排气管尺寸对旋风分离器流场影响的数值模拟 - 南京工业大学学报 ...

第 32 卷 第 4 期
2010 年 7 月
南 京 工 业 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 )
JOURNALOFNANJINGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY(NaturalScienceEdition)
Vol.32No.4
July2010
doi:10.3969/j.isn.1671-7627.2010.04.003
排 气 管 尺 寸 对 旋 风 分 离 器 流 场 影 响 的 数 值 模 拟
吴 彩 金 1,2 , 马 正 飞 1 2
, 韩 虹
(1. 南 京 工 业 大 学 化 学 化 工 学 院 , 江 苏 南 京 210009;
2. 淮 阴 工 学 院 生 命 科 学 与 化 学 工 程 学 院 , 江 苏 淮 安 223003)
摘 要 : 用 雷 诺 应 力 湍 流 模 型 (RSM) 模 拟 研 究 旋 风 分 离 器 排 气 管 尺 寸 对 旋 风 分 离 器 流 场 的 影 响 . 结 果 表 明 : 单 入
口 旋 风 分 离 器 的 非 轴 对 称 性 在 环 区 更 明 显 ; 在 排 气 管 壁 存 在 滞 流 区 , 排 气 管 尺 寸 减 小 , 该 滞 流 区 变 薄 ; 在 分 离 区 ,
D e /D≥04 时 , 旋 风 分 离 器 的 中 心 位 置 存 在 向 下 旋 流 , 该 旋 流 造 成 一 定 返 混 , 对 提 高 旋 风 分 离 器 效 率 不 利 ; 随 着
D e /D 的 减 小 , 内 旋 流 切 向 速 度 提 高 , 中 心 处 的 向 下 旋 流 速 度 减 小 , 总 压 降 大 幅 提 高 ; 当 D e /D=03 时 , 中 心 处 向 下 旋
流 消 失 , 提 高 了 分 离 效 率 .
关 键 词 : 旋 风 分 离 器 ; 流 场 ; 排 气 管
中 图 分 类 号 :TJ812 文 献 标 志 码 :A 文 章 编 号 :1671-7627(2010)04-0011-07
Numericalsimulationofexhaustpipedimensioninthe
flowfieldofcycloneseparator
WUCaijin 1,2 ,MAZhengfei 1 ,HANHong 2
(1.ColegeofChemistryandChemicalEngineering,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing210009,China;
2.ColegeofLifeScienceandChemicalEngineering,HuaiyinInstituteofTechology,Huai′an223002,China)
Abstract:Reynoldsstresmodel(RSM)wasusedforsimulationofexhaustpipedimensiononcyclone
flowfield.Resultsshowedthat,theflowfieldintheannularspaceofacycloneseparatorwithasinglein
letwasmoreasymmetricalthanthatintheseparationspace,andtherewasastagnationvelocitylayernear
thesurfaceoftheoutlettube.Itwouldbethinerwhenoutlettubewassmaler;whenD e /D≥04and
downwardrotationalflowwasatthecenterofthecyclone,acertainbackmixingunfavorablefortheefi
ciencywouldbecreated.WiththelowervaluesofD e /D,tangentialvelocityanddownwardflowvelocityat
thecenterdecreased,andoveralpresuredropincreasedsubstantialy.WhenD e /D=03,thedown
wardflowatthecenterdisappeared,thusimprovingseparatingeficiency
Keywords:cycloneseparator;flowfield;exhaustpipe
旋 风 分 离 器 以 其 制 造 成 本 低 、 结 构 紧 凑 、 适 用 范
围 广 、 操 作 简 便 、 分 离 效 率 高 等 优 点 被 广 泛 应 用 于 化
工 、 煤 炭 、 大 气 污 染 控 制 、 循 环 流 化 床 锅 炉 等 其 他 很
多 粉 料 的 处 理 过 程 中 . 如 何 提 高 旋 风 分 离 器 分 离 效
率 是 大 家 关 心 的 问 题 , 而 了 解 分 离 器 流 场 规 律 则 是
提 出 改 进 措 施 的 依 据 .
