旋风分离器内两相流动的数值模拟研究（可编辑）

旋风分离器内两相流动的数值模拟研究（可编辑） 旋风分离器内两相流动的数值模拟研究 兰州理工大学 硕士学位论文 旋风分离器内两相流动的数值模拟研究 姓名:王浩 申请学位级别:硕士 专业:流体力学 指导教师:李仁年;陆初觉 20070508 摘 要 本文总结 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了旋风分离器目前的发展现状，叙述了旋风分离器的基本工 作原理，简述了计算流体力学的基本原理及其应用，讨论了多相流动的数学模 型。 通过计算流体力学的方法对一StairmandHE型旋风分离器内部的两相流 动进行了数值仿真研究，所用的软件为FLUENT。针对旋风分离器内三维强旋 流的特点，并考虑到实际情况，对于连续相介质的计算采用k一,RaNG模型， 对于颗粒相的计算采用了基于Lagrange观点的DPM模型。 经过仿真计算，获得了分离器内气体的速度、压力分布、湍流度的分布和 颗粒的运动轨迹，并由此揭示了分离器的能量损失和分离机理(计算结果表明， 分离器内部的流场是可分为内、外两层，其速度、压力基本呈轴对称分布(由 于湍流的影响，颗粒在分离器内的运动轨迹较为复杂，具有一定的随机性，颗 粒的大小、进口风速、颗粒进入分离器的位置对分离效果都有影响。 利用上述的结果，本文提出了一种优化 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。经数值计算模拟，在其他参 数不变的情况下，该方案可以将分离器的分离效率提高23(9,。 关键词:旋风分离器; 数值模拟;分离效率;能量损失 硕士学位论文 Abstract Thisthesis thestatusof ofgascycloneseparators， generalized development andintroducedthe Fluid statedthebasic ofthem Computational workingprinciples modelsof flow( themathematical Dynamics CFD ，illustrated multiphase Inorderto theconditionofmotionofthe insidea study gas gascyclone ofthe StairmandHEandit’s mechanismof separator type separation， fieldof and three-dimensionalnumericalsimulationofinternalflow gaseous phase themotionconditionof initwereconductedthesoftwareFLUENT( particles byusing because k―gmodewasusedtosimulatethe ofthe RNG gaseousphase strong of Phase used turbulence equation―basedDPM DiscreteMode was gas，theLagrange totrackthe particles’motion( showedthattheflowfieldina couldbedivided Theresults gascycloneseparator and ona inneroneandthe one(Their took intotwo outer velocitypressure parts:the the was andrandombecause goodsymmetry(Theparticles’motioncomplicated turbulenceof was on dependent gas(Theirseparationefficiency the of and attheintake( entering velocitygas position the wasan could Madeuseof results optimizedprogramme(It previous，there the about thenumericalsimulationmethod( 23(9,by promoteseparationefficiency numerical Keywords:gascycloneseparator; simulation; losses separationefficiency;energy ? 硕士学位论文 第1章 绪 论 1(1问题的提出 旋风分离器 gascycloneseparator 是一种利用固体和气体之间的密度差， 将气体和固体颗粒进行分离的机械设备?，主要用以捕集直径5―1咄m以上 的颗粒(以目前最常见的切流反转式旋风分离器为例说明工作原理，含固体 颗粒的气体切向进入分离器，受筒壁结构的影响，气体和颗粒被迫在捧气管 和分离器外壁之问的同心环柱体内作旋转运动(由于流速较低 一般为12― 25mls ，可不计气体压缩的影响。在旋转过程中，离心力将固体颗粒甩向分离 器内壁面，在气流和重力共同作用下下落，由分离器下部的捧尘 口收集。绝 大部分气体则在旋转的同时沿分离器外壁螺旋向下运动，在分离器下部的锥 段，气体带着一部分颗粒进入内部区域，改为旋转向上的螺旋运动，最终由 排气管向上排出。 