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旋风除尘器内气固两相流动的数值研究

B. Wang ^a,b, D.L. Xu ^b, K.W. Chu ^a, A.B. Yu ^a,*

^a Center for Simulation and Modelling of Particulate Systems and School of Materials Science and Engineering,
University of New South Wales, Sydney, NSW 2052, Australia
^b Institute of Powder Engineering, School of Materials Science and Engineering, Xirsquo;an University of Architecture and Technology,
Xirsquo;an 710055, PR China
Received 14 July 2004; accepted 19 September 2005
Available online 24 April 2006

摘要

本文对典型的Lapple旋风除尘器内的气固流动进行了数值模拟研究。利用雷诺应力模型计算了气体流动的湍流度。通过与实测结果的对比，验证了所得压力场和流场的正确性，并用随机拉格朗日模型对模拟结果进行了粉尘流量的测定。实验结果表明，模拟粒子的分离效率和运动轨迹与实验观测值基本一致。定量分析了粒径和气体流速对分离效率的影响，结果与实验吻合较好。确定了影响旋风除尘器性能的一些因素。结果表明，绕圈运行后的气流与刚进入的气流在进气管道与旋风筒的交界处发生碰撞，导致气流短路。气流源和汇的结合体产生在气旋轴附近，并在轴向截面处形成一个偶极子流。进入不同位置的颗粒具有不同的分离效率。视情况而定，当粒径超过临界直径时，颗粒会在除尘器锥壁上停止运动。这被认为是在水泥工业中使用的这种旋风除尘器发生内锥表面沉积的主要原因之一。

关键词：旋风；颗粒速度；计算流体力学；随机拉格朗日模型（SLM）

1. 概述

旋风除尘器由于其几何结构简单、性价比高、灵活性强等优点，被广泛应用于工业除尘、产品回收等领域。传统的旋风除尘器流场和分离效率的预测方法是经验的。近十年来，计算流体动力学(CFD)在气体流场数值模拟计算中的应用越来越广泛。最早的CFD模拟之一是由Boysan[1]完成的。他发现，标准的k- e湍流模型不足以模拟有涡流的流动，因为它会导致过量的湍流粘度和不真实的切线速度。最近的研究表明，雷诺应力模型(RSM)[2-4]可以改善数值模拟的精度。

目前，由于颗粒与流体湍流涡流相互作用而产生的颗粒湍流色散一般采用两种方法[5]处理:一是平均扩散，只描述粒子的总体平均(时间平均)色散，它是由湍流的平均统计性质引起的，二是结构弥散，包括由流动的局部瞬时特性所产生的非均匀粒子浓度结构的细节，而这种瞬时特性则主要是由时空湍流涡旋及其演化引起的。预测湍流中粒子的平均扩散，拉格朗日方法和欧拉方法都可用。自Yuu等人[6]、Gosman和Ioannides[7]的早期工作以来，随机拉格朗日模型在描述粒子的湍流扩散方面取得了显著的成功。已有文献报道，即使对于二维流动，为了获得有统计意义的解，必须要追踪到3times;10⁵个粒子的轨迹[8,9]。为了提高其在工业上的应用，提出了一些改进的模型。Sommefeld和Simonin[10]利用概率密度函数(PDF)提出了Langevin随机微分方程模型。Litchford和Jeng[11]开发了一个随机色散宽度输运模型，其中色散宽度是使用粒子涡流相互作用的概念通过线性化的运动方程明确计算出来的。此外，Chen和Pereira[12]建立了一个速度模型，该模型使用随机-概率组合方法来描述离散粒子的湍流运动，因此只需要获得少量的粒子轨迹。

本文利用商用软件Fluent中的随机拉格朗日模型和RSM模型对典型Lapple旋风除尘器内的气固两相流动进行了研究。通过对比模拟和实测结果，从气体压力和流场、固体流型和收集效率等方面对模型进行了验证。考察了粒度、气速和入口条件的影响。

术语 CD 阻力系数 d 粒子直径,m d 特征粒径 Fk 动量输运系数,t-1 g 重力加速度，m·s-2 m 粒子的质量,kg n 分布参数 p 分散压力，Pa rp 粒子半径，m Re 雷诺数 t 时间，s u 瞬时速度，m·s-1 u 扩散速度，m·s-1 u 轴向平均速度，m·s-1 up 粒子轴向瞬时速度，m·s-1 vp 粒子径向瞬时速度，m·s-1 v 径向平均速度，m·s-1 wp 粒子切向瞬时速度，m·s-1 w 切向平均速度，m·s-1 x 轴线，m delta; Kronecker因素 mu; 流体粘度，kg·m -1s-1 rho; 密度，kg·m-3 下标 g 气体 i,j,k 1,2,3 p 颗粒 t 切向 z 轴向

1. 模型概述

气旋模拟常用的模型有三种:k-e模型、ASM模型和RSM模型。由于k-e模型采用了各向同性湍流的假设，因此不适用于各向异性湍流的旋流。ASM无法预测强旋流[13]的再循环带和Rankine涡。RSM放弃了各向同性湍流的假设，求解了雷诺应力各分量的输运方程。尽管该模型计算量大，但仍被认为是最适用于气旋流的湍流模型[2-4]。

在RSM中，输运方程为

其中左两项分别为应力和对流输运项的局部时间导数。右边的五项是

应力扩散项:

,

剪切产生项:

,

压力应变项：

，

耗散项：

，

以及源项：S。

在粒子弥散模型中，由于只考虑了稀流，忽略了粒子间的相互作用。只计算了重力和气体对粒子的阻力。将气体阻力分解为两部分，一部分是由流体的平均速度引起的，另一部分是由流体的弥散速度引起的。此时，颗粒在环境温度下的两相流动的动量方程可以表示为

