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旋风分离器内非稳态流场的大涡模拟研究

姜龙骏  
【摘要】:旋风分离器作为被广泛运用的气固分离装置,对于诸多工业中的连续生产有着重要作用。其内部为三维复杂的强旋流动,存在着旋流的不稳定性,表现为流场随时间而不断发生变化,这种不稳定性会降低其分离效率,影响装置长周期运行。因此,研究对于理解并改善旋风分离器内非稳定性具有重要意义。本文采用数值模拟手段,首先利用大涡模拟方法对该设备内气相的不稳定流动进行了研究;其次,在分离器内加入离散相颗粒,研究速度波动对于颗粒轨迹及分离效率的影响;最后,通过改变结构与操作参数,分析其对不稳定流动的影响。研究结果表明,由于结构的非轴对称性引起的旋流非对称性,在时均分析中对于内旋流影响更大。而在瞬时分析中,气流的旋转中心在几何中心附近摆动,而切向速度的变化频率范围在9.2-12.1Hz之间。切向速度脉动受内旋流影响最大,导致接近中心处出现脉动峰值,轴向速度脉动峰值则是出现在上行行流交界位置,整体分析,锥体段末端速度脉动最为剧烈。结合离散相模型得到,在旋风分离器内不同粒径颗粒从不同位置入射得到的运动轨迹会呈现不同的分布,分离效率也不相同,利用随机轨道模型针对1μm粒径条件下的单颗粒的运动轨迹显示,湍流脉动对于颗粒轨迹影响较大。对比大涡模拟方法与雷诺应力模型在截面入射颗粒的效果,得出大涡模拟方法更适合小粒径颗粒的分离效率计算,但对于大粒径颗粒的轨迹和壁面浓度预测不够准确。改变操作与结构参数发现,各参数对于旋风分离器内不稳定流动均有影响,并通过无量纲数总结其之间的规律。


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