图I(I旋风分离器结构示意图 实际上旋风分离装置并非仅限于气一固分离，还包括气,液分离和液一 固分离器等，其结构也不尽相同。在本课题中所研究的为气一固旋风分离器， 图I(I为典型的气一固分离器结构示意图( 自从1886年0(Morse获得了第一个旋风分离器专利以来，旋风分离技 术得到了很大的发展和应用。相比于过滤、沉降、静电等其他的气同分离方 法，旋风分离器的主要优点有: 1、内部无活动部件，结构简单，坚固耐用，生产成本和运行维护成本都 比较低: 2、所收集的固体颗粒为干粉，便于回收利用; 3、可在高温、高压、大流量情况下正常工作; 旋风分离器内两相流动的数值模拟研究 4、阻力损失较低，对于较大颗粒有很高的分离效率。 旋风分离装置最早出现于食品加工工业，用于收集被空气输送的谷物。 随后，旋风分离装置广泛应用子能源动力、石油化工、食品加工、冶金、气 溶胶等领域旺11，并且在很多情况还下发挥着非常关键作用。 旋风分离装置在能源动力行业中的应用特别值得一提。目前很多电站锅 炉中上锅筒内的气一液分离装置和煤粉制备系统中的细粉分离器就是旋风分 离装置吲。此外，旋风分离装置更是普遍使用的循环流化床 Circulating Fluidized Bed，CFB 锅炉中的核心部件。 ? ? ?给煤口 ?挡板式分离器 ?旋风式 分离器 ?返料管 ?尾部受热面 ?进风口 ?尾部烟气 图1(2 CFB锅炉基本结构 循环流化床锅炉是近三十几年发展起来的一种新型煤炭燃烧技术。它的 工作原理是将煤破碎成小于8ram的颗粒后送入有大量床料 炉渣 的炉膛， 同时热空气由炉膛下部的风室经布风板送入炉膛，使燃料在床料中呈所谓“流 态化”燃烧。烟气夹杂着大量未燃的细小煤粒向上运动，在炉膛出口或过热 器后部安装气固分离器，可将分离下来的煤粒通过返料装置再送入炉膛再次 循环燃烧，以维持炉膛的快速流态化状态，保证燃料和脱硫剂可 多次循环、 反复燃烧和反应“1。 循环流化床燃烧技术能使锅炉能够有效使用多种劣质燃料 如贫煤、煤 矸石、油页岩等 ，而且在燃烧过程中也能有效地控制SOx和NOx的排放[NOx 250mg,m3 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 状态 ，脱硫率可达到90,]，是一种经济有效的低污染燃煤 技术。 2 硕士学位论文 量曼曼?―??――?皇曼曼目I??|曼量量皇曼曼曼鼍皇量詈晕曼量曼曼曼曼曼!曼量量舅量鼍量寡舅量E―?量?――量曼皇量舅舅置?曼曼曼曼曼量曼曼!曼舅 所谓循环流化床锅炉，重点就在“循环”二字上，分离器是CFB锅炉区 别于其他形式锅炉的关键特征，分离器也可以称之为CFB锅炉的心脏。在实 际运行中，分离器的性能也往往直接决定了CFB锅炉的运行效率和运行工况。 如果分离器压力损失过大，将会加大风机负荷，浪费电能。如果分离器的效 率较高，炉内物料的浓度就会增大，炉内的传热系数也就增大H3(反之，如果 分离效率偏低，会有大量未能燃尽的煤粒进入尾部受热面，首先将会增加锅 炉的不完全燃烧热损失，降低锅炉热效率:其次会增加锅炉尾部受热面和风 机的磨损，缩短设备的使用寿命;第三，会有大量细微颗粒随烟气排入大气， 形成飘尘和降尘，造成环境污染。1。 在中国，目前电力能源的生产方式仍以火力发电为主，其中绝大多数为 燃煤锅炉形式的电站，是世界上为数不多的几个仍然将煤炭作为主要能源的 国家之一(每年的煤炭消耗量约为12亿吨，其中80,通过燃烧来利用(根据 国家发改委公布的资料显示，我国已探明的能源总储量约8000亿吨标准煤 折 合 中，煤炭占87(4,，这样的能源资源结构就决定了我国能源消费结构在今 后相当长的一段时间内也仍将以煤炭为主体。据预测，即使大力调整能源结 构，到2020年，煤炭在中国能源消费结构中的比重仍将占到55,以上，每年 约需消费煤炭20多亿吨。 目前我国大气污染主要是煤烟型的悖1，而污染源主要就是燃煤锅炉，因此 加强燃煤锅炉的排放管理是治理我国大气污染的一个重要环节(这主要有以 下两个方面:一是改进锅炉的燃烧方式，提高其燃烧效率，减少污染物的排 放;二是加装新型高效的气一固分离设备(我国仍是一个发展中国家，并且 经济发展很不平衡，加强旧式锅炉设备的改造与研究，改善锅炉燃烧方式对 我国大气的环境保护也具有十分重要的意义，更有利于进一步节 约有限资源， 实现可持续发展战略。 如何使分离器能够高效率、低损失地运行，也往往是CFB锅炉改造、改 型的重点内容之一。随着我国对环境保护问题的日益重视，燃煤电厂微细粒 子控制技术也已列入国家“803” 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 项目。至2006年，我国已投入运行的 各种CFB锅炉已经超过了2000台，占全都电站锅炉总台数的三分之一，并且 这个比例仍在扩大，我国已经成为世界上CFB锅炉台数和容量最大的国家“”。 鉴于这种现状，研究分离器的内部流场和其分离机理，并努力提高其性 能，以此来提高现有能源，特别是煤炭的燃烧使用效率，无疑具有非常积极 的现实意义。 1(2 旋风分离器的发展历程及现状 在旋风分离器问世至今的100多年中，各国学者对其工作原理、性能、 旋风分离器内两相流动的数值模拟研究 内部流场特征等进行了深入细致的研究，也取得了相当的进展“„1，其发展历 程大致可以分为三个阶段: 1、从19世纪80年代旋风分离器投入生产运转到20世纪30年代，属于 自发使用阶段。