the structure of the cyclone separator cone section in the future.In this study, two kinds of geometric models of cyclone separator that need to contras
7、t are established by the front processor of FLUENT,called GAMBIT . And then ,divides the grids,selects the calculating region and sets the boundary conditions. And the last ,output the mesh file.When Fluent software is to calculate , turbulence model using Reynolds Stress Model(RSM) ,the Reynolds st
8、ress using QUICK format，pressure gradient using PRESTO! ,discrete format using First Order Upwind and using SIMPLEC algorithm.The research content including: comparing the most important two performance indexes-separation efficiency and pressure loss of the two kinds of cyclone separator under the c
9、onditions that in different particle diameter, particle concentration and wind speed of inlet. The results show that the cone section of the cyclones has a great influence on the performance of separation,the cyclone with double cone section has a higher separation efficiency and less pressure loss,
10、and thus it has better performance than the traditional type of cyclone separator.Key words: cyclone separator, cone section of the structure, separation efficiency, pressure loss, FLUENT重庆大学本科学生毕业设计（论文） 目录III目 录摘 要 .IABSTRACT .II1 绪论 .11.2 旋风分离器构造和工作原理.11.1 课题来源与研究意义.11.3 旋风分离器的发展概况.21.4 旋风分离器研究现状.
11、31.4.1 国外研究现状.31.4.2 国内研究现状.41.5 旋风分离器的分离机理及主要性能指标.41.5.1 旋风分离器的分离机理.41.5.2 旋风分离器主要性能指标.51.6 旋风分离器一些常见问题和相应的改进措施.71.7 研究方法及研究内容.71.8 小结.82 旋风分离器气相流场的数值模拟 .92.1CFD 及 FLUENT 软件概述 .92.2 旋风分离器物理模型及网格划分.92.2.1 旋风分离器物理模型.92.2.2 网格划分.112.3 求解器的设置.122.4 两种旋风分离器的速度场分析.142.4.1 切向速度分布.142.4.2 轴向速度分布.152.4.3 径向
12、速度分布.162.5 小结.163 旋风分离器颗粒相的模拟 .173.1 求解器基本设置.173.3 不同微粒参数下两种旋风分离器分离性能的比较.193.3.1 不同微粒直径下两种旋风分离器分离性能的比较.193.3.2 不同进口风速下两种旋风分离器性能的比较.20重庆大学本科学生毕业设计（论文） 目录IV3.3.3 颗粒浓度对两种旋风分离器分离性能影响的比较.243.4 其他类型锥段结构对旋风分离器分离性能的影响.263.5 小结.274 总结 .28参 考 文 献 .29致 谢 .31重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1 绪论11 绪论1.1 课题来源与研究意义本课题用于研究的具有双锥段结