旋 风 分 离 器 器 壁 附 近 向 下 的 轴 向 速 度 对 颗 粒 传
输 到 排 料 口 起 重 要 作 用 . 轴 向 速 度 在 中 心 线 附 近 常
收 稿 日 期 :2010-01-21
基 金 项 目 : 江 苏 省 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 (BK2009664)
作 者 简 介 : 吴 彩 金 (1973—), 女 , 陕 西 渭 南 人 , 讲 师 , 博 士 , 主 要 研 究 方 向 为 计 算 机 在 化 工 中 应 用 ;
马 正 飞 ( 联 系 人 ), 教 授 ,Email:mazf@njut.edu.cn.

12
南 京 工 业 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) 第 32 卷
常 存 在 一 个 滞 留 区 域 . 有 时 甚 至 出 现 气 体 轴 向 速 度
是 向 下 的 规 律 [1] . 大 多 数 文 献 中 的 轴 向 速 度 也 呈 现
这 样 的 规 律 [2-3] .
[4]
但 是 王 海 刚 等 针 对 旋 风 分 离 器 实 验 结 果 和 模
拟 结 果 都 表 现 出 轴 向 速 度 在 中 心 处 没 有 向 下 的 旋 流 ,
[5]
胡 ■ 元 等 模 拟 和 测 量 的 结 果 也 呈 现 这 样 的 规 律 .
[4]
王 海 刚 等 研 究 的 旋 风 分 离 器 其 排 气 口 和 筒
体 比 率 为 03, 而 大 多 数 文 献 中 该 比 率 是 05 左 右 ,
可 能 是 该 比 率 对 轴 向 速 度 分 布 有 比 较 明 显 的 影 响 .
因 此 本 文 采 用 计 算 机 模 拟 的 方 法 , 主 要 研 究 排 气 管
尺 寸 对 旋 风 分 离 器 三 维 流 场 的 影 响 , 为 旋 风 分 离 器
的 优 化 设 计 提 供 依 据 .
1 计 算 模 型
11 RSM 法 数 值 计 算 原 理
旋 风 分 离 器 内 压 力 比 较 低 , 气 体 可 以 近 似 看 作
不 可 压 缩 流 体 , 整 个 体 系 可 以 看 作 稳 态 , 气 体 呈 强 烈
的 各 向 异 性 的 湍 流 流 动 , 解 决 湍 流 流 动 瞬 时 速 度 采
用 雷 诺 应 力 湍 流 模 型 (RSM).RSM 法 数 值 计 算 原 理
就 是 通 过 数 值 方 法 求 解 湍 流 三 维 瞬 态 质 量 守 恒 、 动
量 守 恒 方 程 和 Reynolds 应 力 输 运 方 程 ( 用 张 量 的 指
标 形 式 表 示 ) [6] .
质 量 守 恒 方 程
u i
x i
=0
动 量 守 恒 方 程 (Navier Stokes 方 程 )
[ ] j
+ F i
u i
t +(u iu j )
=- p + x j ρx i x
ν u i
-u′
j x i u′
j
Reynolds 应 力 输 运 方 程
u′ i u′ j
t +(u ku′ i u′ j )
=
x k
( )
μ t u′ i u′ j
x
+ν u′ iu′ j
+P ij +Φ ij +ε ij +F ij
k ρσ k x k x k
其 中
( )
u
P ij =- j u i
u′ i u′ k +u′
x j u′ k
k x
( )
( ij )
Φ ij =-18 ε k u′ iu′ j - 2 3 kδ
060 P ij - 1 3 P kkδ
k
ij -
ρ
速 度 ;u′ 为 脉 动 速 度 ;t 为 时 间 ;x 表 示 方 向 ;p 为 流 体 微
元 体 上 的 压 力 ;F 为 微 元 体 上 的 体 力 , 这 里 只 有 重 力 ;ρ
为 流 体 密 度 ;ν 为 运 动 黏 度 ;μ t 为 湍 动 黏 度 ; 系 数 σ k =
082;P ij 为 剪 应 力 产 生 项 ;Φ ij 为 压 力 应 变 项 ;ε ij 为 黏 性
耗 散 项 ;F ij 为 系 统 旋 转 产 生 项 ;ε 为 耗 散 率 ;k 为 湍 动
能 ;δ ij 为 张 量 中 的 “Kronedkerdelta” 符 号 ( 当 i=j 时 ,
δ ij =1, 当 i≠j 时 ,δ ij =0);Ω 为 时 均 转 动 速 度 张 量 .
