環(huán)流循環(huán)除塵系統(tǒng)分離柱內(nèi)三維強旋湍流流場的研究.pdf

1、旋風除塵器是利用含塵氣體旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力將粉塵從氣流中分離出的一種氣固分離設(shè)備，因具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、性能穩(wěn)定、投資少、占地面積小等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于化工、采礦、冶金、機械、輕工、環(huán)保和節(jié)能等各個領(lǐng)域。然而，普通型旋風除塵器對粒徑大于10μm的粉塵捕集效率較高，但對5μm以下的粉塵捕集效率很低，從而使旋風除塵器的應(yīng)用受到了很大的限制。 環(huán)流循環(huán)除塵系統(tǒng)是一種在旋風分離技術(shù)上取得重要突破的新型的旋風除塵器，它不僅具有普通旋風

2、除塵器的優(yōu)點，而且能夠高效去除含塵氣體中的亞微米粉塵。因此，在工業(yè)工程領(lǐng)域有著十分廣闊的應(yīng)用前景。 分離柱是環(huán)流循環(huán)除塵系統(tǒng)的主要分離元件之一，分離柱的分離效率對環(huán)流循環(huán)除塵系統(tǒng)的分離效率和整體性能起著決定性作用，而分離柱的分離效率又是由分離柱內(nèi)部流場性能所決定。因此，對分離柱內(nèi)部流場進行深入系統(tǒng)的研究，對于了解環(huán)流循環(huán)除塵系統(tǒng)的分離機理、進一步提高環(huán)流循環(huán)除塵系統(tǒng)的除塵效率有著非常重要的意義。 本文針對分離柱內(nèi)部流場從

3、實驗、理論和數(shù)值模擬三個方面開展了一系列的研究工作，取得了以下重要成果: 1.通過模擬實際流動情況的實驗裝置，對環(huán)流循環(huán)除塵系統(tǒng)分離柱內(nèi)部氣體的速度場和壓力場進行了詳細的測量，給出了在一定的入口氣流速度及回流量時分離柱內(nèi)不同位置氣體的切向和軸向速度以及壓力的分布規(guī)律。實驗結(jié)果表明，分離柱內(nèi)切向速度基本上呈中心對稱分布，為典型的準強制渦和準自由渦的組合；分離柱內(nèi)軸向速度除出口附近外基本上呈軸對稱分布，每一截面上在軸心附近達到最大值

4、，沿徑向向外逐漸減小，到壁面趨于零；靜壓力在軸心附近最低，由下至上存在一個低壓柱，壓強隨半徑增大而增大。同時發(fā)現(xiàn)，分離柱內(nèi)的氣體在做高速旋轉(zhuǎn)時出現(xiàn)擺尾現(xiàn)象，渦核的軸線沿幾何軸心左右擺動，從而導致了流場的不穩(wěn)定，使分離效率下降。 2.基于柱坐標下的Navier-Stokes方程和連續(xù)性方程，采用無粘流體假設(shè)，對分離柱內(nèi)流場的流速和壓力分布進行了近似分析，給出了三維速度、壓力梯度及靜壓力分布的基本表達式。該研究一方面為后續(xù)進行更深入

5、的流場分析提供必要的理論依據(jù)，同時也考察了回流比和排氣管尺寸變化對流場各參數(shù)的影響，還與實驗測試結(jié)果進行了比較。理論研究表明，無粘流體模型可以近似預測分離柱內(nèi)部流場除軸心附近以外區(qū)域的速度場和壓力場的基本變化規(guī)律；排氣管尺寸變化對切向速度、徑向壓力梯度和靜壓力影響很小，但對軸向速度和徑向速度影響很大；回流比對速度和壓力均有影響。 3.采用湍流粘性理論及平均速度場模式，基于柱坐標系下的雷諾方程和連續(xù)性方程，推導出了環(huán)流循環(huán)除塵系統(tǒng)

6、分離柱內(nèi)強旋轉(zhuǎn)湍流流場的基本方程，給出了湍流模型下分離柱內(nèi)部流場的速度場和靜壓力場的分布規(guī)律，并與流場實測結(jié)果進行比較。研究發(fā)現(xiàn)，采用湍流粘性模型可以較好的預測分離柱內(nèi)部流場的速度場和壓力場。其中，在壁面邊界層以外的區(qū)域內(nèi)，切向速度、靜壓力的計算值與實驗值不論是大小還是變化規(guī)律都比較吻合，軸向速度的計算值和實驗值誤差較無粘性模型明顯減小，且變化規(guī)律與實驗非常一致。同時發(fā)現(xiàn)，湍流粘度對切向速度和靜壓力影響較大，而對軸向速度影響較小。

7、 4.利用切向速度表達式直接導出了分離柱內(nèi)部流場中內(nèi)外渦分界面半徑隱含形式的計算公式，解決了以往用總壓降最小原理來間接求取內(nèi)外渦分界面半徑的問題。 5.應(yīng)用通用大型流體力學計算軟件FLUENT6.2，采用雷諾應(yīng)力模型(RSM)對環(huán)流循環(huán)除塵系統(tǒng)分離柱內(nèi)部三維強旋湍流流場進行數(shù)值模擬和分析，給出了分離柱內(nèi)的三維流場的總速度矢量圖、等高線圖、速度場和壓力場的詳細分布及湍流強度云圖和湍動能云圖。經(jīng)與流場實測情況比較和分析可以看出，模

8、擬出的流場與實測流場的總體趨勢基本相同。即:切向速度分布基本上呈中心對稱分布，大致為內(nèi)部準強制渦和外部準自由渦的組合，與理論分析基本一致；軸向速度在整個分離柱內(nèi)全部向上，且分布更加均勻和規(guī)整，有利于細的粉塵到達分離柱邊壁而被分離；分離柱內(nèi)存在流體的湍動，與實驗發(fā)現(xiàn)的“擺尾”現(xiàn)象是一致的；靜壓和總壓的分布比較接近，沿半徑方向的分布對稱性較好，分布形態(tài)為在中心渦核處壓力最低，隨著半徑增加壓力也增加，邊壁附近達到最高；分離柱的中心附近湍動能較