在这一阶段中，人们对于分离器的分离机理缺乏理性认识， 简单认为分离机理只是把固体颗粒甩向壁面而已，也未能深入研究分离器内 部的流动规律，此时分离器的临界直径一般为40一60掣m。这,阶段中，最为 杰出的研究成果为近代流体力学大师Prandtl所做的降阻研究。 2、从20世纪30年代到20世纪60年代，很多学者对旋风分离器做了广 泛的研究和试验。1928年，Prockact第一次对旋风分离器进行了测定，结束 了对旋风分离器的盲目使用;范登格南于上世纪30年代发现了旋风分离器中 离器的压降和分离极限颗粒计算公式，即著名的转圈理论;1949年，Alexander 提出了旋风分离器的准自由涡模型，计算了分离器内部流场中的 切向速度; 同年，Stairmand计算了旋风分离器中的速度分布，提出了压力损失计算公式; 还是在同年，TerLinder通过试验对旋风分离器内气体运动时的三维速度 切 大学的Barth教授提出了自己的压力损失模型，并提出了最早的平衡轨道模型 和?的概念。 3、从20世纪60年代到现在，通过研究，能够将旋风分离器的捕集能力 推向超细微粒，并通过相似理论和量纲分析，将旋风分离器的性能参数组成 无量纲数进行分析和评价。1962年，Lewellen提出了强旋转简化层流模型; MuschelknautzModel 模型，这是迄今为止最接近实际的分离器模型;1975 年，东德的一些科研单位开始利用电子计算机技术来研究旋风分离器;1979 Fluid 高级湍流模型，最早将CFD ComputationalDynamics，计算流体力学 力损失模型基础上，提出了紧凑型旋风分离器压降表达式;1992年，A(C( Hoffman等人对粉尘浓度、压力损失和分离效率之间的关系进行了较为细致的 研究。 在国内，也有学者对旋风分离器进行了卓有成效的研究。王海刚等“5“” 采用电容层析成像技术测量了分离器内颗粒的浓度分稚，并采用不同的湍流 模型计算，与试验值进行了比较。褚良银等“刀对旋流机械内部的能量损失进 行了较为细致的研究，并对其结构提出了多种改进方案。同时，我国学者经 过研究证实，数值计算不但可以准确地模拟分离器内部流场中分布，也能较 4 硕士学位论文 为准确地预计分离器的分离性能【”’”1( 旋风分离器内部没有任何运动部件，其结构非常简单，但是其内部的流 场却十分复杂。由于PDA Particle 设备应用还较少，所以目前国内外对于分离器内部流场的研究工作更多地限 于计算机模拟仿真和理论分析。 同时，在工程应用方面，各种新型旋风分离器也在不断地被推出。 0(4,tm的颗粒，目前能够代表世界先进水平的有日本的HITACHI公司、美国 分离直径为3一锄m的颗粒。 在某些情况下，由于普通圆形旋风分离器难以紧凑布置，而且圆形外壁 运行(我国的清华大学、西安交通大学和浙江大学等科研单位也进行了这方 面的研究和探索，取得了一定的成果啪-2”。 总的来说，对于旋风分离器，发展情况是理论落后于实践。其中很多机 理人们尚未完全掌握心”，上述研究成果和理论模型还有待于进一步完善( 1(3分离器分离原理 旋风分离器所能捕集到的最小粉尘颗粒的粒径称为临界粒径 critical diameter 磊，一般通过分析临界粒径即可得知旋风分离器的分离机理。 临界粒径可分为两类，凡是大子某一粒径的颗粒能够50,被分离器捕集， 这个粒径就称为50,1临界直径，用以jD表示;而大于某一粒径的颗粒能够100, 被分离器捕集，这个粒径就称为loo,临界直径，用以埘表示( 分离器内部流动非常复杂，迄今为止，也没有一种理论能够准确反映分 离器的分离效率(对于切流反转式旋风分离器的临界粒径的分析理论一般可 以分为三大类，分别为转圈理论、筛分理论和湍流混掺层流边界层分离理论， 这三种分离理论都是通过某种简化而得到的。在此基础上，各国学者又派生 出了多种分离模型嘲。下面对这三种理论分别简要介绍„。”。 1(3(1 转圈理论 转圈理论是类比于重力沉降室的沉降理论发展而来的(颗粒进入分离器 后，受离心力的作用，在分离器内有径向向外的离心沉降速度和切向旋转速。 因此，如果旋转的圈数足够多，即展开后的长度等于沉降室的长度，颗粒沉 5 旋风分离器内两相流动的数值模拟研究 降到分离器壁面所需要的时间和颗粒在分离区间气体的停留时间相平衡，则 颗粒就能从内筒半径位置到达筒外边壁处的分离界面而被分离，这就是转圈 理论的依据。由此计算出来颗粒被完全分离的最小极限粒径磊埘，即凡是粒 径等于或大于改如D的颗粒能100,被分离。 即气体严格按照螺旋途径，始终保持与进入时相同的速度流动。而颗粒随气 流以固定的切向速度，由内向外克服气流对它的阻力，穿越整个 气流宽度， 最后到达分离器外壁面而被分离。这里既不考虑颗粒间的相互作用，也忽略 了边界层的效应( 但是，转圈理论所做的,些假设过于粗糙，与实际情况往往有一定的差 异，这是由于; l、该理论对分离器内部流场的认识还不够全面，只考虑离心力对颗粒的 作用，而忽略了向心流对颗粒的阻力; 2、颗粒分离只认为是在圆柱段进行的，而实际气体旋转将延伸到锥顶附 近，圆锥长度对颗粒的分离也有作用; 3、Rosin假设在半自由旋流区为等速流，但是事实上这是不可能的，而 且气体在分离器内的转圈数，也是较难测定的。 1(3(2 筛分理论 平衡轨道理论 Barth等人假设，在分离器内，每一颗粒在径向受到两种力的作用。由旋 转产生的离心力使颗粒受到向外的作用，由向心流场又使颗粒受到了向内的 Stokes力，这两种力的方向相反(离心力正比于颗粒质量，即d:，而Stokes 阻力则正比于d。