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旋风分离器大涡数值模拟及分离性能研究

蒋海华  
【摘要】: 旋风分离器是一种利用气固两相流体的旋转运动使固体颗粒在离心力的作用下从气流中分离出来的设备,因其具有结构简单、高效、能承受高温高压等优点,在能源、化工、冶金、环保等许多领域有着广泛的应用。系统地研究旋风分离器内部的流场以及性能的影响因素,对改善和提高旋风分离器的性能有着重要的意义。 本文首先对国内外旋风分离器的发展及研究现状进行总结,指出旋风分离器研究中存在的一些问题以及数值模拟的必要性。通过查阅研究大量旋风分离器气—固两相数值模拟文献,本文采用大涡模拟方法对旋风分离器的流场进行模拟,采用相间耦合的随机轨道模型对固体颗粒运动轨迹进行研究。 通过前处理软件Gambit建立切向入口的旋风分离器的几何模型,针对旋风分离器内部复杂流场的模拟,确定合适的计算区域和边界条件,得到合适的计算网格文件。通过Fluent软件,本文的湍流模型采用基于各向异性的大涡模型(LES),差分格式采用QUICK格式,压力梯度项插补格式采用PRESTO格式,计算方法采用SIMPLEC算法,对旋风分离器气相流场进行数值模拟。包括气流速度场及压力场的研究分析,系统分析分离器内切向速度、轴向速度、径向速度、静压、动压及总压降的分布规律,并将数值模拟数据与文献中实验数据对比,确定数值模拟的正确性。 针对旋风分离器内气—固两相分离性能研究,本文采用拉格朗日坐标系下的相间耦合的DPM模型,模拟研究粉尘颗粒在旋风分离器内的分布及运动规律。研究内容包括:模拟分析粉尘微粒运动轨迹,不同微粒粒径、不同入口速度、不同颗粒浓度等微粒参数和分离器操作参数对分离效率的影响,以及不同排气管直径和排气管插入深度等结构参数对分离效率的影响。通过实验研究表明:旋风分离器的分离效率较高,不同颗粒浓度及入口速度对分离效率的影响与数值模拟结果一致。


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