13、构的旋风分离器原型来源于济南锅炉集团有限公司所提供的循环流化床锅炉图纸，在研究前对此旋风分离器进口段和出口段等进行了适当的简化处理，实验模型以 1:1 的比例进行建模。用于进行对比研究的传统型旋风分离器以同样的尺寸进行建模。旋风分离器在能源动力、石油化工、采矿冶金、机械等许多领域有着广泛的应用，它早已成为降低大气污染、保护人们身体健康、回收资源、提高企业经济效益的重要工业设备。在能源动力方面，旋风分离器则是循环流化床锅炉最常用的分离设备，常担任着一级分离设备的重要角色，布置在炉膛与尾部烟道之间，其作用是从锅炉炉膛的出口气流中把大量夹带的高温煤粉分离出来。旋风分离器结构简单、操作简易、成本低，一
14、般的旋风分离器对于510m 以上的颗粒来说分离效率比较高，但对于更小的颗粒来说（5m以下） ，微小颗粒很难被甩向壁面分离出来，原因是其受到的径向外的离心力小于受到的径向内的流动阻力 1。小于10m 的颗粒排放到空气中后会长时间漂浮空中又难以沉降，微小颗粒吸附了有毒气体、重金属元素后被人体吸入则会导致或加剧各种呼吸道疾病。如果微粒落在工业设备的运动部件上，则会增大设备磨损、降低设备效率和寿命 2。因此在大气污染、雾霾日趋严峻的今天，提高旋风分离器的分离效率和提高对微小颗粒的分离能力十分必要，意义重大！1.2旋风分离器构造和工作原理传统的旋风分离器构造如图1.1所示，其主要由五大部件组成，即进气管
15、（与圆筒体相切，类矩形体部分） 、排气管（又叫升气管） 、圆筒体、圆锥体、排尘管。我们之所以会有各种类型的、不同结构的旋风分离器出现，是因为旋风分离器各部件都有多种形式，对应不同的领域可应用不同类型的分离器，但他们的基本原理都是一样的，只是性能有所差异。传统旋风分离器主要由八个几何尺寸来决定结构：总高H 、筒体直径D 、锥体段高度 、进气管截面的高度 a和宽度b（进气管长度不是主要尺寸，模拟时一c般只要大于筒体半径即可） 、排气管直径 、排气管插入深度S (顶板到排气管底xD部高度)、排尘口直径 。dD本研究所采用的旋风分离器结构模型如图1.2所示：重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1 绪论2
16、图1.1 旋风分离器结构简图图1.2 两种旋风分离器模型左图为本研究中需要进行性能验证的具有双锥段结构的旋风分离器模型（以下称之为“双锥型旋风分离器” ） ，右图为与之进行对比研究的具有相同尺寸的传统型旋风分离器模型。通过对两种分离器内部气相和气-固两相流场进行数值模拟得到锥段结构对旋风分离器分离性能影响的结论。旋风分离器工作原理很简单：气-固混合物沿顶部切向进入筒体，筒状体诱导气流旋转向下，使气-粉混合物产生涡流，由于受离心力作用，粉尘被甩向筒壁顺着筒壁附近湍流滑入圆锥形部分的灰尘出口，而气体通过排气管导出。1.3旋风分离器的发展概况重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1 绪论3旋风分离器的发
17、展过程大致可分为三个阶段 3：第一阶段：从1886年Morse的第一台圆锥形旋风分离器问世到二十世纪三十年代。此阶段只是简单地认知了离心力对分离性能的影响，认为其过程只是颗粒被甩向筒壁，没能揭示其他实质性规律。在此阶段中，旋风分离器只能分离粒径较大的颗粒，分离临界直径约为40-60m。第二阶段：从上世纪二十年代末到六十年代初，此阶段大批国外学者和科研机构对旋风分离器进行了大量的科学和理论研究，其中比较有代表性的是1928年Prockact 第一次完成了旋风分离器流场的测定，而关于流场测定的实验中又当属Ter linden 于 1949年所做的实验最为著名。国外研究人员通过大量试验认知了温度、气
18、流进口速度、颗粒密度、分离器构造及尺寸等因素是如何影响分离效率和压力损失的，进而促成了旋风分离器理论研究与工程实践相结合的长足进步。第三阶段：从二十世纪六十年代初到现在。这一阶段的旋风分离的研究目标主要在于提高分离器分离的临界直径，以捕集更微小颗粒，扩大分离器运用范围。1963年德国西门子公司研制出一种名为DSE的捕集到 0.4m颗粒的旋风分离器，开启了分离器超微捕集新篇章。七十年代以后各中应用新理论制造的旋风分离器推陈出新。1.4旋风分离器研究现状1.4.1国外研究现状Diet z4于1981年将旋风分离器进行了分区，将之分为了上升流分离区域、下降流分离区域和入口分离区域三个区域，这是旋风分
19、离器第一次开创性的进行分区计算，同时他借鉴了DLeith和W .Licht的横向混合模型的设计理念，提出了旋风分离器气固两相分离模型。Mothes和Loftier 5对Diet z模型进行了大量实验发现该模型对分离预测不连续，为了改善这种情况，他们于1988年优化了Diet z模型，即在原有三个分离区域的基础上增加了排气管分离区域，同时考虑返混现象和浓度径向改变对分离效果的影响，此外再引入粒子沉降系数用以改善浓度扩散效应，做了这些大量工作之后他们提出了另一分离模型，实验表明，这是一种更契合实际应用的模型。W.S.Kim和J.W.Lee 6于1989年在前人基础上提出了一种基于边界层特性的气-固
