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环流循环除尘系统分离柱内三维强旋湍流流场的研究

王景超  
【摘要】: 旋风除尘器是利用含尘气体旋转所产生的离心力将粉尘从气流中分离出的一种气固分离设备,因具有结构简单、操作方便、性能稳定、投资少、占地面积小等优点,被广泛应用于化工、采矿、冶金、机械、轻工、环保和节能等各个领域。然而,普通型旋风除尘器对粒径大于10μm的粉尘捕集效率较高,但对5μm以下的粉尘捕集效率很低,从而使旋风除尘器的应用受到了很大的限制。 环流循环除尘系统是一种在旋风分离技术上取得重要突破的新型的旋风除尘器,它不仅具有普通旋风除尘器的优点,而且能够高效去除含尘气体中的亚微米粉尘。因此,在工业工程领域有着十分广阔的应用前景。 分离柱是环流循环除尘系统的主要分离元件之一,分离柱的分离效率对环流循环除尘系统的分离效率和整体性能起着决定性作用,而分离柱的分离效率又是由分离柱内部流场性能所决定。因此,对分离柱内部流场进行深入系统的研究,对于了解环流循环除尘系统的分离机理、进一步提高环流循环除尘系统的除尘效率有着非常重要的意义。 本文针对分离柱内部流场从实验、理论和数值模拟三个方面开展了一系列的研究工作,取得了以下重要成果: 1.通过模拟实际流动情况的实验装置,对环流循环除尘系统分离柱内部气体的速度场和压力场进行了详细的测量,给出了在一定的入口气流速度及回流量时分离柱内不同位置气体的切向和轴向速度以及压力的分布规律。实验结果表明,分离柱内切向速度基本上呈中心对称分布,为典型的准强制涡和准自由涡的组合;分离柱内轴向速度除出口附近外基本上呈轴对称分布,每一截面上在轴心附近达到最大值,沿径向向外逐渐减小,到壁面趋于零;静压力在轴心附近最低,由下至上存在一个低压柱,压强随半径增大而增大。同时发现,分离柱内的气体在做高速旋转时出现摆尾现象,涡核的轴线沿几何轴心左右摆动,从而导致了流场的不稳定,使分离效率下降。 2.基于柱坐标下的Navier-Stokes方程和连续性方程,采用无粘流体假设,对分离柱内流场的流速和压力分布进行了近似分析,给出了三维速度、压力梯度及静压力分布的基本表达式。该研究一方面为后续进行更深入的流场分析提供必要的理论依据,同时也考察了回流比和排气管尺寸变化对流场各参数的影响,还与实验测试结果进行了比较。理论研究表明,无粘流体模型可以近似预测分离柱内部流场除轴心附近以外区域的速度场和压力场的基本变化规律;排气管尺寸变化对切向速度、径向压力梯度和静压力影响很小,但对轴向速度和径向速度影响很大;回流比对速度和压力均有影响。 3.采用湍流粘性理论及平均速度场模式,基于柱坐标系下的雷诺方程和连续性方程,推导出了环流循环除尘系统分离柱内强旋转湍流流场的基本方程,给出了湍流模型下分离柱内部流场的速度场和静压力场的分布规律,并与流场实测结果进行比较。研究发现,采用湍流粘性模型可以较好的预测分离柱内部流场的速度场和压力场。其中,在壁面边界层以外的区域内,切向速度、静压力的计算值与实验值不论是大小还是变化规律都比较吻合,轴向速度的计算值和实验值误差较无粘性模型明显减小,且变化规律与实验非常一致。同时发现,湍流粘度对切向速度和静压力影响较大,而对轴向速度影响较小。 4.利用切向速度表达式直接导出了分离柱内部流场中内外涡分界面半径隐含形式的计算公式,解决了以往用总压降最小原理来间接求取内外涡分界面半径的问题。 5.应用通用大型流体力学计算软件FLUENT6.2,采用雷诺应力模型(RSM)对环流循环除尘系统分离柱内部三维强旋湍流流场进行数值模拟和分析,给出了分离柱内的三维流场的总速度矢量图、等高线图、速度场和压力场的详细分布及湍流强度云图和湍动能云图。经与流场实测情况比较和分析可以看出,模拟出的流场与实测流场的总体趋势基本相同。即:切向速度分布基本上呈中心对称分布,大致为内部准强制涡和外部准自由涡的组合,与理论分析基本一致;轴向速度在整个分离柱内全部向上,且分布更加均匀和规整,有利于细的粉尘到达分离柱边壁而被分离;分离柱内存在流体的湍动,与实验发现的“摆尾”现象是一致的;静压和总压的分布比较接近,沿半径方向的分布对称性较好,分布形态为在中心涡核处压力最低,随着半径增加压力也增加,边壁附近达到最高;分离柱的中心附近湍动能较小,环隙下端和排气口下端湍动能较大,在靠近壁面处湍动能耗散率特别大。


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