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旋风分离器气固两相流数值模拟及性能分析

汪林  
【摘要】: 近年来,随着人们环境保护意识的加强,以旋风分离器为代表的各类除尘设备已经成为防治大气污染的主力军,在消除大气污染、保障人类健康及生态环境方面发挥着重要作用。它已被广泛地应用于气体净化、固体颗粒的分离回收、环境保护等方面的工作。由于实验条件的限制,单纯通过实验来研究旋风分离器的性能不仅周期长而且费用高。目前,人们对旋风分离器的研究重点已从整体特性的研究转向流动细节的研究,并借助于计算机模拟技术来解决这一问题。 本论文主要采用计算流体动力学CFD方法对旋风分离器流场进行了数值模拟。在深入了解旋风分离器的基础上,模拟研究了多种情况下的单相流场、气固两相流场、颗粒运动轨迹、压力损失及分离效率等性能。 首先,采用RNG k ?ε模型对旋风分离器内的气相流场进行了全面考察,得出旋风分离器内主流是双层旋流,并且具有相同的旋转方向;切向速度和轴向速度远大于径向速度,其中,切向速度起主导作用。并进一步分析了压力分布规律以及流量和压力损失的关系。 其次,对气相利用欧拉坐标系下的RNGk -ε湍流模型,颗粒相采用拉格朗日坐标系下的随机轨道模型,同时考虑双向耦合,对气固两相流场进行了全面考察。给出了单颗粒及颗粒组的运动轨迹,结果表明:小颗粒受湍流脉动的影响较显著,随机性很强,而大颗粒受湍流脉动的影响较小;在不同的入口位置会产生上灰环、排气管短路流及排尘口返混这三种不同的现象;相同条件下当颗粒组从入口端面中部进入时具有较高的分离效率。 最后,分析了流量、颗粒粒径和颗粒浓度等操作参数以及排气管管径、排气管偏置方向和相对偏心距等结构参数对分离性能的影响,并在此基础上提出了改进结构的旋风分离器,通过数值模拟结果显示,其综合性能比普通旋风分离器有较大的提高。 由此可见,采用数值模拟的方法来研究旋风分离器内流体的运动规律,对于旋风分离器设计及结构优化具有参考价值。


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