Reynolds 应 力 输 运 方 程 中 包 含 有 湍 动 能 k 和 耗
散 率 ε, 使 用 RSM 时 需 要 补 充 k 和 ε 方 程
k
t +(ku i)
= x i x
ν+ μ t k
j
[ (
082
) + 1
ρx
]j 2 P i-ε
ε
t +(εu i)
= x i x
ν+ μ t ε
j
[ ( ) +
ρ x
]j
ε
072P i
k -192ε2 k
12 模 拟 用 旋 风 分 离 器 模 型 尺 寸 及 网 格 划 分
本 文 模 拟 用 旋 风 分 离 器 几 何 参 数 : 筒 体 直 径
D=205mm, 进 口 高 度 a=100mm, 进 口 宽 度 b=
40mm, 排 气 管 / 筒 体 直 径 D e /D=05、04、03, 排 气
管 插 入 深 度 S=103mm, 筒 体 高 度 h=308mm, 总 高
H=820mm, 排 料 口 直 径 B=74mm.
旋 风 分 离 器 网 格 划 分 采 用 分 块 结 构 化 网 格 , 分
成 5 个 子 区 域 . 区 域 1 为 进 风 口 区 域 , 区 域 2 为 与 进
风 口 同 高 度 的 筒 体 部 分 , 区 域 3 为 出 风 口 下 方 的 筒
体 部 分 , 区 域 4 为 锥 体 部 分 , 区 域 5 为 排 风 管 部 分 .
用 网 格 生 成 软 件 Gambit 划 分 结 果 如 图 1 所 示 , 网 格
数 为 250000~290000.
图 1 旋 风 分 离 器 计 算 网 格
Fig.1 Gridofsimulatedcycloneseparator
ε ij =- 2 3 εδ ij
F ij =-2Ω k (u′ j u′ m ε ikm +u′ i u′ m ε jkm )
式 中 : 下 标 i、j、k 为 张 量 指 标 , 分 别 取 值 1、2、3;u 为 时 均
13 计 算 边 界 条 件
20m/s.
1) 进 口 条 件 进 口 条 件 采 用 速 度 入 口 , 速 度 为

第 4 期
吴 彩 金 等 : 排 气 管 尺 寸 对 旋 风 分 离 器 流 场 影 响 的 数 值 模 拟
13
湍 流 强 度
湍 动 能 k= 3 2 ( 珔 uI) 2
湍 动 耗 散 率 ε=C 3/4
μ
k 3/2 l
I=u′/ 珔 u=016(Re DH ) -1/8
式 中 :Re DH
为 按 水 力 直 径 D H 计 算 得 到 的 雷 诺 数 ;C μ
为 耗 散 率 系 数 ,C μ
=009;l 为 湍 流 长 度 尺 度 ,l=
007L,L 为 水 力 直 径 .
2) 排 气 口 边 界 取 出 口 压 力 为 0 的 压 力 出 口
边 界 条 件 [7] .
3) 固 体 捕 集 口 界 面 固 体 捕 集 口 采 用 壁 面 界
面 ( 因 为 气 体 几 乎 全 部 从 上 面 出 气 口 排 出 , 为 了 简
化 模 拟 , 近 似 用 壁 面 界 面 模 拟 ).
4) 固 壁 边 界 壁 面 采 用 无 滑 移 边 界 , 默 认 壁 面
粗 糙 度 为 05. 采 用 标 准 壁 面 函 数 法 处 理 边 界 湍 流 .
14 模 拟 数 值 解 法 选 择
由 于 RSM 模 型 增 加 了 应 力 方 程 , 从 而 使 得 计 算
方 程 成 倍 增 加 , 也 增 加 了 计 算 收 敛 的 难 度 , 这 样 对 初
始 值 的 要 求 就 比 较 高 , 为 了 方 便 收 敛 , 模 拟 中 先 采 用
RNG 模 型 运 算 到 收 敛 , 然 后 以 RNG 模 型 运 算 结 果
作 为 RSM 湍 流 模 型 的 初 始 值 进 行 进 一 步 运 算 到 收
敛 [4-5,7-9] , 所 用 数 值 解 法 为 SIMPLE 算 法 , 对 流 项
差 分 格 式 选 用 具 有 二 阶 精 度 的 QUICK 格 式 , 压 力 梯
度 项 的 插 补 选 用 PRESTO 格 式 [9-10] .
2 模 拟 结 果 与 讨 论
以 旋 风 分 离 器 筒 体 顶 面 中 心 处 为 坐 标 原 点 , 向
上 为 Z 轴 正 方 向 . 各 结 果 图 分 别 显 示 了 Z=-15、
-55、-95、-160、-300、-500mm 几 个 高 度 上 的
流 场 分 布 .
