（工程热物理专业论文）柴油机排气旋风分离器中的流场及微粒分离规律的研究.pdf

j e 塞銮煎太堂砸兰垃论塞虫室撞蓦 中文摘要 近年来，随着汽车保有量的增加，汽车排放已经逐步成为城市大气污染的主 要来源。特别是汽车捧气微粒，由于其粒径较小，吸附有害物质多，已逐渐成为 威胁人类健康的巨大隐患。旋风捕集是柴油机排气微粒一种有效的后处理技术， 系统地研究旋风分离器性能的影响因素及影响规律，对于改善及提高柴油机排气 旋风分离器的性能具有重要的意义。 本文建立了直流式旋风分离器的几何模型，根据柴油机排气气流的特性，确 定了合理的计算区域和边界条件，得到合理的计算网格文件。通过f l u e n t 软件， 利用r n gk - e 湍流模型对旋风分离器气相流场进行了数值模拟，包括气流速度场 及压力场的研究分析。系统分析了分离器内切向速度、轴向速度及径向速度的分 布规律；模拟研究了不同入口气流温度、不同入口气流速度、不同出口管直径以 及不同出口管插入深度等因素对旋风分离器内压力场的影响；初步模拟了周期性 脉动入口气流对旋风分离器内的速度场及压力场分布的影响。 本文参考有关文献及研究结果，通过适当的假设和简化，采用拉格朗日坐标 系下的离散项模型模拟研究了柴油机排气微粒在旋风分离器内的分布及运动规 律。包括：模拟分析微粒运动轨迹，不同微粒粒径、不同微粒入射速度、不同入 口气流温度等微粒参数及分离器操作参数对分离效率的影响，以及不同出口管直 径和不同出口管插入深度等分离器结构参数对分离效率的影响。研究结果表明， 根据柴油机排气的特点以及在其它条件一定的情况下，增加微粒粒径或入口气流 速度，微粒所受的离心力就增大，微粒的分离效率也就随着提高；增加入口气流 温度或出口管的直径会使分离器内的总压降减小，从而降低微粒的分离效率；加 长出口管插入分离器筒体内的深度，会使分离器内的总压降增加，对粒径小于2t t m 的微粒的分离效率开始增加而后出现下降趋势，而对粒径大于2t t m 的微粒的分离 效率却始终呈现增加的趋势。 本文的研究成果可以为机动车排气后处理技术的研究及发展提供有价值的参 考数据。 关键词：柴油机；旋风分离器；数值模拟；f l u e n t 流场；性能；脉动气流 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，p o l l u t a n te m i s s i o nf r o m m o t o rv e h i c l e sh a sb e e no n eo f t h em a j o r a i rp o l l u t i o np r o b l e m s e s p e c i a l l yt h ep a r t i c u l a t ee m i s s i o n n 地p a r t i c l e sa 1 er e s p o n s i b l e f o rh e a l t hp r o b l e m sd u ed ot h e i rf i n es i z ea n dt o x i cc o m p o s i t i o n s a so n eo ft h e e f f e c t i v ed i e s e le n g i n ee x h a u s ta r e r - t r e a t m e n tt e c h n o l o g y , t h ec y c l o n es e p a r a t i o n b o o o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t i ti sn e c e s s a r yt om a k ed e e pr e s e a r c hf o rt h e p e r f o r m a n c ea n dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so f c y c l o n es e p a r a t o r s a na x i a lf l o wc y c l o n e , w i t hat a n g e n t i a li l l l e t , w a sc r e a t e di nt h i st h e s i s n 帕 s i m u l a t i o nd o m a i na n db o u n d a r yc o n d i t i o n sw e s p e c i f i e da c c o r d i n gt ot h ee x h a u s t c h a r a c t e r i s t i c so fad i e s e le n g i n e , a n dt h e nt h ep r o p e rc o m p u t a t i o n a l 鲥dw a se x p o r t e d t h er n gk - ee d d yd i s s i p a t i o nm o d e lw a su s e df o r t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no