(平衡轨道被视为排气管下端由最大切向速度的各点连接起 来的一个假想圆筒 CS面 。处在平衡状态下的颗粒，由于种种原因，平衡 随时都可能被破坏。既有可能离心力大于阻力，也有可能阻力大于离心力， 两者出现的几率相等。因此，在CS面上的颗粒有50,的分离效率。 作用于颗粒上的离心力大小为; 瓦一詈如prp生，( 1(1 上式中，d，为颗粒直径，纬为颗粒的密度， 以为颗粒在半径，处的切向速度， ，为颗粒的旋转半径。 同时，颗粒受到的Stokes力的大小为: B一鲫珊，dp 1(2 上式中，?为气体的粘度，“，为颗粒在半径，处的径向速度。 当E-B时，颗粒有50,的分离效率，如果忽略气体密度， 有: 6 硕士学位论文 t，一 1(3 了一个效率曲线为: 叩似’‘丙1 ‘1舢 上式中，弗是一个效率参数，根据分离器的不同大小，其值一般 在2―6(4之 间。由上式计算出来的颗粒直径一分离效率曲线的形状如图1(3 所示。 仙 ? ? “ ? ? '(0 d,d50 图1(3由式 1(4 计算的颗粒直径一分离效率曲线 n--6(4 颗粒所受的离心力和颗粒的大小有关，颗粒越大，离心力也就越大(那 么对于颗粒，必然存在一个切割粒径 cutdiameter 以。，使得颗粒所受的两 个方向上的力大小相等。若粒径d dc。则颗粒所受向外的力大于向内的力， 颗粒将向分离器外壁面移动，最终被分离;而若颗粒的d砒。，则会被带到中 心的上升气流部分，随着气流离开旋风分离器。因而可以设想在分离空间内 存在一张筛网，其孔径为或。凡是d 以。，的颗粒被筛网截留下来，而d dc。， 的贝?通过网眼离开了分离器，对于这个“筛网”的位置，不同的学者也有不 同的看法。总的来说，筛分理论比转圈理论更接近实际( MM模型也是基于Barth模型建立的。 显然，在一定范围内，不同艿值对应的曲线大致形状都应该相同，厅值越 大，曲线的中间部分就越陡( 7 旋风分离器内两相流动的数值模拟研究 1(3(3 边界层分离理论 横混理论 平衡轨道理论未能考虑湍流扩散等影响，这种影响对于细小颗粒是不能 忽视的。Leith和Licht认为，在分离器内任一横截面上，颗粒浓度的分布是 均匀的。但是在靠近分离器外壁的边界层内，是层流流动，只要颗粒在离心 力的作用下进入此边界层内，就会被捕集，这就是边界层分离理 论。根据该 理论，可得边界层分离理论的粒级效率公式为: 州一p卜 玎卜p卜p鼬 上式中，雄为外旋流速指数，一般由试验确定，也可通过 Alexander公式计算: ?小。一“4 f去广 七6， 上式中，D为分离器外壁直径，r为气体的绝对温度 K ( 。3 0(3465 "*t 七7， ,zD丽】j 髟和巧为结构参数， K。(型―0T(785 u。’ 1(8’ ,。石。了百 DD 昂一譬笋 L9 上式中，4、b分别为分离器进1:3的高度和宽度，以为排气管直径，恕和,分 别为分离器排气管的高度和锥体部分的高度，L为自然旋风长，Alexander定 义为 ?(珥阱 七四 上式中，t为排气I t下端的直径。 面为在工处的无因次锥体直径， 8 叫-一去 毕 二? 上式中，见为分离器排气管下端至排尘口的高度。 式 1(5 中， A-2110 i+n KvK(】2n+9 1(12 历。―L 1(13 跚为Stokes准则数， 龇(遂(纽 七? 3a弘,d,u，189sr 由式 1(5 可见，对于几何结构相似的旋风分离器，只要其繇数相等， 就会有相似的分离效率，其中跚数越大，其分离效率也就越高( 比较平衡轨道理论和边界层分离理论，平衡轨道理论没有考虑湍流扩散 等影响，这种影响对于细微颗粒是不能忽视的。边晃层理论弥补了这点不足， 更接近实际情况(但是该理论假设固体颗粒进入壁面边界层后都会被分离， 显然与事实不太相符(特别是在分离器顶盖附近的颗粒是很难被分离的，这 将在后文中详细说明( 1(4 分离器性能指标 衡量分离器性能的指标有很多心”，包括表示分离效果的分离效率，，和分级 效率坼;表示耗能指标的分离器阻力aP;表示分离器对颗粒搐集能力的临界 粒径以;表示生产能力的气体处理量Q;表示经济指标的单位处理量的造价、 操作费及寿命(最为关心的一般为分离效率和压力损失( 1(4(1总分离效率 分离效率是指旋风分离器捕集的颗粒质量与进入颗粒的质量的比值，即 1(15 叩一MM,，x100, 上式中，^t为被分离器捕集的颗粒质量 Kg ，Mi为进入分离器的颗粒质量 Kg ( 通常情况下，总分离效率是最常用的一个评价指标(但是，仅用这一个 指标来评价旋风分离器的性能，还不够全面(因为分离器的分离性能不仅仅 取决于分离器本身，它还受其他因素的影响，如颗粒本身的性质、气体的性 9 旋风分离器内两相流动的数值模拟研究 质等。 在实际应用中，通常颗粒的尺寸并不相同，而且往往符合一 定的分布规 律。此时，在考察旋风分离器的分离效率时，通常用分级效率曲线 GEC 更为准确，它是指某一给定粒径或粒径范围 小范围 的分离效率。同时， 对于分离效率的统计计算，也有一些学者提出其它方法。”。 1(4(2 压力损失 分离器压力损失是评价分离器性能的另一个重要指标。在实际应用中， 如果分离器的压力损失降低，就意味着可以降低风机的耗电量。无论是分离 器的设计者还是使用者都希望分离器能够高效、低耗地运行。 分离器的压力损失是指分离器的总压降，它可分为三个部分“”:进口压 降、分离空间的压降和排气管内的压降，其中分离器内压降占主要地位( 在旋风分离器内，由于气体旋转运动，离心力使得气流的压力发生变化， 设在半径r处取微小距离dr。