21 D e /D 对 旋 风 分 离 器 环 形 空 间 流 场 的 影 响
过 去 大 量 的 研 究 大 多 针 对 旋 风 分 离 器 分 离 空 间
的 规 律 , 而 对 环 形 空 间 流 场 的 分 布 规 律 的 研 究 比 较
[10-11]
少 . 魏 耀 东 等 通 过 实 验 研 究 了 蜗 壳 式 旋 风 分 离
[12]
器 环 形 空 间 流 场 的 特 性 ; 宋 健 斐 等 模 拟 研 究 了 蜗
壳 式 旋 风 分 离 器 的 非 轴 对 称 特 性 , 中 间 也 对 环 形 空
间 进 行 了 模 拟 分 析 . 但 是 还 未 见 其 他 类 型 旋 风 分 离
器 环 形 空 间 流 场 研 究 的 报 道 .
211 D e /D 对 旋 风 分 离 器 环 形 空 间 切 向 速 度 的
影 响
D e /D 对 旋 风 分 离 器 环 形 空 间 切 向 速 度 的 影 响
见 图 2, 其 中 r/R 为 径 向 位 置 与 筒 体 半 径 之 比 . 图 2
中 环 形 空 间 切 向 速 度 的 分 布 由 外 向 内 逐 渐 增 大 ,
中 间 主 体 部 分 大 体 呈 准 自 由 涡 分 布 , 在 筒 壁 和 排
气 管 壁 都 存 在 滞 流 层 , 切 向 速 度 大 小 除 了 排 气 管
壁 附 近 外 其 他 区 域 沿 轴 向 变 化 不 大 , 但 是 沿 周 向
有 明 显 变 化 , 分 布 呈 明 显 的 非 轴 对 称 性 ; 切 向 速 度
从 一 进 入 旋 风 分 离 器 , 沿 周 向 开 始 逐 渐 降 低 , 排 气
管 壁 附 近 的 滞 流 层 也 逐 渐 变 宽 ( 图 2(a)~2(d)),
这 是 由 于 在 入 口 处 , 进 来 的 气 体 受 旋 转 气 流 气 体
的 挤 压 影 响 , 使 得 切 向 速 度 增 加 , 湍 流 度 也 最 大 ,
滞 流 层 最 薄 , 然 而 这 种 挤 压 作 用 随 周 向 逐 渐 减 弱 ,
切 向 速 度 就 逐 渐 降 低 , 湍 流 度 减 弱 , 滞 流 层 也 逐 渐
加 厚 .
比 较 图 2(d)~2(f) 图 可 见 : 随 着 排 气 管 尺 寸 减
小 , 最 大 切 向 速 度 逐 渐 增 加 , 位 置 也 内 移 , 排 气 管 壁
的 滞 流 层 也 变 薄 . 这 是 因 为 半 径 越 小 , 其 离 心 力 越
大 , 其 切 向 速 度 也 越 大 , 由 于 靠 近 排 气 管 壁 的 切 向 速
度 增 加 , 其 湍 动 性 越 强 , 则 滞 流 层 越 薄 .
212 D e /D 对 旋 风 分 离 器 环 形 空 间 轴 向 速 度 的
影 响
环 形 空 间 的 轴 向 速 度 分 布 和 分 离 空 间 有 明 显 的
不 同 , 其 非 轴 对 称 性 更 加 明 显 , 大 小 也 远 远 小 于 切 向
速 度 ( 图 3), 这 个 区 间 轴 向 速 度 的 一 个 特 点 是 靠 近
顶 壁 处 流 体 ( 如 图 中 Z=-15mm 截 面 ) 在 整 个 周 边
方 向 基 本 是 先 向 上 移 动 , 一 段 距 离 后 折 转 向 下 运 动 ,
在 270° 方 向 靠 近 排 气 管 壁 附 近 则 向 上 运 动 ; 而 靠 近
排 气 管 底 部 附 近 流 体 ( 如 图 3 中 Z=-95mm 截 面 )
则 是 先 向 下 然 后 在 某 个 位 置 翻 转 向 上 , 这 就 是 环 形
区 的 二 次 涡 , 在 靠 近 排 气 管 壁 某 个 位 置 又 向 下 移 动 ,
在 排 气 管 口 附 近 形 成 短 路 流 ; 从 各 个 方 向 的 轴 向 速
度 图 可 以 看 出 各 个 旋 转 方 向 上 二 次 涡 的 位 置 和 大 小
都 不 同 , 呈 现 复 杂 性 .