f t h ef l o w f i e l do ft h ec y c l o n es e p a r a t o r t h ev e l o c i t yf i e l d ，i n c l u d i n gt a n g e n t i a lv e l o c i t y , a x i a l v e l o c i t ya n dr a d i a lv e l o c i t y ，a n dt h ep r e s s u r e f i e l di nt h ec y c l o n es e p a r a t o rw c r o s i m u l a t e d ，c o n s i d e r i n gt h ef a c t o r so f d i f f e r e n to p e r a t i n gt e m p e r a t u r e s ，d i f f e r e n ti n l e tg a s v e l o c i t i e s , a n dd i f f e r e n to u t l e tp i p ed i a m e t e r s , e t c m o r e o v e r , i nv i e wo ft h ee f f e c t so f u n s t e a d yg a si n l e tv e l o c i t y , s o m er e s e a r c hh a db e e nd o n et op r e d i c tt h ef l o wf i e l di nt h e c y c l o n es e p a r a t o r b a s e do nt h er e l a t i v er e f e r e n c e sa n dr e s e a r c hf i n d i n g s ，t h em o t i o nr u l e sa n d d i s t r i b u t i o n so ft h ep a r t i c u l a t e sw e r es i m u l a t e dw i t hc o m m e r c i a ls o f t w a r ef l u e n t a r e rs o m eh y p o t h e s i sa n ds i m p l i f i c a t i o ni nt h el a g r a n g e - c o o r d i n a t e t h es e p a r a t i o n e f f i c i e n c yo ft h ec y c l o n es e p a r a t o rw a ss i m u l a t e d , c o n s i d e r i n gd i f f e r e n tp a r t i c u l a t e d i a m e t e r s , p a r t i c u l a t e 刎c c t i o nv e l o c i t i e s ，g a st e m p e r a t u r e sa n do u t l e tp i p ed i a m e t e r s a n ds oo n t h em o v i n gt r a c k so f p a r t i c l e sw o r ea l s oo b t a i n e di ns o m ec o n d i t i o n su s i n g t h es o f t w a r ei nt h i st h e s i s n er e s u l t ss h o wt h a t , c o l l e c t i o ne f f i c i e n c yi sd i f f e r e n ti n d i f f e r e n tc o n d i t i o n s t h er e s u l t so ft h i sp a p e rc a nb ev a l u a b l ed a t af o rs t u d ya n dd e v e l o p m e n to f e m i s s i o nc o n t r o lr e g u l a t i o n s k e y w o r d s ：d i e s e le n g i n e ；c y c l o n es e p a r a t o r ；, n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；f l u e n t ；f l o w f i e l d ；p e r f o r m a n c e ；f l u c t u a t i n gf l o w 致谢 本论文的工作是在我的导师宁智教授的悉心指导下完成的。从论文的选题、 方案论证、研究内容和方法的确立，直到论文结构编排的整个过程，都倾注了导 师大量的心血宁智教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和 影响。