在西内，气流压力的变化为dP，则有 dP(p竺二dr(p?2，dr 1(16 上式中，p为气体密度，珥为气体的切向速度，埘为气体运动的角速度。设 在半径为ro处建一壁面，此处的切向速度为rooJ，则在,内侧因强制旋流所引 起的压力增加,为 P―r啤一fro。pw2rdr-譬 1(17 同样，在ro的外侧，由旋流引起的压力-1 升30,，并由关系式u,r。??C得到 ,一r啤一J:P喜?-丢碥一衫 一p罢【仨 2―1】二t8， 上式中，R为分离器外壁面半径，指数雄一般取0(7-0(9。 旋风分离器内入口间的理论压差啤即为上式从ro到‘的积分，此时取n 1，则有峨一,(St，有 必辱甜一q 七? 由上式可知，旋风分离器的压力损失正比于入口速度的平方，也正比于 内筒和外筒半径之比的平方。为了描述分离器的压降特征，可将 压降表示为 一个无量纲数 Eu 的形式: Eu。?L t( 1(20 ?:――一 主碍 硕士学位论文 上式中，瓦为旋风分离器筒体中的平均轴向速度，即 1(21 瓦一盈A 上式中，Q为分离器的体积流量，A为分离器简体横截面积。 1(5本文研究的目的和方法 如前文所述，目前旋风分离器在工业生产中发挥着非常重要的作用。但 是人们对其内部的流体运动、气一固分离机理，尚不能建立一套完整、可靠 的理论体系。现有的一些分离效率模型、压力损失模型，往往是些经验、半 经验公式，通用性和准确性都较 差。 ( 旋风分离器在使用上，其性能尚不能令人满意(例如，CFB锅炉普遍存 在的一个问题是飞灰含碳量偏高，其中某型?5t,h的CFB锅炉中飞灰中含碳 量竟然超过30,，造成极大浪费，也对锅炉尾部烟道的安全构成威胁(这其 中最重要的原因就是旋风分离器的分离效率太低，导致燃料不能充分燃烧所 致。 用试验的方法来研究、分析旋风分离器费时费力。由于客观条件所限， 本课题拟通过数值模拟计算的方法，使用成熟的商用软件，来实现对旋风分 离器内部流动特性的数值仿真研究。通过对旋风分离器内部气体流场和颗粒 运动轨迹的分析，提出一种能够提高旋风分离器分离效率的改进方案( 本课题具体的工作如下: l、构建旋风分离器的三维模型，并选择合适的网格划分方法和密度; 2、分析和对比各种湍流模型、离散 格式 pdf格式笔记格式下载页码格式下载公文格式下载简报格式下载 、两相流动模型等。提出一种最 适合旋风分离器的算法: 3、分析研究旋风分离器内气相流场的速度分布、压力分布和湍流一耗散 特征; 4、追踪旋风分离器内颗粒的运动轨迹，计算分离效率，考察不同的参数 变化对分离效率的影响; 5、在前文研究、分析的基础上，提出一种改进方案，并分析其流场特征( 旋风分离器内两相流动的数值模拟研究 第2章数值模拟的基本原理 2(1 CFD简述 现在解算包括旋风分离器在内的各种流体力学问题一般通过以下三种途 径和方法:理论分析、试验研究和数值计算。由于旋风分离器内部流场的复 杂性，而且一些流体力学的基本方程存在非线性项，一般难以得到精确的解 析解。而试验研究方法又往往具有很大局限性和针对性，有时试验的测试装 置 如探针等 还会破坏流场，还要受到一些客观条件的制约，需要耗费大 量的时间和人力、物力。如LDA Laser 速仪 、PIV Particle Image 贵，操作复杂，现阶段在工程现场还不能大量应用。 近年来，随着CFD和电子计算机技术的飞速发展，使得人们越来越普遍 地采用数值计算的方法来研究在工程技术中所遇到的问题。 在流体力学中，各种物理量通常是以场的形式来描述的，我们可以通过 数学方法将这些物理量场离散化，将非线性的偏微分方程离散为线性方程组， 用差商来代替偏导数，可得到数值解。这样，用离散方程逼近连续方程，数 值解近似解析解，离散得越细，逼近程度也就越高。只要逼近的误差足够小， 所得到的数值解就是可用的。 数学上对于某些方程组已经有了相应的解法，如Gauss消去法和 Gauss―Seidel迭代等方法。”。某一个物理量，在迭代一定次数之后，该物理量 的值与上一次迭代的值之间的差的绝对值 残差 小于某一设定值时，就可 以认为所得到的该物理量的值和真实值之间的误差小于某一范围以内了。 但是，要让计算结果的误差在可以接受的范围之内，所要做的计算量往 往是非常巨大的，令人望而却步。随着高速、大容量电子计算机的使用和发 展，才使之变为可能。人们已经用数学模拟计算的方法直接求解工程中各类 计算和设计问题，形成了CFD这一学科分支b”。CFD是伴随着电子计算机技 术的前进而发展的，后者构成前者的基础。CFD最早应用于飞行器的设计计 算，现在已经广泛应用于许多部门n““1，并且在CFD的基础上，结合其他相 Aided 关学科，发展到了CAE ComputerEngineering，计算机辅助工程 这 一概念，进一步拓宽了其在工程实际中的应用范围。 硕士学位论文 在流体力学的研究过程中，理论分析、试验研究和数学计算三种方法将 会互相补充，长期并存。但是按照目前的发展趋势来看，计算所起到的作用 会越来越大。利用计算机对流体力学问题进行数值模拟完全可以在一个虚拟 的环境中控制流体的性质，如流体的密度、粘度等;它对流体的运动不产生 扰动;可以进行一些试验室中所无法进行的试验;特别是它对于一些物理参 数的选择具有很大的灵活性，可以在很大范围内随意调整试验参数，这与试 验室中的试验相比，具有独特的优点。 通过CFD手段获得较为理想的计算数据，主要依赖两个条件:一是要建 立合理的数学模型，二是计算机要有较高的运算速度和精度。