旋风分离器有无灰斗对气相流场动态特性的影响

引 言

旋风分离器是利用旋转气流形成的离心力实现气固分离的设备，在许多工业领域得到了应用。典型旋风分离器是筒锥型结构，主要包括进气管、升气管、筒体、锥体和灰斗等部件[1-2]。虽然旋风分离器的结构简单，但其内部的流场却为复杂的三维湍流流场[3-6]，任何结构参数和操作参数的变化均会对流场产生一定的影响，进而影响分离性能[7-10]。以往的研究人员已经通过实验测量或数值模拟对旋风分离器的流场进行了大量研究，但这些研究大多是基于时均流场进行分析的[11-15]。在动态流场测量方面，主要是采用激光多普勒测速仪（laser Doppler velocimetry,LDV）[16-17]，热线风速仪（hot wire anemometry，HWA）[18-20]和粒子图像测速仪（particle image velocimetry，PIV）[21-22]等对旋风分离器流场进行了测量，结果表明流场的瞬时速度存在着随时间的波动变化，对瞬时压力的测量结果也是如此[23-24]。同时应用计算流体动力学方法对旋风分离器流场进行数值模拟[25-28]也表明了速度有波动变化，但受到湍流模型的限制，瞬时速度的计算精度尚难以与实验一致，尤其是高频率的脉动速度。旋风分离器流场的速度和压力波动变化是旋转流不稳定性的表现形式。一些文献将这种不稳定性归结于旋进涡核（precessing vortex core，PVC）的作用[22,25-27]。实际上旋风分离器流动参数的波动变化是旋转流的偏心摆动造成的，即旋转流的旋转中心围绕着旋风分离器的几何中心随机旋转[29-30]。这种摆动特性与旋风分离器的结构密切相关。旋风分离器锥体下部的排尘口是捕集颗粒的排出通道，依据气固分离工艺的需要分别采用有灰斗或无灰斗结构。灰斗是否存在不仅对排尘口区域的流场特性、下行颗粒的扬析和返混有重要影响，而且对分离空间的流场也有一定的作用[31-34]，但目前尚缺乏这方面的研究。为此，本文采用HWA对有灰斗和无灰斗结构的旋风分离器旋流流场的瞬时切向速度进行测量，从时域和频域两个方面分析流场的动态特性与灰斗是否存在的关系，为旋风分离器的分离性能改进提供支持。

1 实验装置和测量方法

图1 旋风分离器流场测量装置
Fig.1 Schematic of experimental device of cyclone separator

1—电机;2—风机;3—闸阀;4—稳压罐;5—毕托管;6—旋风分离器;7—HWA探针;8—坐标架;9—数据线;10—IFA300热线风速仪;11—热电偶;12—坐标控制器;13—计算机

实验装置如图1所示，由实验系统和测量系统组成。实验系统为有灰斗和无灰斗的PV型旋风分离器。实验采用吸风负压操作，并在出口管路与风机间设立稳压罐，保证旋风分离器进气平稳。实验系统采用美国TSI公司的IFA 300型热线风速仪，为保证测量数据的准确性，测试之前探针已经在标准风洞上进行了标定。采样频率为1000 Hz，采样时间为16 s，即每个测点取16000个数据。风量由出口管路上的闸阀与毕托管控制和测量。

旋风分离器模型用有机玻璃制造，结构尺寸见图2和表1。轴向坐标Z原点设置在筒体段上端中心处，取向下方向为正。测量截面（0°～180°）的设置，见图2和表2，分别在筒体部分设置1个，锥体部分在上、中、下区域设置3个测量截面。对于有灰斗结构的旋风分离器在灰斗上、中、下区域设置3个测量截面。在每个测量截面的径向位置分别取r/R=0.12，0.28，0.44，0.60，0.76和0.92六个测量点。