在此衷心感谢三年来宁老师对我的关心和指导 宁智教授悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习和生活上都给予我很 大的关心和帮助，对我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此向宁智 老师表示衷心的谢意! 另外，还要十分感谢陈琪、陈梅倩老师，在我的科研工作期间，给予的热情 关心和指导。 在实验室工作及撰写论文期间，同窗好友尹景娟、张吉军、付娟，师弟陈小 明、卢晓、聂磊，师妹陈红，舍友李蓓、尹大燕、吴冬梅同学以及中国科学院工 程热物理所的刘长春同学，他们对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向 他们表达我的感激之情。 多年在外求学，离不开亲人的支持和帮助，借此机会向我的父母和兄妹表示 深深的谢意。 最后诚挚地感谢在百忙中评阅本论文的诸位专家。 l 绪论 1 绪论 近年来，随着汽车保有量的增加，汽车排放已经逐步成为城市大气污染的主 要来源。特别是汽车排气微粒，由于其粒径较小，吸附有害物质多，已逐渐成为 威胁人类健康的巨大隐患。旋风捕集是柴油机排气微粒一种有效的后处理技术， 系统地研究旋风分离器性能的影响因素及影响规律，对于改善及提高柴油机排气 旋风分离器的性能具有重要的意义。 1 1 旋风分离器简介 1 1 1 旋风分离器的基本结构 旋风分离器是一种利用气固两相流体的旋转运动，使固体微粒在离心力的作 用下从气流中分离出来的设备由于它结构简单、设备紧凑、无相对运动部件、 价格低廉、操作维修方便，且可以满足不同生产特殊要求，所以被广泛应用于化 工、能源、矿山、炼油、食品、建材、环保等众多行业，成为最常用的一种分离 除尘设备。近年来，随着人们环保意识的加强、炼油厂催化烟气能量回收、煤的 清洁燃烧、旋涡流化床、蒸汽燃气联合循环等高新技术的应用和发展以及汽车排 气后处理技术中旋风捕集技术的研究及发展，对旋风分离器的研究再次受到重视。 根据分离器入口结构的不同，主要适用的旋风分离器入口形式有：圆形或管 形入口、矩形入口、环绕式( 螺旋或蜗壳式) 入口及导向旋流叶片入口等4 种。 根据分离器本体形状的不同有：筒锥组合型和直简型。 根据分离器气流进出方向的不同，常见的有两种形式。净化气从分离器顶板 排出的称为“逆流式”，气体与微粒都从分离器底部方向排出的称为“直流式”， 直流式旋风分离器常采用直筒型结构。如图1 1 所示的是常用的切向逆流式及切向 直流式旋风分离器【l 】。一般旋风分离器由入口管、出1 ：3 管、排尘管、圆筒体和圆锥 体等几部分组成。各部分的结构又都有几种形式，从而又组成了各种类型的旋风 分离器，但是它们的分离原理都是一样的，只是在性能上有些差异，以适应各种 不同的用途。由于对逆流式旋风分离器的研究已经很多，对直流式的研究却很少， 所以结合本课题，本文采用的是切向直流式旋风分离器。 北京交通大学硕士学位论文 ( a ) 切向逆流式 图卜1 旋风分离器简图 1 1 2 旋风分离器的工作原理 ( b ) 切向直流式 图1 1 中的( a ) 图为一种标准形式的切向筒锥形逆流式旋风分离器的示意图， 图中显示了其内部的流态情况。当含有微粒的气体由入口管进入旋风分离器后， 由于筒壁的约束作用，气流将由直线运动转变成圆周运动，旋转气流的绝大部分 沿器壁成螺旋形向下，朝锥体流动，通常称为外旋流。含有微粒的气体在旋转过 程中产生离心力，将重度大于气体的微粒甩向器壁，微粒一旦与器壁接触，便失 去惯性力而靠入口速度的初始动量随外螺旋气流沿壁面下落，最终进入微粒捕集 腔。旋转向下的外旋气流在到达锥体时，因圆锥体形状的收缩，根据“旋转矩” 不变原理，其切向速度不断提高( 不考虑壁面摩擦损失) 。另一方面，外旋流旋转过 程中使周边气流压力升高，在圆锥中心部位形成低压区，由于低压区的吸引，当 气流到达锥体下端某一位置时，便向分离器中心靠拢，即以同样的旋转方向在旋 风分离器内部，由下反转向上，继续作螺旋运动，称为内旋流。最后，净化气流 经出口管排出分离器外，其中有一小部分未被捕集的微粒也由此逃出。气体中的 微粒只要在气体旋转向上排出前能够碰到器壁，即可沿器壁滑落到微粒捕集腔， 从而达到气固分离的目的【z j 。 切向直流式旋风分离器的分离原理与切向逆流式的相似( 如图卜1 中的( b ) 图) ， 只是在性能上有些差异，即含尘气体在旋转过程中产生离心力，将重度大于气体 的微粒甩向器壁，微粒一旦与器壁接触，便失去惯性力而靠入口速度的初始动量 随旋转气流沿壁面下落，最终落入微粒捕集腔，即简体本身底部，其中有一小部 2 l 绪论 分未被捕集的微粒由气体出口管排出而逃逸，而旋转向下的气流一部分直接从气 体出口管捧出，一部分在到达筒体本身底部后反转沿气体出口管外简壁上升，到 达出口上端面后进入出口管捧出，从而达到气固分离的目的 1 2 旋风分离器的性能指标 作为工业运用最广泛的烟尘净化设备之一的旋风分离器，其主要的性能指标 有：表示生产能力的处理气量q _ ，表示分离效果的分离效率，7 及表示能耗指标的 压降a p 下面，将分别给予详细介绍： ( 1 ) 处理气量q i 处理气体流量是代表旋风分离器处理气体能力大小的指标，一般以体积流量 表示。