其中前者为主 要因素，建立合理的数学模型是CFD求解的根本( 2(2 有限体积法简介 Volume 有限体积法 Finite Method。FVM 又称为控制体积法扭“州，其 基本思路是: l、将计算区域划分为一系列不重复的控制体积，并使每个网格点周围有 一个控制体积;将待解的微分方程对每一个控制体积积分，便得出一组离散 方程。其中的未知数是网格点上的因变量的数值，; 2、为了求出控制体积的积分，必须假定，值在网格点之问的变化规律; 3、对步骤l中的各项按照选型线作出积分，并组成一组关于节点上未知 量的离散方程。 从积分区域的选取方法来看，有限体积法属于加权剩余法中的子区域法; 从未知解的近似方法来看，有限体积法属于采用局部近似的离散方法(筒言 之，子区域法加离散，就是有限体积法的基本思路。 有限体积法在于得出离散方程，利用因变量，在有限大小的控制体积中 的守恒原理，如同微分方程表示因变量在无限小的控制体积中的守恒原理一 样(使得因变量的积分守恒对任意一组控制体积都得到满足，那么在整个计 算区域，自然也得到满足。 法( 2(3 CFD中的湍流模型 湍流 素流 是流体运动的一种常见运动状态。在通常的情况下，流场 的流动一般处于湍流状态，旋风分离器内豹多相流动也为三维强湍流流动。 湍流流动是一种非常复杂的流动方式，目前仍在研究探索之中(人们已 旋风分离器内两相流动的数值模拟研究 经可以通过某些数值方法对湍流进行模拟。不同的湍流模型，有着不同的适 用范围。不同的湍流模型之间的关系见图2(1。 图2,1湍流数值模拟方法及相应的湍流模型 在不计压缩性的情况下，直角标系中，速度矢量H在茸、Y 和z方向上的 分量分别为?、'，和W，湍流瞬时运动控制方程: 连续方程: Vu-0 2(1 动量方程: 2(2a 、7 4 塑Ot+V五一吉罢+幽+E口缸 2(2b 供p两 ’ a靠v+V vu ,吉号一+E 2(2c 、 7 把 3 丝0t+V w -一三P罢+咖+E NumericalSimulation， 对湍流模拟最根本的方法是直接数值模拟 Direct DNS 。”，这种方法是指直接在湍流尺度的网格内求解瞬时湍流控制方程 2(1 和 2(2 ，这时不需要引进任何湍流模型。但是这种方法的计算量相当大，只 14 硕士学位论文 有少数情况可以使用( 另一种方法是非直接数值模拟，该方法则将上述方程做简化处理后求解， 例如用Reynolds方程(包括本文中，一般所说的湍流算法均指非直接数值模 拟方法。 研究湍流运动一般采用时间平均法，将湍流瞬时运动表示为平均运动与 脉动的和，并将描述湍流的控制方程对时间取平均，得到描述湍流平均运动 的控制方程――Reynolds方程。此方程同一般流体运动方程基本一致，除了 具有通常的流体粘性应力以外，还有湍流特有的Reynolds应力。这种应力是 脉动速度的二阶次。因此，Reynolds方程不仅包含流体平均速度，而且包含 脉动速度。这样，湍流平均运动方程组本身不封闭(为了使方程封闭，需要 提出合适的湍流模式(这种模式种类繁多，概括起来有: 1、将湍流应力直接同平均运动速度联系起来; 2、将湍流平均运动同湍流脉动耦合起来求解。 采用前一种模式计算比较简单，但精度稍差，适用范围有限(采用后一 种模式则需要构造新的模型，这方面是研究的课题。 Reynolds时均法中，任一变量毋的时间平均值定义为啪1: 歹‘矗”妒 f妙 2(3 上式中，上标“一”表示对时问的平均值。若用上标””表示脉 动值，物理 量的瞬时值妒、时均值歹和脉动值庐。之间的关系为: ‘ 妒-歹+妒’ 2(4 用时均值与脉动值之和代换瞬时值，即将 撑一孑+露’， 露_厅+越’， y_歹+l’’， 2(5 w-F+‖，P-歹+p’ 代入瞬时运动下的连续方程 2(1 和动量方程 2(2 ，得: V面-0 2(6 盟+v面。一三至+啦+『_芝一型一型I 2(7a 、7 以 P缸 l 缸 西， 瑟I 誓厕一一垮叫一孚雩一誓】 2九 害峋一一净叫霉粤。嗣cz(7c， 上式分别为时均形式的连续方程和N―S方程，由于采用了Reynolds平均法， 旋风分离器内两相流动的数值模拟研究 也称为Reynolds方程。 大涡模拟 LargeEddy 度范围上涡的模拟，用瞬时的N(s方程 2(2 来模拟湍流中的大尺度涡，不 直接模拟小尺度涡，小涡对大涡的影响通过近似的模型来考虑。 目前Reynolds平均法 ReynoldiAveraged 最为广泛的湍流数值模拟方法，该方法不是求解瞬时的N(s方程，而是求解 时均化的Reynolds方程，得到的是时均量的分布。 零方程模型和一方程模型比较直观、简单，但也限制了应用的范围，一 般双方程模型的应用较多。 k―f模型就是一种典型的双方程模型阳“蜘。标准型k一,方程是由Lander turbulentkinetic energy ，是指单位质量流体由于湍流脉动所具有的动能， 可表示为: k(警(i1蝉'2’+?+两 2(8 由上式可知，湍流脉动动能来源予湍流脉动。 s为湍流耗散率 turbulentrate ，是指脉动应力与脉动应变率 dissipation 的乘积，耗散的能量最终会变为热量。 ―?’―?? g一卢串 凸 2(9 伍吒0Xk 卢为湍流粘度 turbulent viscosity ，可表示成k和,的函数， 即 2 ‖-以二 2(10 在湍流运动中，k和,之间的关系可以通过下式表达: e”k” 5一―o_一 2(11 f 上式中，q为湍流模型中试验得出的常数，一般c， o(09，j为湍流尺度，是 和携带湍流能量的大涡尺度有关的物理量。 