一种导流旋流叶轮分离装置的性能数值模拟

1、一种导流旋流叶轮分离装置的性能数值模拟段凤华 许淑惠（北京建筑工程学院 北京 100044 ）摘 要：对一种新型导流旋流叶轮分离装置，在实验研究的基础上，对其效率和流动阻力进行了数值研究。旋流采用Realizable 湍流模型，离散相采用DPM模型，以实验数据作为模型为边界条件，用FLUENT软件对其进行了数值模拟，并对计算结果进行了分析。关键词：旋流, 分离装置, 数值模拟旋流分离装置1是一种应用广泛的气固液非均相混和物的分离设备，其基本原理是将具有一定密度的气液、气固等两相或多相混和物在离心力的作用下进行分离，分离效率高，分离设备占用空间小，工作连续，且性能可靠。本文设计出一种新型导流旋流

2、叶轮分离装置，在试验的基础上，用FLUENT软件对其进行了数值模拟计算，对计算结果进行了分析。1 试验概况该实验是采用向空气中加水的方法制取含有杂质的空气，即离散相为液体颗粒，其流程见图1。送风压力由压缩空气储气罐出口的压力表测量；送风流量是使用涡轮流量计和设在实验段进口的压差计测量得到的；实验段的阻力测量由水银压差计来完成；由电子称测量储水容器和储污罐的重量，获得分离效率。在测量分离效率的过程中，为了解决水量蒸发给测量实验段分离效率带来的影响，在实验中采用盐水作为离散相加入到实验段中，通过测量加入前和收集容器中的盐水浓度的变化计算出水的蒸发量，进而对实验数据进行修正。2 物理模型和数学模型物

3、理模型是根据实验中装置实际结构尺寸建立的，分离装置中的导流旋流叶轮结构如图2所示，主要结构参数为导流旋流叶轮直径=120mm，中心导流棒直径=40mm，叶片数=12，叶片倾角=30º，罩桶高度=16mm，导流芯棒长度L=120mm。采用CFD软件FLUENT进行模拟计算，数值模拟分离装置的实验段分别采用了结构化网格和非结构化网格，如图3所示。数学模型建立在连续性方程和动量方程两个方程之上，采用了两方程Realizable 湍流模型2；两相流采用离散相模型（DPM，Discrete Phase Model）；用实验数据作为模型的边界条件；采用了SIMPLE算法求解Navier-Stok

4、es方程。连续性方程 （1）Navier-Stokes方程3 （2a） （2b） （2c）其中为流体的动力粘度，、为三个动量方程的源项，其表达式为 （3a） （3b） （3c）Realizable 模型中的两方程分别为方程 （4）方程 （5）其中，表示由层流速度梯度产生的湍流动能，是由浮力产生的湍流动能，为过渡扩散产生的波动，、为源项，、均为常数，、为和的湍流Prandtl数，为流体的运动粘滞系数，为湍流粘滞系数。公式的具体推导过程可参考文献3。颗粒的力平衡方程4： （6）式中，为流体相速度，为颗粒速度，为流体密度，为颗粒密度，为除曳力和重力之外的作用在颗粒上的作用力。对上式积分可得到离散相轨

5、道上各位置的速度，颗粒轨道可以由下式获得（只列出x方向）： （7）在随机轨道模型中，沿着颗粒轨道，FLUENT 在积分计算过程中，颗粒轨道方程中的流体速度为瞬时速度。3 导流旋流分离装置性能的数值模拟结果及分析3.1 导流旋流叶轮阻力损失的数值模拟在数值模拟过程中，选取实验流量范围90m3/h 210m3/h内7个点作为模拟入口边界条件，导流旋流叶轮阻力损失计算结果与实验数据的比较如图4所示。从图中可以看出，计算数值与实验数据吻合得比较好，平均相对误差4.3%，在实验流量范围内数值计算结果是可信的。由计算结果还可以看出导流旋流叶轮的阻力损失较小，当流量达到193.6m3/h时，导流旋流叶轮的阻

6、力损失仅有67mmHg。图6净化装置内轴向速度等值线图（入口速度29m/s，单位：m/s）3.2 导流旋流分离装置的分离效率模拟导流旋流净化装置分离效率的模拟要求已知离散相确切的粒径分布，而在实验中由于条件的限制不能得到离散相确切的粒径分布，因而不能得出直接的分离效率，但可以通过对离散相不同粒径的计算得出实验段对某一粒径的分离效率。因此分别对粒径为5，10，20，30的离散相，在实验流量范围90m3/h210m3/h内选取6个点进行数值计算，计算结果如图5所示，从图中可以看出，随离散相粒径的增大，分离效率逐渐增大，当粒径大于30时计算分离效率可达到100%，当粒径为20时，分离效率在95%以上