实际运行的分离装置，由于漏气的原因，旋风分离器的入口与出口的气体 流量往往不同，因此，宜用两者的平均值代表处理气体流量，用q l 表示，即： 级= 垃笋 卅1 ) 其中：q 处理气体流量，1 1 1 3 h ： q k 旋风分离器的入口气体流量，o m ； q 。旋风分离器的出e l 气体流量，m 3 h 。 旋风分离器的漏风率艿可以用下式计算： 如 l o o ( 1 - 2 - 2 。) q m 【1 ( 2 ) 分离效率r 旋风分离器的分离性能，通常用分离效率来表示。旋风分离器的分离效率通 常用总分离效率和分级效率两种表示形式。 在旋风分离器运行中，考虑三部分微粒：进入、搪集( 或者称作收集或“底流”) 和“排放”( 或逃逸或损失) 。分别用符号肘，、m 。和肘。来表示它们的质量( 或者 质量流量) 。旋风分离器中的微粒质量平衡关系为： m = m c + m 。 总分离效率玎可简单用旋风分离器捕集的微粒质量与进入的微粒质量的比值 来计算： 玎专小参= 丽m c 卅s ， m rmfm + m 其中：m 。旋风分离器捕集( 或者称作收集或“底流”) 的微粒质量，k g ，l l ； 3 北京交通大学硕士学位论文 m e 旋风分离器排放( 或逃逸或损失) 的微粒质量，k e , h ； m ，旋风分离器的进口气流所含微粒质量，k g h 。 在工业等过程中，总分离效率通常是一个最常用的评价指标。但是，对表征 某个具体的旋风分离器本身的分离性能而言，这个指标并不全面，且受到很大局 限性。它除了与分离器的结构有关外，还受到微粒的性质、气体的性质、运行条 件等因素的影响。即使在同一装置、同一运行条件下，由于微粒分散度的不同， 其性能也有显著的差别。因此，除非入口条件完全相同，总分离效率不宜用来比 较不同的旋风分离器的分离性能。 分级效率：该理论是根据微粒的质量守恒定律，同时对分离器几何尺寸、流 场和微粒运动作一些简化假设，直接计算所有粒径范围的微粒和任何尺寸的旋风 分离器的分离效率，它能够更好地反映旋风分离器自身的性能。分级效率是按粒 径的不同分别表示的分离效率，如下式所示： ”笋_ l _ 磐( 1 - 4 ) l f a f 其中：c ，、e 、e 分别为进入分离器、被捕集下来、选出分离器的总的微 粒质量，k g h ； x ，、j ，c 、置分别表示进入分离器、被捕集下来、逃出分离器的粒径 为d 。的微粒份额，无量纲。 分级效率是对某一特定直径的微粒而言的，说明的是分离器对直径为d 。的微 粒的分离效率，与总分离效率相比，它更能说明分离器的分离性能。 总分离效率与分级效率的关系为： r = r ；一( 1 - 5 ) 其中：x ，表示粒径为d 。的微粒筛分份额。 ( 3 ) 压力损失p 旋风分离器的压力损失是评定其性能的另一个重要技术指标，它表示气流通 过旋风分离器时的压力损失，是衡量分离器能耗和运转费用的一个重要指标。 旋风分离器的压力损失主要包括以下几个方面：( 1 ) 入i ：1 管的摩擦损失；( 2 ) 气 体进入旋风分离器后的突然扩大造成的能量损失：( 3 ) 气体在旋风分离器中与器壁 的摩擦所引起的能量损失；( 4 ) 旋风分离器内气体因旋转而产生的动能耗损；( 5 ) 进 入出口管时的突然缩小造成的能量损失；( 6 ) 出口管内的能量损失等6 项【3 1 ，其中 以第( 4 ) 项及第( 5 ) 项为主。 通常，压力损失用旋风分离器进、出口平均总压之差来表示，即： 4 1 绪论 a p - - 僻) ，一僻) 。 ( 卜6 ) 而 总压( e ) = 静压( ) + 动压( 另) ( 1 7 ) 在压力损失的计算中，常常引进一个阻力系数善，定义为旋风分离器的压力损 失与进口动压头之比，即： 所以，有 掌2 网a p 奸= 专笔r 阻力系数的计算公式较多，在此不一一列举。 1 3 课题的研究背景及意义 1 3 1 课题的研究背景 o - s ) ( 卜9 ) 内燃机从发明到现在已经有一个多世纪了，它为人类文明的发展起了极其重 要的作用。到目前为止，内燃机仍然是热效率最高的动力装置，它所发出的功率 是世界所有动力装置的9 0 1 4 1 。预计在以后相当长的时间内内燃机将继续在交通运 输中扮演重要角色。然而，内燃机工业的发展在环境保护问题上面临严重挑战。 全球环境污染问题日益严重，而悬浮微粒是一种主要污染物。在一些工业发 达国家，由于空气中的微粒浓度过高已经引起了各种各样的问题：微粒影响空气 的透明度及环境美观，更重要的是影响人体健康，损害动植物的生长，侵蚀材料、 建筑。运输车辆排出的微粒由于具有尺寸小、重量轻、离地面近、并含有致癌的 化学物质，使其危害程度远远超过了其他物质所产生的微粒。而对于以柴油为燃 料的车辆，微粒是其主要的排气污染物。 柴油机由于其具有功率范围宽，热效率高等特点，在石油能源日益紧张的现 代社会中得到广泛应用。以机动车为例，近年来柴油车比例逐年上升，据估计到 2 0 1 0 年我国柴油车将达到1 2 0 0 万辆，约占汽车总保有量的2 6 t 习。尽管柴油机有许 多优点，但是其排气会使大气环境恶化。柴油机排放物中c 0 、h c 比汽油机少，尤 以c 0 差别最大，在大负荷情况下，柴油机和汽油机的n o x 的排放量在差不多的范围 内变化，但是微粒排放量柴油机的要比汽油机的高出几十倍 6 1 。