比 较 图 中 3(d)~3(f) 可 见 , 排 气 管 尺 寸 减 小 ,
靠 近 顶 壁 流 体 向 上 的 轴 向 速 度 减 小 , 中 间 位 置 的 轴
向 速 度 波 幅 变 大 , 而 排 气 管 底 部 附 近 的 变 化 不 大 , 都
是 先 向 下 , 然 后 向 上 形 成 二 次 涡 , 但 在 靠 近 排 气 管 壁
则 是 向 下 运 动 , 则 在 排 气 管 口 形 成 短 路 流 .
213 D e /D 对 旋 风 分 离 器 环 形 空 间 静 压 的 影 响
环 形 区 各 轴 向 位 置 的 静 压 沿 轴 向 变 化 不 大 , 呈 现
从 外 向 内 逐 渐 降 低 的 规 律 , 但 其 大 小 沿 周 向 有 明 显 不
同 , 即 呈 现 明 显 非 轴 对 称 性 ( 图 4),0°~90° 变 化 很
小 , 从 90° 开 始 沿 周 向 逐 渐 升 高 , 这 种 规 律 和 切 向 速 度
变 化 相 对 应 , 即 切 向 速 度 从 90° 开 始 沿 周 向 逐 渐 降 低 ,
可 见 部 分 动 压 能 转 化 为 静 压 能 ; 从 图 4(b) 看 出 , 排 气
管 尺 寸 减 小 , 环 形 区 的 静 压 大 幅 升 高 .

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南 京 工 业 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) 第 32 卷
图 2 环 形 空 间 各 截 面 上 切 向 速 度 分 布
Fig.2 Tangentialvelocitiesinseveralsectionsinannularspace
图 3 环 形 空 间 各 截 面 上 轴 向 速 度 分 布
Fig.3 Axialvelocitiesinseveralsectionsinannularspace
22 D e /D 对 旋 风 分 离 器 分 离 空 间 流 场 的 影 响
221 D e /D 对 旋 风 分 离 器 分 离 空 间 切 向 速 度 的 影 响
切 向 速 度 在 分 离 区 呈 兰 金 组 合 涡 , 即 由 内 部 的
准 强 制 涡 流 和 外 部 的 准 自 由 涡 两 部 分 组 成 , 准 强 制
涡 的 切 向 速 度 分 布 为 V t r= 常 数 = 角 速 度 ; 准 自 由 涡
的 切 向 速 度 分 布 规 律 为 :V t r n = 常 数 , 其 中 n 为 速 度

第 4 期
吴 彩 金 等 : 排 气 管 尺 寸 对 旋 风 分 离 器 流 场 影 响 的 数 值 模 拟
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分 布 指 数 , 其 与 1 的 差 值 即 为 实 际 旋 流 和 自 由 旋 流
差 异 程 度 的 标 志 .Alexander 给 出 了 计 算 n 的 关 系
式 :n=1-(1-0668D 014 )(T/283) 03 , 式 中 T 为 绝
对 温 度 [13] . 各 截 面 上 切 向 速 度 分 布 如 图 5 所 示 .
图 4 Z=-55mm 处 环 形 空 间 静 压 分 布
Fig4 StaticpresuresinannularspaceatZ=-55mm
图 5 各 截 面 上 切 向 速 度 分 布
Fig5 Tangentialvelocitiesinseveralsections
从 图 5 可 以 看 出 :1) 按 Alexander 给 出 的 n 的 公
式 , 切 向 速 度 与 排 气 管 尺 寸 无 关 , 可 是 实 际 切 向 速 度
随 着 排 气 管 直 径 的 减 小 而 增 加 , 即 n 值 随 排 气 管 直
径 的 减 小 而 减 小 ; 而 切 向 速 度 的 增 加 , 也 有 利 于 分 离
效 率 的 提 高 , 所 以 适 当 减 小 排 气 管 直 径 可 以 提 高 分
离 效 率 .2) 对 于 同 一 尺 寸 旋 风 分 离 器 , 切 向 速 度 沿
轴 向 方 向 分 布 基 本 相 同 .3) 随 着 排 气 管 直 径 的 减
小 , 中 心 处 直 线 斜 率 绝 对 值 增 加 , 表 明 中 心 气 流 的 角
速 度 呈 增 加 趋 势 .4) 对 于 单 入 口 型 式 旋 风 分 离 器 ,
其 切 向 速 度 在 径 向 位 置 轴 对 称 性 不 是 很 好 , 排 气 管
尺 寸 越 大 , 轴 对 称 性 越 差 .