旋风分离器流场的切向速度是其主要分量，轴向速度和径向速度比较小。切向速度是表征旋转流动态特性的主要参数，也是反映旋转流不稳定性的指标，为此实验主要进行切向速度的测量。旋风分离器的入口气速Vi=6.8 m·s-1。

图2 旋风分离器尺寸及测点
Fig.2 Cyclone dimensions and measurement point

图3 有无灰斗存在的时均切向速度分布
Fig.3 Time mean tangential velocity distribution with or without hopper

表1 旋风分离器尺寸
Table 1 Dimensions of experimental cyclone/mm

表2 旋风分离器轴向测量截面
Table 2 Axial measuring sections of cyclone/mm

2 实验结果与讨论

2.1 时均切向速度分布

图3为旋风分离器有灰斗结构和无灰斗结构的2个轴向测量截面的时均切向速度分布曲线。在筒体段截面（Z1=370 mm）[图3(a)]，有灰斗和无灰斗结构的时均切向速度分布均符合Rankine涡结构，二者分布比较相似，由内部的刚性涡和外部的准自由涡构成，与 Hoekstra等[3]、胡瓅元等[4]、Elsayed 等[34]的测量结果是一致的。在靠近排尘口的锥体段下端截面（Z4=990 mm）[图3(b)]，有灰斗结构和无灰斗结构的时均切向速度分布存在一定差别。无灰斗结构的时均切向速度分布符合Rankine涡结构，但有灰斗结构的时均切向速度沿径向变化较小，Rankine涡结构不明显，表明灰斗的存在对排尘口附近时均切向速度分布有较大的影响。

2.2 瞬时切向速度的分布

图4是有无灰斗结构的旋风分离器2个测量截面上的6个测点的瞬时切向速度随时间变化曲线。为了使曲线更加清晰，这是截取采样时间16 s中7～8 s时间段的切向速度数据绘制的曲线。从图4(a)、(b)可以看出，无论排尘口有无灰斗结构，在筒体段截面（Z1=370 mm）靠近器壁附近，旋转流瞬时切向速度的波动幅值较小，基本属于无规则的高频脉动，反映了气流的湍流脉动特性。随着测量点逐渐向中心移动，瞬时切向速度逐渐出现一种低频高幅值的脉动，越靠近中心越明显。瞬时切向速度曲线是由高频的湍流脉动速度和低频的波动速度叠加构成。在靠近排尘口的锥体段下端截面（Z4=990 mm）[图4(c)、(d)]，无灰斗结构的瞬时切向速度的分布与筒体截面的分布类似，但器壁附近瞬时切向速度的低频脉动明显增大。有灰斗结构的瞬时切向速度的分布与筒体截面的分布对比有较大的变化，各个径向测点的瞬时切向速度的平均值接近，波动幅值均较大，表明灰斗的存在导致排尘口附近旋转流出现较强的不稳定性。

图4 瞬时切向速度随时间的变化
Fig.4 Variation of real tangential velocity with time

2.3 瞬时切向速度的频谱分析

对有无灰斗结构旋风分离器内各测量点瞬时切向速度数用快速傅里叶变换（fast Fourier transform，FFT）分析，得到瞬时切向速度的功率谱密度（power spectral density，PSD），见图5和图6。从图5可以看出，无论有无灰斗，筒体段截面（Z1=370 mm）径向各点瞬时切向速度存在一个相近的主频，约为20 Hz，主频能量靠近中心区域最大，沿着径向方向逐渐减小，但有灰斗结构在径向r/R＞0.44后主频比较小。图6是有无灰斗结构存在情况下靠近排尘口的锥体段下端截面（Z4=990 mm）瞬时切向速度的功率谱密度分布，结果表明有灰斗的旋风分离器瞬时切向速度有2个主频，分别是20 Hz和55 Hz，而且55 Hz主频仅出现在锥体下端排尘口附近r/R＜0.44局部区域。