7、，而粒径等于10时，分离效率低于90%，当粒径小于5时，分离效率低至80%以下。因此，该导流旋流分离装置不适宜分离粒径小于5的颗粒。3.3 导流旋流分离装置内轴向速度可视化及分析图6是分离装置内轴向速度等值线图。总体上来看，轴向速度的分布是对称的，在靠近壁面处流速下降较快这体现了壁面的滞止作用。截面Z=0.23m处，横坐标0.06m处气体流速下降很快而且出现了回流，这是由于0.06m处是导流旋流叶轮的外壁，气流受到了导流旋流叶轮外壁的遮挡。在约Rx/2处轴向速度达到最大值，从导流旋流叶轮的结构看，此时气流要穿过导流旋流叶轮的叶片，气流流道面积减小；峰值速度是在导流叶轮穿孔面近似中心处，叶轮壁面

8、对气流的滞止影响较小，这也是导致在此截面上轴向速度在约Rx/2处达到峰值的原因之一。在Z=0.30m的截面上看，气流受导流旋流叶轮的影响，在靠近分离装置桶体壁面约在横坐标0.07m的位置轴向速度达到最大值，而后受壁面影响轴向速度迅速下降，在壁面处降为零。横坐标约-0.05m0.05m的区域，气流的高速旋转在该区域形成了低压区，也是导致回流发生的原因之一。Z=0.40m截面轴向速度慢慢变得均匀了。Z=0.50m的截面轴向速度的分布发生了变化，分离装置轴线处轴向速度达到最大值，这是由于邻近出口及分离装置结构的因素，气流从出口排出，轴向速度分布必将发生变化。3.4 离散相分离可视化及分析 通过数值计

9、算得出了离散相的计算结果，对离散相颗粒生存时间的分析可以进一步分析实验装置的分离效果，以及离散相颗粒粒径对分离效果的影响。图7 离散相轨迹与生存时间（入口速度29m/s，粒径5 单位：s）图8 离散相轨迹与生存时间（入口速度29m/s，粒径10 单位：s）图9 离散相轨迹与生存时间（入口速度29m/s，粒径20 单位：s） 图7图9的等值线图例表示离散相颗粒的生存时间，随着线条颜色由深到浅说明离散相颗粒的生存时间逐渐变长，直至最后从出口逃逸。从图看出，粒径为20的离散相颗粒绝大部分在实验段前部就被捕集，而粒径为5的离散相颗粒生存时间明显加长，有相当一部分颗粒逃逸。这说明了该种导流旋流分离装置不

10、适宜用于分离离散相颗粒粒径小于5的情况，同样验证了2.2中的结论。4结论1、 采用Realizable 两方程模型，Discrete Phase Mode（DPM）模型，使用SIMPLE算法模拟导流旋流分离装置内的两相流场是可行的。2、 分离装置内部速度分布是对称的。此种导流旋流叶轮的阻力值较小，应从分离装置本身结构考虑来减小分离装置阻力损失，提高分离装置性能。3、 由数值模拟结果得出该种导流旋流分离装置不适宜用于分离离散相颗粒粒径小于5的微粒。参考文献1 赵国庆，张明贤编著。水力旋流分离技术M。北京：化学工业出版社，2003.2 T.-H. Shih， W. W. Liou， A. Shab

11、bir， and J. Zhu. A New k- Eddy-Viscosity Model for High Reynolds Number Turbulent Flows - Model Development and Validation. Computers Fluids， 24(3)：227-238， 1995.3 陶文栓. 数值传热学（第二版）.西安：西安交通大学出版社，2001.5Numerical Simulation of the Characteristics of a New Developed Cyclone Impeller SeparatorDUAN Fenghua

12、 XU Shuhui（Beijing Institute of Civil Engineering and Architecture, Beijing 10044, Chine）Abstract: Based on experimental study of a new developed cyclone impeller separator, a numerically study is carried out by FLUENT software and compared with experimental results. The cyclone flow model is Realizable turbulence model, and the Discrete Phase Model (DPM) to describe the 2-phase flow, and the boundary conditions is given by experi