222 D e /D 对 旋 风 分 离 器 分 离 空 间 轴 向 速 度 的
影 响
轴 向 速 度 在 中 心 线 附 近 常 常 存 在 一 个 滞 留 区
域 . 有 时 甚 至 出 现 气 体 轴 向 速 度 是 向 下 的 [1] , 很 多
文 献 中 的 轴 向 速 度 也 呈 现 这 样 的 规 律 [2-3] . 但 是 王
[4,9,14-15]
海 刚 等 针 对 旋 风 分 离 器 的 实 验 结 果 和 模 拟
结 果 都 表 现 出 轴 向 速 度 在 中 心 处 没 有 向 下 的 转 折 ;
通 过 比 较 各 种 文 献 测 量 或 模 拟 数 据 , 发 现 轴 向 速 度
在 D e /D 为 03 左 右 时 , 会 出 现 在 中 心 处 不 再 出 现
向 下 现 象 .
由 模 拟 结 果 图 6 可 见 : 当 D e /D 为 05 时 , 在
内 旋 流 的 中 心 位 置 , 少 量 气 流 以 较 大 的 速 率 向 下
运 动 , 这 样 造 成 一 定 的 返 混 , 从 而 不 利 于 旋 风 分
离 ; 当 D e /D 降 为 04 时 , 中 心 气 流 向 下 的 运 动 速
率 明 显 减 小 , 但 是 依 然 存 在 向 下 气 流 ; 当 D e /D 降
为 03 时 , 向 下 的 运 动 气 流 消 失 . 从 图 5 和 图 6 的
切 向 速 度 和 轴 向 速 度 规 律 可 以 很 好 地 解 释 实 验 总
结 的 规 律 : 一 定 范 围 内 , 排 气 管 直 径 越 小 , 则 旋 风
分 离 器 的 除 尘 效 率 越 高 , 反 之 越 低 , 当 D/D e 超 过
03 时 , 再 减 小 排 气 管 直 径 , 除 尘 效 率 提 高 缓 慢 , 但
阻 力 系 数 极 具 上 升 [13] , 其 原 因 就 是 排 气 管 直 径 越
大 , 其 中 心 位 置 向 下 气 流 越 严 重 , 返 混 越 厉 害 , 同
时 其 切 向 速 度 也 相 对 较 低 从 而 不 利 于 分 离 ; 而 当

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南 京 工 业 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) 第 32 卷
D e /D 小 于 03 后 , 中 心 向 下 气 流 消 失 , 则 因 为 这 种
返 混 造 成 的 对 分 离 效 率 的 影 响 也 就 消 失 , 同 时 旋
风 分 离 器 内 的 气 速 急 剧 增 加 , 这 样 过 高 的 气 速 使
得 湍 动 程 度 增 加 , 二 次 夹 带 严 重 , 另 外 , 气 速 太 高 ,
粉 尘 微 粒 与 器 壁 的 摩 擦 加 剧 , 粗 颗 粒 粉 碎 , 使 细 粉
尘 含 量 增 加 , 所 以 再 减 小 排 气 管 直 径 , 将 不 再 能 明
显 提 高 分 离 效 率 ; 同 时 当 排 气 管 直 径 减 小 到 一 定
程 度 后 , 中 间 的 轴 向 速 度 大 幅 增 加 , 大 大 增 加 了 摩
擦 损 失 , 从 而 造 成 阻 力 系 数 急 剧 增 加 .
由 图 6 模 拟 结 果 还 可 以 看 出 : 对 于 单 入 口 型 旋
风 分 离 器 , 其 轴 向 速 度 在 径 向 位 置 轴 对 称 性 更 不 好 ,
排 气 管 尺 寸 越 大 , 轴 对 称 性 越 差 .