图5 瞬时切向速度的功率谱密度分布(Z=370 mm)
Fig.5 Power spectral densities of real tangential velocity frequency along radial direction(Z=370 mm)

图6 瞬时切向速度的功率谱密度分布(Z=990 mm)
Fig.6 Power spectral densities of real tangential velocity frequency along radial direction(Z=990mm)

图7 有无灰斗旋风分离器的主频分布
Fig.7 Dominant frequency distribution in cyclone with or without hopper

将Z1～Z7各测量截面的瞬时切向速度进行FFT分析，得到有无灰斗结构的主频沿旋风分离器的轴向分布，如图7所示。结果表明：无论有无灰斗，整个空间存在一个相近的主频约为20 Hz，本文将这个频率定义为全空间主频f1；而在有灰斗结构的排尘口附近区域存在一个主频约为55 Hz，定义为局部主频f2。全空间径向位置r/R=0.12的主频f1能量沿轴向分布见图8，表明无灰斗结构的全空间主频能量大于相同截面处有灰斗结构全空间主频能量，这是由于灰斗的存在增大了整个旋风分离器的空间，旋转能量分布区域扩大所致。

图9是不同径向位置的局部主频f2沿轴向的分布。结果表明在有灰斗结构中局部主频能量在靠近中心处较大，沿径向方向存在衰减，在r/R＞0.44后基本消失；在轴向方向上，排尘口上部（Z4=990 mm）附近的主频能量较大，向上和向下两个方向也很快衰减直至消失。

图8 有无灰斗旋风分离器的主频f1的能量分布(r/R=0.12)
Fig.8 f1power distribution in cyclone with or without hopper(r/R=0.12)

图9 有灰斗旋风分离器的主频f2的能量分布
Fig.9 f2power distribution in cyclone with hopper

图10 旋风分离器内旋转流的偏心旋转
Fig.10 Swirling flow in cyclone

图11 旋转中心偏移对速度波动的影响
Fig.11 Effect of rotation center offset on tangential velocity fluctuation

2.4 灰斗对气相流场主频的影响

旋转流在沿着轴向的旋转流动过程中，由于存在能量摩擦损失使得旋转强度逐渐衰减，由此造成中心区域的压力沿轴向逐渐增大，形成了中心区域的负压力梯度，导致了中心区域的流体倒流现象。倒流的流体沿圆周径向非均匀的分流到旋转流，由此导致了旋转中心围绕着几何中心线摆动，即旋转流的旋流中心与旋风分离器的几何中心不重合。有文献将这种现象称为旋转涡核（precessing vortex core，PVC）[22,29]。

旋风分离器内部旋转流不仅有气体从外部准自由涡流向内部强制涡流动，而且有中心区域的倒流，使气体向外流动，见图10。倒流不仅造成了轴向速度呈现W形分布，而且也导致了旋转流的摆动。同时从准自由涡流向强制涡的气体速度沿圆周也是不均匀的，也会导致旋转流的摆动，结果旋转流的旋转中心偏离了旋风分离器的几何中心，由此造成了旋转流的不稳定性。

图11为旋风分离器的三个不同时刻的瞬时切向速度分布。当旋转中心与几何中心重合在O点时，切向速度分布曲线为2；旋转中心偏心左移O'，曲线2变到曲线1，A点切向速度变化为ΔVtA12；旋转中心偏心右移O"，曲线2变到曲线3，A点切向速度变化为ΔVtA23。A点总的切向速度变化幅度为ΔVtA12+ΔVtA23，同理B点总的切向速度变化幅度为ΔVtB12+ΔVtB23。由于 ΔVtA12+ΔVtA23＜ΔVtB12+ΔVtB23，在AB区间切向速度变化幅度随半径位置靠近中心增大。尽管在BC区间，波动幅度有减小趋势，但在CDO区间切向速度的波动幅度急剧增加。因此旋转流的偏心摆动导致了瞬时切向速度的波动变化，而且脉动强度靠近中心区域较大，沿着径向逐渐减小，但脉动频率相同，形成了全空间主频f1。在靠近排尘口的锥体下端附近，旋转流的偏心距较大，准自由涡区域较小，旋转流的摆动更加激烈，瞬时切向速度的波动范围和幅值较大[图4(c)]。