20、两相分离模型。该模型没有像上述两个模型一样按分离器部位来分区，而是按气流在旋风分离器内部实际流动状态来分区，只分成了“近壁边界层区”和“湍流核心区”两个区，这两个区的划分既考虑了边界层固相颗粒的沉降作用又顾及到了湍流扩散。2001年他们对该模型表现的不足进行改进，结果表明该模型的实用性较好，但边界层条件的简化仍有待研究。重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1 绪论41.4.2国内研究现状国内对旋风器分离模型的研究较晚，随着国内对环境污染、工厂排放越来越重视，一批国内学者于上世纪90年代开始在外国原有研究的基础上对旋风分离器进行了大量研究，比较有代表性的有：向晓东 7为了便于研究颗粒在旋风分离器内
21、的输运过程，于1990年引入了分离空间的概念。通过简化颗粒运动和气体流动的数学模型，得出了旋风分离器分离效率在适当边界条件下时计算公式，并用公式的计算结果与国外典型的实验结果进行对比，结果较为符合。张从智 8等人于1996年在边界层分离理论的基础上建立了旋风分离器分级效率的数学模型。该模型不仅研究了旋风分离器固相颗粒特性、主要结构参数和运行参数的影响，还研究了旋风分离器内气流切向、径向、轴向速度的分布规律。通过计算表明该模型的计算结果与多类型旋风分离器的实验结果吻合。王广军、陈红 9于2001年提出了锅炉细粉分离器分离效率的计算模型。该模型通过计算得出结论：当分离器固相颗粒粒径较大、进口风速较
22、低时，径向加速、重力沉降对颗粒的分离过程影响很大，不能够随便进行简化。除此之外他们为了弄清简化条件对其他分离模型的适用范围，进而进行了大量研究。1.5旋风分离器的分离机理及主要性能指标1.5.1旋风分离器的分离机理由于旋风分离器内的气流及颗粒运动都十分复杂，难以描述各中影响因素，所以对于颗粒的分离捕集机需要做出许多简化假设，从而提出了多种分离机理假说。目前，较有影响的分离机理假说主要有三种：平衡轨道模型、停留时间模型、混合模型。 平衡轨道模型:虚拟一个CS 圆柱面，这个CS面是排气管在整个旋风分离器内部的延伸所构成的，把CS 面上的速度分量看成常量，在 CS面上对颗粒建立离心力与气流阻力的力平
23、衡从而得到平衡轨道模型。较大的颗粒所受离心力大于气流阻力，在离心力的作用下向旋风分离器壁面运动被捕集；较小的颗粒所受离心力小于气流阻力，则颗粒向内流动被带入排气管而逃逸；处于平衡位置的颗粒的粒径就是旋风分离器的临界粒径。最早的平衡轨道模型是由Barth 10在1956年提出的，他在实验的基础上提出了一个“通用曲线方程” ，并用图形来表示。此后Dirgo和 Leith11用函数拟合了这个曲线。 Licht12认为如果旋风分离器中所有未被捕集的颗粒均趋于全返混，则可以用函数式来计算分级效率。 停留时间模型：停留时间模型的机理与平衡轨道模型的机理是不同的，它假设颗粒进入旋风分离器后有足够时间移动到壁
24、面最终被捕集，他只考虑颗粒向重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1 绪论5外的径向移动，忽略颗粒径向向内的受力。 Rosin13等人于1932年提出了最早的停留时间模型，他们将射入颗粒径向到达器壁所需要的时间和实际的时间进行比较，把颗粒到达分离器底部之前径向运动的距离等于整个入口宽度的最小颗粒粒径称为临界粒径。经实验验证，两种模型计算效率结果在数值上以及变化趋势上是一致的。 混合模型：混合模型综合了平衡轨道模型和停留时间模型各自的的特点，它不仅考虑了内外旋涡之间的颗粒交换还考虑除了颗粒向器壁的移动这两个过程。最早在这方面研究的是Diet z14。后来Mothes和Loeffler 15在Diet
25、 z的研究基础上，建立了更为完善的模型。 1.5.2旋风分离器主要性能指标旋风分离器的性能指标有分离效率、压力损失、处理气体流量等。 “高效低阻”最契合旋风分离器经济性要求，即分离效率最大化，压力损失最小化。但实际过程中,分离效率的提高和压力损失的降低不能同时顾及到,分离效率的提高往往会导致压力损失的增加 16。分离总效率 分离总效率指旋风分离器捕集的颗粒质量与进入的颗粒质量的比值。可表示为:%10s2（1.1） 式中, 旋风分离器进入的粉尘质量,kg；1s一旋风分离器捕集的粉尘质量,kg。2由于总效率受颗粒直径的影响很大，即同一设备同一运行条件下，颗粒分散度不同，总效率会出现很大差异。因此要更准确的描述旋风分离器分离性能，则需引入另一个评价指标分级分离效率 （简称为分离效率） ，指的是某一粒径i或某一小范围粒径颗粒的分离效率,其更能客观的反映旋风分离器对不同粒径颗粒的分离能力，分离效率可表示为:%1012iiigs（1.2） 式中, 、 一旋风分离器进入和捕集的颗粒质量流量,kg/s ；is1i2、 一旋风分离器进入和被捕集的某一粒径的粉粒质量分数 ,%。g压力损失 P