其中，，是流体与粒子之间的动量输运系数，阻力系数为

其中，，是粒子雷诺数，phi;可以是u，v和w。当粒子与流体涡流相互作用时，通过对各向同性高斯分布采样，得到u、v、w，其标准差为radic;(2k/3）。粒子-涡旋相互作用的时间和尺度不应大于随机涡旋的寿命和大小。

1. 数值和物理实验条件

所采用的是典型的Lapple旋风除尘器。图1(a)给出了气旋尺度的表示法，表1给出了数值。图1(b)为计算区域，包含45750个CFD单元。整个计算域由结构化六面体网格划分。在靠近墙和排气芯管的区域，网格密集，而在远离墙的区域，网格细化。在我们的初步计算中，我们测试了三个网格域，分别包含25,900、47,750和95,350个单元。所有变量的差异小于5%，表明计算结果独立于网格大小的特征。

通过物理实验对数值模型进行了验证。在这样的实验中，空气被吹进旋风除尘器的入口，并用流量计测量它的流量。入口气速和颗粒速度均为20m /s。出口管向空气开放，排气芯管顶部气体压力为1atm。颗粒相体积分数小于10%。

利用可调架和五个压力传感器组成的五孔探头测量了气体流场的速度和压力。当五孔探头置于流场中时，通过五个压力传感器获得的电压信号被传输到放大器。放大的电压信号是通过一个包含微处理器和个人计算机的数据采集系统获得的。

所用的材料是一种典型的水泥原材料。其粒径分布可以用Rosin-Rammler方程很好地描述:

图1 旋风除尘器图解及其网格划分

表1

除尘器几何结构

其中，d为颗粒直径，R(d)为直径大于d的液滴质量分数。特征直径d= 29.90mu;m，分布参数n = 0.806。粒子密度为3320kg/m³。

1. 结果与分析
   1. 气体流场
      1. 压力场

从图2可以看出，静压从壁面向中心呈放射状递减，中心出现负压区。图2(A A)中的黑线是正静压和负静压的分界线。压力梯度沿径向方向最大，存在高度强化的强迫涡。

图3为压降与入口气速的关系。随着入口气速的增大，压降增大。得到的实验数据与计算结果相当吻合，尽管它们的数值一直略高一些。

• • 1. 切向速度

图4所示为除尘器圆柱截面处的实验速度和计算速度。仿真结果与实验结果吻合较好。除尘器内的流场显示了预期的Rankine型涡的强迫/自由组合。此外，由于旋风除尘器只有一个进气口，因此旋涡的轴线与旋风除尘器的几何轴线不重合。

图5给出了计算得到的切向速度分布。切向速度分布与动压力分布相似。这意味着切向速度是气旋的主导速度。在流场的中心和壁面上，切向速度的值为零。从图5(C-C)可以看出，高速气体进入入口，在a点加速到入口速度的1.5-2.0倍，然后其速度随着气体沿壁面向下旋转而减小。气流在进入排气芯管下方之前，与后续气流发生碰撞，在靠近排气芯管外壁(B点)处形成紊流，同时在B点处气流速度急剧下降，甚至可能出现反向速度。它会增加旋风除尘器的能量损失和压降。是造成短路流动的主要原因，也常常会导致高压降。为了解决这一问题，建议对进气道形状进行改进[14]。

图2 静压的分布轮廓，用A-A部分的线高亮显示零压

图3 实验和模拟计算所得压降

图4 实验和模拟计算所得切向速度

• • 1. 轴向速度

从图6可以看出，受迫涡是一个螺旋扭曲的圆柱体，不完全轴对称，尤其是在锥部。所得到的结果与Cullivan等人用[15]所得到的水力旋流器的结果在性质上是相似的。图6(A A)中的黑线是向上流和向下流的分界线。上升气流的直径略大于排气芯管的直径。此外，由于大量气体流入排气芯管，轴向速度在排气芯管下达到峰值。同时，在排气芯管下的截面以外，轴向速度在轴线附近有明显的下降。从图6(B-B)可以看出，向上流的中心与气旋的几何中心不一致。这应该是在某些气旋中设置偏心排气芯管以降低压降的主要原因之一。图5(C-C)还表明，偏心排气芯管的存在将有助于削弱紊流。

图5 切向速度分布(逆时针为正，顺时针为负)

图6 轴向速度分布(向上为正，向下为负，A-A段直线上的轴向速度为零)

• • 1. 径向速度

从图7(A - A)可以看出，中心的强迫涡是一个螺旋扭曲的圆柱体。强迫涡的轴线与旋风的几何轴线不重合，而且其轴线不是直的而是弯的。基于轴对称线的中心涡核径向速度分布是偏心的。一个是正的，另一个是负的。此外，流源和汇的组合在气旋轴附近形成了一个散裂，在轴向切面形成一个流动偶极子，如图7(B-B)所示。观察到偶极子的方向沿气旋中心线向上。这可能主要是由于旋涡随着绕除尘器几何轴的气体流动而旋转，具有明显的螺旋结构[16]。这种结构可能是由于气体相互挤压造成的，如图中速度矢量所示，会导致旋风除尘器的不稳定。在排气芯管的正下方有一个区域，在a点，气体直接流入排气芯管，而不是向下旋转到锥形部分，然后向上流动。此外，在B点，由于气体之间的碰撞，径向速度再次变为负值，指向中心。点A和点B都表示旋风除尘器的短路流，而短路流会恶化旋风除尘器的性能。在圆锥部分的径向速度比圆柱部分大得多。从图7(B-B)可以看出

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