同样，在灰斗内的旋转流也存在着摆动情况，但这个摆动的频率是局部主频f2，不同于分离空间的主频f1。分离空间的流体通过排尘口进入灰斗空间，使分离空间的主频f1传递到灰斗空间，因此灰斗内存在存在着2个主频，如图7所示。而当流体从灰斗回流至分离空间时，灰斗的摆动频率f2叠加到分离空间的摆动频率f1上，形成了排尘口区域的2个主频的现象。但随着气体向上流动，来自灰斗的主频f2影响逐渐减弱直至消失。因此f2的影响仅限定在排尘口区域，具有局部特性。当旋风分离器采用无灰斗结构，锥体出口封闭，则局部主频不存在。旋风分离器内只有1个全空间主频f1。

旋风分离器内旋转流的摆动导致了湍流强度增加。虽然旋风分离器是依靠旋转气流产生的离心力场进行颗粒分离的，但湍流强度增加会使颗粒的扩散强度增加，加剧排尘口区域已被分离颗粒的扩散和返混。尤其是对于小于5 μm的细小颗粒而言这种作用效果更大，导致了旋风分离器对细小颗粒的分离效率不高。同时，旋风分离器内湍流强度的剧增也增加了流体流动的能耗，使压降增大。因此，通过抑制旋风分离器旋转流的摆动，降低湍流强度是提高分离效率的一个有效途径。

3 结论

采用热线风速仪测量了有无灰斗的旋风分离器内气相流场的切向速度，分析了旋风分离器有无灰斗对气相流场动态特性的影响，主要结论如下。

（1）排尘口结构有无灰斗的存在对旋风分离器内时均切向速度的影响较小，但在接近排尘口区域存在一定的影响，表现为有灰斗的旋风分离器的时均切向速度数值比较接近，Rankine涡结构不明显。

（2）在瞬时切向速度方面，随着测量点逐渐向中心移动，瞬时切向速度逐渐出现一种低频高幅值的脉动，越靠近中心越明显。瞬时切向速度曲线是由高频的湍流脉动速度和低频的波动速度叠加构成。灰斗的存在导致排尘口附近流场的瞬时切向速度波动更加剧烈。

（3）无论有无灰斗存在，旋风分离器内旋转流存在着不稳定性，反映在瞬时切向速度的脉动主频分布上。无灰斗旋风分离器瞬时切向速度仅有一个全空间主频。有灰斗的旋风分离器瞬时切向速度有两个主频，一个全空间主频，一个局部主频。全空间主频是旋流中心围绕几何中心摆动造成的，而锥体段下端附近区域的局部主频是灰斗回流造成的，来自灰斗的摆动主频叠加到分离空间的摆动主频上，形成锥体下端排尘口附近区域的两个主频。灰斗的存在，使排尘口附近局部区域流场更加复杂。

符号说明

a——矩形入口的高度，mm

b——矩形入口的宽度，mm

D——旋风分离器直径，mm

De——排尘口直径，mm

Dh——灰斗直径，mm

Dp——灰斗底端直径，mm

Dr——升气管直径，mm

f1——有无灰斗结构的全空间主频，Hz

f2——有灰斗结构的局部主频，Hz

H——旋风分离器筒体段长度，mm

Hc——旋风分离器锥体段长度，mm

Hh——旋风分离器灰斗长度，mm

R——旋风分离器半径，mm

r——径向坐标，mm

r/R——无量纲径向位置

Vi——入口气速，m·s-1

Vt——切向速度，m·s-1

——平均切向速度，m·s-1

ΔVt——切向速度波动值，m·s-1

Z——轴向坐标，mm