采用标准k一,模型求解流动问题时，控制方程包括连续方程、动量方程、 k方程、F方程和式 2(10 ，可以用一个通用的形式来表达: af 缸 a’’ 赴 缸’缸’a'，、却’耙、钯’ 如使用散度符号，可表示为; 2(13 巫磐+div pu妒 (div I'g删卅S 硕士学位论文 表2(1与式 2(13 对应的七一F模型的控制方程 妒 方程 扩散系数r 源 项S 连续 1 0 0 x一动量 “ 吻。p+雎 一iap+去?》+-【a, ?av+否a岣iaw +最 Y一动量 1， p嘻’f^,4-flt一考+丢,》+号 嘞争+去t,予+s z一动量 W 物。‖+雎 一罢+去,》 +专心参+丢,警 +瓦 七 湍流动能 p+丝 Gt+ps 吼 g 耗散率 p+盟 量 气q―c2(雕 oI 速度梯度引起的湍流脉动动能七的产生项，可由下式计算 q一一档，鼍 2(14 实践证明，标准七一E模型司以满足绝大部分情况F的要求，但是由于它 是建立在各向同性假设上的，不太适用于强旋流动等情况(为此，很多学者 七一,模型和Realizable七一F模型就是其中应用比较广泛的两种( 模型上发展而来的，其基本方程如下: 2(15 ‘。 砸 溉 缸。„”缸。’ 了a pk +掣-毒 4I物毒+GI+‖ 舰缸。„”觑;’七„七 mat 上式中，峋一p+一，鸬一孵譬，akm1(39，《-气一可,7 1-,7,,70 ， 旋风分离器内两相流动的数值模拟研究 q|1,42 与标准(i 一,模型相比，RNG k―F模型在于对湍流粘度和,方程进行了修 正，有一个附加生成项，该项随流动的畸变程度而变化，当流动快速畸变时， 这一项将变得很大，由此反映了主流的时均应变率历，，体现了平均应变率对 耗散项的影响，使得RNGk一,模型更适合于高应变率及流线弯曲程度较大流 动的计算。而且，RNGk一,模型中的一些常数是靠理论推导得出的而不是经 验常数，所以其有着更好的适应性。 Stress Model，RSM 也是一种常用的湍流模型， 雷诺应力模型 Reynolds 该模型彻底抛弃了各向同性的Boussinesq假设，考虑了湍流各向相异效应。 该方程为七方程模型，从计算精度上来讲，优于各种k一,模型，但是计算也 更加复杂( 2(4 气 液 固两相模型 旋风分离器中的流动，就是一种气一固两相流动。 因为多相流动本身有很多理论模型还不够成熟，所以多相流动的数值模 拟一直是CFD和多相流领域中的难点和热点问题。随着研究的深入，多相流 模型也在不断地完善和发展着H“”’，表2(2给出的是不同两相流动模型间的比 较。 一般气固两相流的模型有以下三种“”:单流体模型、双流体模型、 Euler-Lagrange模型，下面对这三种模型及其基本方程作简单介绍: 2(4(1 单流体模型 单流体模型也称无滑移模型，该模型与单相流体模型相比，只是物性参 数和本构关系不同。 设B为固体颗粒的密度，Pl为流体密度，,7(为混合物 的密度，?为混 合物内固体的体积，,为混合物内流体的体积，圪为混合物的总体积，则有 圪-?+?a设4，为固相的容积系数，即4，一?,圪，则 2(17 p_-口ppp+ 1一aP p，一p，o+P,o 其中，p。和妒，。分别为混合物中固体和流体的加权密度。设固体颗粒和 流体的速度分别为,,p和“，，颗粒相和流体相的湍流扩散系数分别为Dp和D，。 单流体模型认为: 1、所有固体颗粒的移动速度等于当地流体的流动速度，即“。-?，一H; 2、颗粒相的湍流扩散系数与流体相的湍流扩散系数相同，且等于混合物 的湍流扩散系数，即D。一D，-D; 硕士学位论文 3、气 液 固两相间的相互作用视作类似于流体混合物中各组分的相互 作用，不考虑流体与固体颗粒之间的相互作用力( 那么单流体模型的基本方程为: 连续方程: 警+V’ 以H， 一o 无相变情况 2(18 动量方程: 成争一叫w柙‘弓 眩? 其中，g是重力加速度，L是流体的应力张量，其定义和描述见下面的双 流体模型( 表2(2各种两相流模型的比较 颗粒 相对 颗粒相 颗粒相模 流体 基本观点 相问滑移 坐标体系 输运性 型 流动 质 的影 响 单颗粒动 不考 无 扩散 力学模型 离散体系 有 Lagrange 虑 冻结 SPD 小滑移模 不考 有 滑移 连续体系 有 Lagrange 型 SS 虑 扩散 无 动力学 无滑移模 部分 平衡，热力 有 扩散 连续介质 Eulef 型 NS 考虑 学平衡或冻 平街 结 无 确定 颗粒轨道 全部 轨道 离散体系 有 Lagrange 模型 PT 考虑 有 随机 轨道 拟流体 多 全部 流体 模型 连续介质 有 Eu|er 有 考虑 MF 19 旋风分离器内两相漉动的数值模拟研究 2(4(2双流体模型及基本方程 该模型也称连续介质模型，在双流体模型中，颗粒和流体的速度均认为 由当地的平均量和随机分量组成。此时，由气 液 固两相组成的速度场存 在以下的相互作用: 1、由气 液 固两相平均速度差产生的固体与流体之间的相互作用为 0，一嚣r ，它导致颗粒运动的非随机部分的力; 2、 由气 液 固两相脉动速度差产生的固体与流体之间的相互作用为 @，‘,u, ，它引起两相速度分量之间各个方向上的动量交换，可以阻尼或增大 流体和颗粒速度的脉动; 3、 由颗粒间的脉动速度和平均速度之间相互关联引起的相互作用为 @，,Up +O，。一距，‘ ，形成颗粒群内的应力，和视在粘度; 双流体模型的连续性方程和动量方程为: 流体相: 等+v( plul 一0 2(20 颗粒相: aafp_1+V??