其微粒的主要组成 为固态的未燃碳微粒的聚合物、可溶性有机微粒物( s o f ) 和无机盐类，而柴油机微 粒对人体健康的危害与其特性有着直接的关系。研究表明，大于1 岬的微粒在空气 5 北京交通大学硕士学位论文 中主要作沉降运动，一般难以进入人体呼吸道；小于l p m 的微粒则在空气中作随机 悬浮运动，这些微粒能经呼吸道深入到人体肺叶中。较小的微粒甚至还会被血液 所吸收。微粒越小，悬浮空气中的时间就越长，这样就增加了微粒接触人体的机 会，也增加了微粒在大气中受阳光和其它物质作用而发生化学反应的可斟”。长期 直接接触汽车排气物的人群，呼吸道疾病发病率升高，人体免疫功能降低。多种 研究表明，机动车排放物可导致基因突变及d n a 损伤，并可增加癌基因蛋白的表现 几率。由于这种可吸入微粒物对人体健康有着密切影响，已成为气溶胶研究和大 气污染监测的重要内容【吼。因而，进行柴油机微粒排放控制方面的研究工作是十分 重要的。 ， 对于降低微粒排放的措施主要集中在以下几个方面：燃烧系统的改进优化，燃 油的改进、改质和代用燃料的研究以及柴油机排气后处理技术的研究。通过改进 燃油系统可以在一定程度上减少微粒的排放量，但是却导致了n 0 ) 【排放的增大，即 系统改进技术在降低n 0 。和p m 方面存在所谓的t r a d e - o f f ( 折衷) 关系，也就是说，降 低n 仉排放会使p m 排放的增加，反之亦然。而现有的各种燃料改质及代用燃料还有 许多问题需要解决，如提高燃油品质在一定程度上受制于石油冶炼技术，同时控 制p m 和n 瞒排放的效果有限，目前最直接有效的降低微粒的排放控制技术是排气后 处理技术。因此，随着排放标准要求的不断提高，借助排气后处理技术来满足日 益严格的排放标准势在必然，而旋风捕集就是其中的一种。旋风捕集的优点在于 无移动部件、结构简单、性能稳定、价格低廉、不要再生、有一定的捕集效率。 由于柴油机微粒粒径很小，大部分在亚微米粒径范围，因此一般的分离效果不大， 对于这样粒径范围的微粒在旋风分离器中是如何运动及沉降的，其分离性能如何 以及受哪些因素影响等是本课题研究的重点。 1 3 2 课题的研究意义 柴油机排气属于气固两相流，国内外用旋风分离器对柴油机微粒排放进行控 制还不是十分成熟，但从七、八十年代到现在一直有人从事这方面的研究。对于 柴油机排气，其性能特点是高温、高压、气流速度大，尤其是气流具有脉动性能， 且排气微粒细小。虽然旋风分离器在工程上得到广泛应用，但是在车上应用的却 极少，因此就有必要对捧气后处理技术中的旋风捕集技术进行进一步的研究，为 排气后处理技术的发展提供一定的依据。 近几十年来，随着计算机技术的进一步发展，出现了计算流体力学 ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s - - c f d ) 商业软件，它们在旋风分离器内部流场分 布研究中得到广泛应用，求得旋风分离器内气固两相流的运动发展和变化趋势， 6 1 绪论 并在应用的过程中逐步成熟起来。计算工具只用计算机，因此具有周期短、见效 快、费用低、信息量大、实用性强、能够充分反映旋风分离器几何结构和操作条 件对内部流场和分离效率的影响等优点。这已成为旋风分离器研究的重要手段之 一尽管计算流体力学还没有完善到完全取代实验的程度，但近一、二十年的发 展已经呈现诱人的前景。因此运用计算流体力学理论，发展数学模型并加以模拟 是解决工程实际问题、探索分离器内部流动和分离效率的切实可行的有效手段。 随着数值模拟研究旋风分离器内部复杂流场的深入，对于用计算流体力学软 件来模拟高温高压及亚微米粒径的柴油机排气微粒在旋风分离器中的运动及沉降 规律来说是可行的。因此本课题便应用数值模拟的方法，即利用计算流体动力学 c f d 的f l u e n t 软件包来研究柴油机排气在旋风分离器中的流场及微粒运动分离规 律。由于国内外各研究者对逆流式旋风分离器研究已经比较成熟，而对直流式旋 风分离器试验、理论或数值模拟的研究较少，所以本课题就针对切向直流式旋风 分离器，研究其气相流场特性、微粒运动轨迹以及旋风分离器结构参数、操作参 数等对其分离性能的影响，着重分析微粒在旋风分离器中的分离特性，为今后深 入研究如何提高分离效率提供依据，并为柴油机排气后处理技术的发展及研究提 供有价值的参考数据。 1 4 国内外研究现状 1 4 1 旋风分离器分离性能的研究现状分析 旋风分离器广泛运用于空气污染控制、微粒取样气固分离以及工业应用。随 着应用场合特殊化( 例如在高温高压的操作条件下) 和结构微型化( 例如可吸入微 粒物的采样) 等的发展趋势，旋风分离器已显示了独特的不可替代的作用，而且对 其技术经济指标的要求愈来愈高。在旋风分离器的技术经济指标中，分离效率( 包 括分级效率和总效率) 是重要的经济指标之一，也是对旋风分离器性能的预测评价 和结构优化的重要参数。而作为分离效率的预测模型，也从2 0 世纪6 0 年代以后， 在国内外己取得广泛的研究。 ( 1 ) 国外研究现状 d i e t z 9 于1 9 8 1 年基于t o tl i n d e n 的实验结果，将旋风分离器内的气固两相分离 区域划分为三个区域即：入口分离区域、下降流分离区域和上升流分离区域，并 根据d l e i t h 和w l i c h t 的横向混合模型的思想，推导出了旋风器内气固两相分离模 型。