图 6 各 截 面 上 轴 向 速 度 分 布
Fig6 Axialvelocitiesinseveralsections
223 D e /D 对 旋 风 分 离 器 分 离 空 间 静 压 的 影 响
旋 风 分 离 器 的 压 力 损 失 主 要 包 括 : 进 口 管 的 摩
擦 损 失 ; 气 体 进 入 旋 风 分 离 器 内 , 因 膨 胀 或 压 缩 而 造
成 的 能 量 损 失 ; 气 体 在 旋 风 分 离 器 中 与 器 壁 的 摩 擦
所 引 起 的 能 量 损 失 ; 旋 风 分 离 器 内 气 体 因 旋 转 而 产
生 的 能 量 损 耗 ; 排 气 管 的 摩 擦 损 失 , 同 时 旋 转 运 动 较
直 线 运 动 需 要 消 耗 更 多 的 能 量 和 排 气 管 内 气 体 旋 转
时 的 运 动 速 度 转 化 为 静 压 能 的 损 失 等 .
图 7 表 明 , 随 着 D e /D 减 小 , 旋 风 分 离 器 的 静 压 在
器 壁 附 近 增 加 , 在 中 心 处 负 压 更 大 , 即 随 着 排 气 管 尺 寸
的 减 小 , 压 降 急 剧 增 加 . 这 主 要 是 由 于 排 气 管 直 径 减
小 , 使 得 旋 转 向 上 的 内 旋 流 速 度 大 大 增 加 ( 见 图 5、 图
6) 从 而 造 成 排 气 管 的 摩 擦 损 失 增 加 , 同 时 转 化 为 静 压
能 的 损 失 也 大 大 增 加 , 从 而 造 成 总 压 降 的 明 显 增 加 .
图 7 各 截 面 上 静 压 分 布
Fig7 Staticpresuresinseveralsections
23 改 变 筒 径 后 的 模 拟 结 果
为 了 验 证 是 排 气 管 的 绝 对 尺 寸 还 是 和 筒 径 的 相
对 比 例 呈 现 这 样 的 规 律 , 本 文 还 对 筒 径 分 别 为
256、305mm 的 同 类 型 旋 风 分 离 器 进 行 了 模 拟 研 究 ,
其 结 果 和 前 面 的 相 同 , 可 见 D e /D 是 影 响 流 场 规 律
的 主 要 因 素 , 而 不 是 排 气 管 的 绝 对 尺 寸 .
3 结 论
1) 单 入 口 直 切 式 旋 风 分 离 器 流 场 呈 非 轴 对 称
性 , 在 环 形 空 间 更 明 显 , 在 靠 近 筒 壁 和 排 气 管 壁 都 存
在 滞 流 层 , 排 气 管 尺 寸 减 小 , 排 气 管 壁 的 滞 流 层 变
薄 , 减 小 了 二 次 涡 .

第 4 期
吴 彩 金 等 : 排 气 管 尺 寸 对 旋 风 分 离 器 流 场 影 响 的 数 值 模 拟
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2) 外 旋 流 的 切 向 速 度 随 着 排 气 管 直 径 的 减 小
而 增 加 , 即 n 值 随 排 气 管 直 径 的 减 小 而 减 小 , 内 旋 流
中 心 的 角 速 度 随 排 气 管 直 径 减 小 而 增 加 .
3) 分 离 区 中 心 附 近 的 向 下 旋 流 速 率 随 着 排 气
管 直 径 的 减 小 而 减 小 , 在 D e /D 减 小 到 03 时 中 心
的 向 下 旋 流 消 失 . 向 下 的 旋 流 造 成 了 一 定 的 返 混 , 降
低 了 分 离 效 率 , 减 小 排 气 管 尺 寸 , 可 以 改 善 向 下 旋 流
甚 至 使 其 消 失 .
4) 减 小 排 气 管 直 径 , 虽 然 有 利 于 减 小 向 下 的 内
旋 流 , 减 小 排 气 管 壁 的 滞 流 层 , 提 高 分 离 效 率 , 但 是
压 降 增 加 明 显 , 所 以 应 该 选 择 合 适 的 排 气 管 直 径 .
参 考 文 献 :
[1] 霍 夫 曼 AC, 斯 坦 因 LE. 旋 风 分 离 器 : 原 理 , 设 计 和 工 程 应 用
[M]. 彭 维 明 , 译 . 北 京 : 化 学 工 业 出 版 社 ,2002.
[2] 吴 小 林 , 申 屠 进 华 , 姬 忠 礼 .PV 型 旋 风 分 离 器 内 三 维 流 场 的
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PengWeiming.Numericalsimulationandexperimentalresearchon
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