【摘 要】通过对旋风分离器内气相流场的模拟，观察其速度云图得出，在旋风分离器中心区域有一明显的气芯柱，且切向速度和轴向速度都具有较好的轴对称性。通过改变控制参数研究旋风分离器的分离效率，得出的结论是：当增大入口气体流量、提高颗粒相浓度将有利于提高旋风分离器的安全分离性能，粒径较大的颗粒分离效果较好。
【关键词】旋风分离器 数值模拟 气固两相流
一、前言
在工业生产中，旋风分离器作为分离设备应用的历史已有一百多年，但直至今日对于其内部流场运动和分布情形的认识还不是很明确。对其内部流场采用科学的数值模拟方法进行研究，对深入认识旋风分离的分离机理、优化完善其结构、提高其分离性能和效率都具有现实的指导价值。
二、旋风分离器气相流场的数值模拟
1. 旋风分离器的基本结构
旋风分离器按结构划分有很多种，但通常使用的旋风分离器组成基本相同，主要结构包括进气口段、排气口小圆柱段、分离空间圆筒体和颗粒捕集圆锥段。本文研究的切入式旋风分离器基本结构如图1所示。
分离器总高H=800mm、锥体高度H1=500mm、分离器筒体截面的直径D=200mm、排气口直径d1=100mm、排尘口的直径d2=75mm、入口截面的长和宽分别为40mm、 100mm、排气管插入的深度B=100mm。
图1 旋风分离器的几何模型
2. 旋风分离器纯气相流场的模拟计算
采用数值模拟的方法对旋风分离器内部流场进行模拟研究，使用的软件是FLUENT，通过对模拟计算结果进行处理，能够很好地给出旋风分离器任何截面位置上的速度云图和矢量图，通过对云图的仔细研究，能够直观地看到旋风分离器内部流场的流动分布情况，对于深入了解旋风分离器的工作原理是极其富有价值的。
不同截面上的速度矢量图如图2所示。通过观察在横截面z=0、横截面z=0.25、横截面z=－0.25、横截面z=－0.35时的速度矢量图，对比得出当空气以一定的速度从入口段进入切入式旋风分离器后，由于受到旋风分离器本身结构的影响以及边界条件的约束，当空气进入旋风分离内气流起初是向下旋转流动，并且在靠近器壁壁面区域是明显的涡旋流运动；当空气流运动到排尘口时，由边界条件的设定可知，该处几乎是没有空气流出的，排尘口在做纯气相流动数值模拟被近似看成是壁面，空气流被迫向上运动，于是在旋风分离器内部的下端，气体流动形成了涡旋流动，方向向上。
图2 不同截面上的速度矢量图
通过对矢量图的观察和分析，气相流体的运动在旋风分离器内形成双层的旋流，靠近壁面区域的空气流向下旋转运动，远离壁面的空气流向上旋转流动，且这两部分空气流动的方向相同；在排尘口附近区域，容易看出该处湍流扰动比较激烈，其形成的原因是该处空气流速大造成的；还有一个比较明显的现象就是在旋风分离器轴心附近区域，该区域有一个显而易见的气芯柱。对于整个旋风分离器来说，速度矢量的对称性是比较好的，但在不同区域还是会存在一定差异的。从图2中可以看出，气体流场在旋风分离器的圆柱段上半部分速度矢量的对称性偏差一些，原因是空气是从旋风分离器一边的入口进入的，在入口的一侧速度大于另一侧的速度；在圆锥段的上半区域空气流体的速度是比较大的，当空气流在向下运动流速就会降低，速度矢量对称性也开始变好。
3. 切向速度的分布
由于切向速度引起的离心力，将粉尘颗粒带到器壁面上被捕集，从而达到对颗粒相的分离目的，切向速度的曲线分布形式类似“驼峰”形状，在中心轴两侧都对应着有一点，将切向速度的最大值点连接在一起形成一个呈圆柱面形式的分界面。
不同截面切向速度云图如图3所示。通过该分界面很容易看出，观察通过在横截面z=0、横截面z=0.25、横截面z=－0.25、横截面z=－0.35时的切向速度云图，对比得出旋风分离器的内部流场同时存在着中心区域的准强制涡和外部区域的准自由涡，这种流动方式的存在有利于旋风分离器对粉尘颗粒的分离作用，表现在中心区域的强制涡，由其产生的离心力，有助于将旋风分离器内的颗粒甩向器壁面，从而将颗粒分离出来；而外部区域的自由涡，其相对流动速度低，所以由它引起的作用力对于颗粒的携带能力很差，对于颗粒粒径较大的其携带能力就更差，这有助于颗粒在旋风分离器的器壁面被捕集分离。
由于切向速度引起的离心力，将粉尘颗粒带到器壁面上被捕集，从而达到对颗粒相的分离目的，离心力的大小决定了粉尘颗粒的分离效率，而切向速度的大小直接影响着离心力的大小，且三者是正相关的。对数值模拟计算结果分析可知，切向速度绝大部分是正值，这是由于该模型是按z轴正方向建立的，这里还有必要考察速度梯度的分布，对其进行研究有助于了解旋转动能的损失情况。
图3 不同截面切向速度云图
三、结语
在切向速度矢量图中可以明显的看到其曲线类型于“驼峰”形状，其值绝大部分是正值，这与模型建立时所定义的坐标系有关。在流场的主流方向除了有流体质点的移动外，在其他方向上还存在着附加脉动。各个质点间势必要发生碰撞，这样大大妨碍了流体的运动，同时也使流体的能量因颗粒间的相互撞击而损失掉。