在简体直径为2 0 0m m 的旋风器上，采用燃煤飞灰作为固相颗粒进行分离实验 7 北京交通大学硕士学位论文 时，模型的预测结果与实测结果比较吻合 m o t h e s 和k 甩一1 0 i 1 于1 9 8 8 年将d i e t z - - 分离区域的假设扩展为四分离区域， 即在原有基础上增加了排气芯管分离区域，从而修正了d i e t z 模型对于分离过程预 测的不连续性，弓l 入粒子沉降系数修正了旋风器内、外涡固相的浓度扩散效应， 并考虑了排尘口底部的返混现象和浓度的径向梯度变化，提出了另一分离模型， 模型的假设条件比较接近旋风器内实际的分离状况且考虑较为全面。在简体直径 为1 9 0m m 的旋风器上，该模型的预测结果与实测结果相吻合。 c l i t t l l 2 】等于1 9 9 1 年根据已有的实验数据比较了d 酗t l l 和w l i c h t 模型、d i e t z 模型及m o t h e s 和l o m e r 栲 型三种旋风器内气固两相分离模型。结果表明，d 。l e i t h 和w l i c h t 模型在计算气流在旋风器内的平均停留时上有一定的局限性，并在其假 设条件下重新推导了d l e i t h 和w l i c h t 模型，计算结果表明分级效率图为s 形曲 线；d i e t z 模型亦存在同样的问题，但在小直径旋风器的固相颗粒物分级效率预测 上，d i e t z 模型仍具有一定的准确性；而m o t h e s 和l o f t i e r 模型总体上优于其它两个 模型。 w s ，鼬m 和j w l e e l l 3 】于1 9 8 9 年同时考虑湍流扩散和边界层固相颗粒的沉降 作用，将旋风器内部分为两个主要的分离区域即湍流核心区和近壁边界层区，根据 m o t h e s 和l o f t l e r 以及e n l i a n g 和y i n g m i n 分离模型，推导出了基于边界层特性的旋风 器气固两相分离模型，并于2 0 0 1 年在此基础上进行了改进1 1 4 1 。与实验对比的结果 表明该模型的实用性较好。但其边界层条件的简化仍需进一步探讨。 ( 2 ) 国内研究现状 国内关于旋风器分离模型的研究较晚，大约始于2 0 世纪9 0 年代，并有相当一 部分借鉴了国外旋风器分离模型的研究思想，代表性的研究有： 向晓东【l5 j 于1 9 9 0 年考虑固相颗粒在旋风除尘器内的输运过程，引入了分离空 间的概念。通过建立气体流动和颗粒运动的数学模型，得出在适当边界条件下的 旋风器分离效率计算公式，并与国内外典型的实验结果比较验证，结果较为一致。 陈建义、时铭显1 1 6 】于1 9 9 3 年认为l e i t h 和w l i c h t 以及m o t h e s 和l o f t i e r 模型对于 尺寸较大、流量也较大的旋风分离器的计算结果误差较大，并在p v 型高效旋风分 离器内部流场及浓度场测定的基础上，考虑了旋风分离器的短路流、颗粒间的相 互碰撞、返混等对分离性能的影响，建立了旋风分离器分级效率的多区计算模型， 该模型在p v 型旋风分离器上与实测结果较为一致，但在其它类型旋风分离器上的 适用性仍需进一步探讨。 张从智等1 1 7 】于1 9 9 6 年在边界层分离理论的基础上，考虑了旋风器内部主要结 构参数以及固相颗粒的特性和运行参数的影响，以及旋风器内的三维速度( 尤其是 8 1 绪论 轴向速度和径向速度) 分布规律，建立了旋风器分级效率的数学模型。该模型计算 结果与长锥型和直锥型旋风器的实验结果符合较好，而且与d 型、b 型旋风器的实 验结果也符合较好 刁永发等f 墉l 于2 0 0 0 年以平衡尘粒模型以及相似理论原理分析为基础，根据木 村典夫分离模型，给出了该分离器高温旋风分离的分级效率的计算方法，对反映 了其在高温状态下的分离特性的参数分割粒径如和分布指数玎进行了分析，并与 s t a i n n a n d 高效旋风器试验对照。 王广军、陈红【1 9 1 于2 0 0 1 年考虑了径向浓度梯度以及重力沉降和径向加速过程 对固相颗粒分离的影响，建立了锅炉细粉分离器分离效率的计算模型。该模型认 为，当分离器进口风速较低及固相颗粒粒径较大时，重力沉降及径向加速过程对 分离效果的影响不容忽视，并对已有的分离模型中有关简化条件的适用范围进行 了分析。 各研究者基于不同理论，应用不同方法，从不同角度阐述了各自理论，或者 在前人的研究上进行改进，使模型更趋于合理化，从而对旋风分离器的分离特性 的研究更进一步。 1 4 2 柴油机排气微粒旋风分离捕集技术的研究 国内外利用惯性分离方法，如旋风分离器对柴油机微粒排放进行控制还不是 十分成熟，但从七八十年代到现在一直有人从事这方面的研究，简要介绍如下： 较早利用惯性分离方法对柴油机微粒进行捕集研究的是美国r e h f e l df r e d e r i c k l j 等人，他们利用曲轴传动的叶片泵的高速旋转带动微粒抛向四周空隙中，其装 置在1 9 8 0 年已经申请专利【删。1 9 8 2 年公布的西德专利n o 3 0 4 1 0 7 2 也是利用惯性力 对柴油机微粒进行分离，此种装置没有利用外界驱动力，而是用切向管路来产生 废气的涡流运动，从而使微粒从尾气中分离并随一部分废气流出，该装置流动阻 力很小，但净化效果并不高1 2 1 。 