扣以 一o 2(22 ‖降也啊】-pPg-F+V(【帅，玛】 2(23 位体积内相间的相互作用力，乃和乃分别为颗粒相和流体相的应力张量。 根据应力张量的定义: 乃。矗+易 2(24 其中,和乃分别为流体的粘性应力和雷诺应力。,对应于O，一“， ，而靠对 应于@，’,“，’ ??在直角坐标系中，有: , I p"p声I。Ipp "? F I一以l 1 l‘2??’ 1， 儿,艮 4-0 。 P52a 汜0 p口 如如JI P》4-针P以八0p*l,u ，J-((-(?-_(--__, 矧。 譬P 即 靠-D―p(6 2(26 p#‘d#一p-岛 2。27 其中，嘞为偏应力张量，岛为二阶单位张量的分量?? 乃一卜p+似一言口 v。H，心+2peq 2??28 其中，‖为粘性系数，A为第二粘性系数，知为变形率张量的分 量( 勺嘞-三2阻"#xj+挈 2(29 对于瓦，可以写成 p0 2( 易一 p_P0l P 0P P 3娩 I 曩 可 4J 啦矧 p4一一pfI,,ji,(Ijl―p^ 02(31 上式为雷诺应力，它是一个二阶张量。 为模拟‘，如图2(2所示，考虑由牛顿流体和均匀圆球粒子组成的气 液 混合物中任意控制体积K，控制体可分解为Ca阴影表示的颗粒部分,和非阴 影的流体部分巧??相应的，控制面s也可分髌为Sp和S，??‘可以表示为 ‘。‘+&+弓 2(32 其中，k是颗粒碰撞造成的颗粒通过&的动量交换率，它与0，一H， 相关联; ,是由颗粒的随机运动引起的动量交换;&一 缈:?; ，它与?，’一?，’ 相关 联;弓为“颗粒存在应力”，因为这种应力不是颗粒运动的结果，而是流体运 动时，颗粒存在所导致的结果。 图2(2周液 气 混合物的控制体 旋风分离器内两相流动的数值模拟研究 同时，与湍流模拟类似，有的学者开也始用DNS方法来解决多相流动的 数值模拟问题H”，但是受限于计算机的硬件水平，目前这种方法应用还较少。 2(4(3 EuI er-Lagrange模型及其基本方程 对流体相采用常规的Euler方法描述，对于颗粒相，则考虑颗粒尺寸不同 的情形，对颗粒尺寸进行分组，即采用“计算粒子”的概念， 将颗粒群分成 ,组，每组称为一个计算粒子，它包含帆个具有相同速度和位置 的颗粒。将 单位体积内k类粒子的数量用npk，则颗粒相的连续性方程为: 警+v(哌?-o 2(33 在Lagrange坐标系中考虑颗粒运动时，对单个颗粒或计算 粒子的动量方 程可由牛顿第二运动定律给出: 珥。车(即， 2(34 7 df 上式中，m。为颗粒的质量，即为颗粒所受力的合力，下面对旋风分离器 流场中刚性球形颗粒上的受力进行分析H‘11: 2(4(3(1阻力 曳力 阻力是指颗粒在静止流体中匀速运动时流体作用于颗粒上的力。根据运 动的相对性，若来流是完全均匀的，则颗粒在静止流体中运动所受的力和运 动流体绕流固体颗粒时的作力相等。 阻力是由压差阻力和摩擦阻力组成的。由粘性流体力学的知识可知，颗 粒在粘性流体中流动时会在颗粒表面产生一个粘性附面层，球面上的某点的 压强随该点对于流体的迎角的变化而不同。颗粒会受到与来流方 向一致的合 力，称为压差阻力。另一方面，颗粒表面上的粘性切应力的合力方向也与来 流方向一致，称为摩擦阻力。因此，颗粒在粘性流体中运动时，流体作用于 固体颗粒上的阻力由压差阻力和摩擦阻力所组成。一般把阻力凡写成 兄-co吉p，o，一口， 2A 2(35 上式中，A为颗粒的迎流面积，A??石‘:r，为颗粒的半径或当量半径;G为 阻力系数。上式考虑了颗粒与流体之间的相对速度，阻力E的方向与石一i 的方向一致。 从理论上讲，巳可以从不可压缩粘性流体绕球运动的N(s方程中获得。 如前文所述，只有在极少的情况下能够获得N(s方程的解析解;一般情况下c。 要通过试验来确定。 硕士学位论文 如果，，或I石一i” 常小，则往往属于低雷诺数流动(低雷诺数流动阻力 计算公式可采用Stokes公式和Ossen公式。 由于在固体颗粒Re很低时，可以忽略N(S方程中的粘性项。解得流体作 用于球体上的力为: 其中，?为流体动力粘性系数。 对于气相，可按下面的经验关系式计算: p-1(1846x10。7‖矿 ea‘$ 2(37 其中，以和乙分别是气相平均相对分子量和气相温度?? 由式 2(36 可知，阻力中三为压差阻力，弓为摩擦阻力， 由于没有考虑 惯性项，阻力与乃无关?? 由阻力公式可得阻力系数为: ,-瓦24 Rc 1 2(38 式中，Re为颗粒雷诺数， Re(堡垒区二习 2(39 流动称为Stokes流动，Ck称为Stokes阻力系数( Ossen于1910年近似地考虑了惯性项，他得到流体作用于球体上的力为: E16a?r, u,一HPxl+孟Re ， ‘2加 阻力系数为: Rc 5 2(41 cD一芸 1+ee 上式称为Ossen阻力公式( 相应地，在更广的雷诺数范围内Cj可由下式获得: 1 G(廖o-o+i鼬胡，芝耋:P,’„” 424(0，舵2c (0(424 在实际的多相流系统中。颗粒群阻力的大小往往还要受到其他因素的影 响，因此，在很多情况下，就需要对阻力系数进行修正。修正系数多来源于 旋风分离器内两相流动的数值模拟研究 2(4(3(2颗粒加速度力 颗粒加速度力是颗粒在加速度运动时流体作用于颗粒上的附加力，包括 附加质量力和Basset力。 当颗粒在无粘流体中作加速运动时，它要引起周围流体也随之作加速运 动 在这里不是指由于流体粘性