以上两种装置仅考虑到惯性力的作用，并没有注意到其它因素对捕集效率的 影响，后来的研究人员开始注重其它因素对分离效果的影响，如1 9 8 6 年德国的 g u n f e ra 利用旋风式切向进气轴向排气分离器对碳烟捕集，并在内壁四周贴有陶 瓷滤芯使碳烟在其上沉淀，同时在滤芯中插入电热丝定期地把碳烟烧掉1 2 2 l 。由于 柴油机微粒处于亚微米级，因此也有人曾利用电场对微粒先进行凝聚，使粒径增 大，然后再用旋风分离器捕集，如图1 2 所示，效果不错，捕集效率可以达n 6 0 7 0 以上，还对凝聚效果做了数值模拟研究。1 9 9 4 年，英国的c a r o m n a n i s 等采用 了7 5r a i n 简体直径的切向反流旋风分离器捕集碳烟，利用热交换器对排气微粒首先 9 北京交通大学硕士学位论文 进行凝聚，同时注重对旋风分离器内气体流场的控制，较好的控制了反流现象， 从而使捕集效率高达到7 7 图1 2 微粒的静电凝聚和旋风捕集 2 0 0 0 年，天津大学的刘双喜博士利用具有排气先期冷却的旋风捕集系统捕集 柴油机排气微粒。其寻求了一种简单、价格低廉、性能可靠、不用再生、有一定 的捕集效率的微粒排放控制技术，从微粒的凝聚特性入手，利用微粒的凝聚改变 微粒尺寸分布。使微粒粒径变大，从而利用旋风分离技术捕集柴油机微粒，进行 了探索性研究。实验研究显示，利用冷却排气对微粒进行凝聚的效果是显著的， 粒径有所增大，旋风捕集效果在3 0 5 5 范围内，且分离器的结构尺寸对捕集效 率有重要影响l 驯。 以上均是用实验的方法对柴油机排放微粒进行旋风捕集研究，用数值模拟的 理论研究还未见。随着计算机技术的迸一步发展，且随着旋风分离器在工业、工 程实际中的广泛应用，以及上述情况来看，利用数值模拟旋风分离方法对柴油机 微粒进行捕集是可行的。因此，本课题采用数值模拟研究柴油机排气在旋风分离 器内的流场结构及排气微粒在旋风分离器内的运动规律等，为旋风捕集系统的进 一步发展完善提供有价值的参考依据。 1 5本课题的研究内容 由于实验条件的限制，单纯通过实验来研究旋风分离器的性能不仅周期长而 且费用高。所以，以流场湍流数值模拟为主，研究旋风分离器内流体的流动规律， 进而优化旋风分离器的结构，可以大大缩短研发周期，具有重要的工程应用价值。 本课题正是采用数值模拟计算的方法，利用计算流体力学c f d 的f l u e n t 软件对 旋风分离器进行研究。由于国内外研究者对逆流式旋风分离器的研究已经很多， 对直流式的旋风分离器的研究还很少，而切向直流式旋风分离器更适用高压高温 条件，所以本课题选用切向直流式旋风分离器，可将其装在汽车排气出口管中， 1 0 1 绪论 经过净化后的气流通过旋风分离器出口管直接排向大气中 首先，选取适合本课题旋风分离器的数值模拟的算法，包括理论模型的选择、 数值计算方法的选择等；其次，研究旋风分离器的气相流场分布，包括分析稳态 及非稳态情况下其速度场分布及压力场分布规律；最后，研究旋风分离器的三维 两相流场，分析稳态情况下的微粒运动轨迹，以及模拟研究不同微粒参数、不同 旋风分离器操作参数及不同结构参数对压降和分离性能的影响。具体如下： ( 1 ) 旋风分离器的数值计算方法的研究 包括湍流流动的基本方程组成及数值模拟方法，适用于旋风分离器流场计算 的几种湍流模型以及本课题所用旋风分离器的几何结构、网格生成、算法及边界 条件的选取等。 ( 2 ) 柴油机排气在旋风分离器中的单相流场及其流动特性研究 包括模拟研究分析稳态情况下旋风分离器纵截面及各横截厩上的速度流场的 分布，包括切向速度、轴向速度及径向速度的分布规律；压强分布( 静压、动压和 总压) 及其影响因素( 气流速度、气流温度、出口管管径和出口管插入深度等) 以 及研究分析非稳态情况，即周期性脉动气流，对速度流场分布规律及压强分布规 律的影响。 ( 3 ) 旋风分离器柴油机排气微粒运动规律及分离性能研究 包括两相流模型与数值计算方法的选取，稳态工况下微粒轨迹的追踪及影响 因素( 粒径、入射速度和入射位置等) ，结构参数( 出口管径和出口管插入深度等) 及 操作参数( 微粒粒经、气流速度和气流温度等) 对旋风分离器性能的影响。 北京交通大学硕士学位士论文 2 旋风分离器计算方法的研究 任何流体运动的规律都是以质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律为 基础的。这些基本定律可由数学方程组来描述，如欧拉方程、n - s 方程。采用数值 计算方法，通过计算机求解这些控制流体运动的数学方程，进而研究流体的运动 规律，这是计算流体力学的主要内容。流场的数值计算方法，是七十年代以来现 代数字计算机、数值分析学、计算流体力学等学科最新发展的结果。这种模拟式 基于计算流体力学的原理，建立各种复杂条件下的基本守恒方程组，确定适用的 模型加以封闭，用数值方法直接求解这些非线性联立的偏微分方程组，从而得到 整个流场中各变量的时空分布。 本文利用计算流体力学c f d 商业软件包f l u e n t 对切向直流式旋风分离器进 行数值模拟研究。本章将首先对旋风分离器的数值模拟中的各环节作一介绍，包 括选用适用于旋风分离器的湍流模型、网格生成等内容。 2 1湍流流动的数值模拟方法 湍流流动是一种高度非线性的复杂流动。湍流运动的数值模拟计算是目前计 算流体力学和计算传热学中困难最多而研究最活跃的领域之一。目前采用的湍流 流动的数值计算方法主要有以下三种【2 5 】： ( 1 ) 直接模拟( d n s ，d i r e c t n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ) 直接模拟方法采用三维非稳态的n - s 方程对湍流流动进行直接数值模拟。计 算时，时间和空间步长需要取得很小。由于这种方法的应用受到计算机速度和容 量的限制，因此目前很难得到广泛的应用。 湍流脉动运动中包含有大小不同尺度的涡，计算区域应大到足以包含最大尺 寸的涡( 与平均运动中的特征长度可以相比) ，而计算网格和时问步长又必须小到足 以分辨最小尺度涡的运动，因此直接模拟方法目前只能进行简单的湍流流场计算， 主要用来进行湍流的基础性研究，例如发现新结构，揭示新机理，检验与改进湍 流模型等。 ( 2 ) 大涡模拟( l e s ，l a r g ee d d ys i m u l a t i o n ) 按照湍流流动理论，湍流的脉动与混合主要由大尺度涡造成，小尺度涡主要 是耗散能量，并且几乎是各向同性的。 大涡模拟的基本思想认为湍流是由许多大小不同的旋涡组成，而不同尺寸的 涡的特点是不同的。大尺度的涡从主流中获得能量，它们是高度的各向异性，而 1 2 2 旋风分离器计算方法的研究 且随流动的情形而异大尺度的涡通过相互作用把能量传递给小尺度的涡小尺 度涡的主要作用是耗散能量，它们几乎是各向同性的，而且不同流动中的小尺度 涡有许多共性，有希望用较为普遍的模型来进行描述。 根据上述特点，人们把湍流运动用滤波方法分解成大尺度运动与小尺度运动。 大尺度运动通过数值求解运动微分方程组直接进行计算，小尺度运动对大尺度运 动的影响则通过在运动方程中施加类似雷诺应力一样的应力项来进行考虑，称之 为亚格子雷诺应力，该应力项可通过建立模型进行模拟。 虽然大涡模拟方法对计算机内存和速度的要求仍比较高，但远低于直接模拟 方法对计算机资源的要求，在工作站甚至p c 机上都可以进行使用。近年来，大涡 模拟方法的研究与应用日趋广泛，但要用来解决复杂的科学与工程问题则还存在 许多困难。 ( 3 ) 雷诺平均法( r a n s ) 雷诺平均法的核心是不直接求解瞬态的n a v i e r - s t o k e s 方程，而是想办法求解 时均化的雷诺方程。 雷诺时均法的基本思想为：为了考虑湍流脉动的影响，采用时间平均法把湍 流运动看成是两个流动的叠加，一是平均流动，二是瞬时脉动流动。鉴于此，可 将任一变量的时间平均值定义为： = 去r ( f ) d t ( 2 - 1 ) 其中，妒代表变量对时间的平均值；矿代表脉动值。物理量的瞬时值与时均值 和脉动值有如下关系：妒= + 矿。 根据雷诺运算法则，对物理量按时间取平均，即可得到湍流时均流动的控制 方程。湍流r e y n o l d s 时均控制方程( 连续方程、动量方程、能量方程以及组分方程) 微分形式如下： 害+ 昙惦) = 0 ( 2 - 2 ) a 氖” 、7 昙( p _ ) + 毒。瓦) - _ 署+ 考 摹+ 訇一面叫一了酉ar r 瓦a b l j ， 昙如，亍) + 毒k 羽= 考陪等一蚂卜i c 2 q 昙c d 瓦) + 考仁鬲) 2 毒降等一厩刮+ 巧( 2 - 5 ) 北京交通大学硕士学位论文 雷诺时均方程与原控制方程相比，产生了新的未知二阶相关项，包括雷诺应 力项一p u 。“，雷诺扩散项一p u ，m 。和雷诺导热项一p c 。“，f 等。这些未知项使 得方程个数小于未知量个数，而且不可能依靠进一步的时均处理而使方程组封闭。 所以，要使方程组封闭，必须通过表达式或者输运方程对这些雷诺相关项进行处 理，把湍流的脉动值与时均值联系起来，这就形成了各种湍流模型。 根据对雷诺应力做出的假定或处理方式的不同，雷诺平均法有几种不同的类 型，如图2 1 所示。其中，基于b o u s s i n e s q 假设的湍流粘性系数法导出的r n g k - e 两方程模型是目前工程湍流计算中应用最为广泛的方法。王海刚、刘石在文献 3 4 】 中评述了r n gk - e 相对于标准k - 模型，它能清楚的给出旋风分离器内不同断面 上涡的结构，虽然预报结果不如r s m 模型精确，但由于时间和计算条件所限，而 且r s m 很难收敛，对于本课题所研究的问题，r n gk - e 模型计算所得结果已满足 要求。所以，本文在研究正常工况条件下柴油机排气在旋风分离器内的运动及沉 降规律问题时，所采用的湍流模型即为r n g k - s 湍流模型。 图2 _ l 雷诺平均法分类图 2 2 适用于旋风分离器流场计算的几种湍流模型 2 2 1 标准k - e 模型 根据b o u s s i n e 椒l 假设建立的雷诺应力与时均速度的关系满足下式嘲： 一p u t t u j t 销睁割一号( 席+ 麒筹卜i , j = 1 , 2 , 3 1 4 2 旋风分离器计算方法的研究 其中，2 为湍动粘度，它是空间坐标的函数，取决于流动状态而不是物性参数；i 为单位质量流体的湍动动能，可以表示为： 七：寻丽：寻伊+