减阻杆对旋风分离器流场特性的影响

1、清华大学学报(自然科学版 2007年第47卷第2期CN 1122223 N . 47, N o . 2J T singhua U niv (Sci &Tech , 2007, V o l 32 342932296减阻杆对旋风分离器流场特性的影响刘成文, 王连泽, 王建军, 刘秋生(清华大学工程力学系, 北京100084摘要:为了解减阻杆对旋风分离器流场特性的影响, 利用激光多普勒测速仪(LDV 流场进行测量, 得到了时均速度、均方根速度、数分布。结果表明:本一致, 在所, 脉动降低, 强。关键词:旋风分离器; 减阻杆; 流场; 激光多普勒测速仪中图分类号:TQ 051. 8文章编号:1

2、00020054(2007 0220293204文献标识码:A2, 为深入分析减阻, 但这一分析方法需要了解流场参数分布的详细信息。因此, 正确认识安装减阻杆前后流场参数变化的特点是进行减阻机理研究的前提。关于减阻杆对时均流场的影响, 已进行了大量的实验研究1, 36。关于减阻杆对流场湍流特性的研究还很少, 认识很不充分, 王连泽等人1根据粒子图像测速仪(p article i m age veloci m etry , P I V 实验结果, 发现减阻杆削弱了中心区域的湍流强度。W ang 等人6利用激光多普勒测速仪(laser Dopp ler ve 2loci m etry , LDV

3、研究了减阻杆对旋风分离器内湍流结构的影响, 发现在减阻杆后的尾涡区湍流脉动增大, 而在其它区域几乎保持不变。本文利用二维LDV 对安装不同尺寸减阻杆的旋风分离器内流场进行测量, 深入分析减阻杆对流场时均和湍流特性的影响规律, 并对减阻杆影响湍流脉动的机理进行初步分析。Effect of a reduc i ng pressure drop stick i n the f low f ield of a cyclonesepara torL I U C hengw e n , W ANG L ia nze , W ANG J ia njun , L I U Q iushe ng(D epart

4、men t of Eng i neer i ng M echan ics , Tsi nghua Un iversity ,Be ij i ng 100084, Ch i na Abstract :L aser Dopp ler veloci m etry (LDV w as used to m easure the flow field in a cyclone separato r w ith and w ithout a reducing p ressure drop stick (R epds to exp lo re the effect of the R epds on the f

5、low field characteristics . T he distributi ons of the m ean velocity, roo t m ean square (RM S velocity, and R eyno lds stress are p resented . T he results show that the effects of the R epds on the ti m e 2averaged characteristics of the flow field are si m ilar to p revi ous results,w hilethe ef

6、fects ofthe R epds ontheturbulentcharacteristics are related to the size of the R epds . In the range of the studied R epds sizes, the R epds w ith s m aller cro ss secti ons reduce the turbulence in mo st flow fields, w h ile R epds w ith larger cro ss secti ons increase the turbulence . T he m ech

7、anis m by w hich the R epds affects the turbulence is also analyzed .Key words :cyclone separato r; reducing p ressure drop stick(R epds ; flow field; laser Dopp ler veloci m etry (LDV 1实验装置和实验方法实验装置见文6。旋风分离器模型和减阻杆安装位置如图1所示, 旋风分离器筒体内径为170mm , 排气管内径为85mm , 实验用减阻杆选用直径为5mm 和10mm 两种类型。采用T S I 公司的二维LDV 系

8、统。示踪粒子由粒子发生器产生, 发烟剂为乙二醇。本实验测量了6个截面, 如图1所示, 分别从100°和200°两个方位沿半径进行测量。因各截面上相同参数分布规律基本相同, 这里只给出z =165mm 和z =315mm 两个代表性截面的测量结果 。收稿日期:2006203210基金项目:国家自然科学基金资助项目(10172055 作者简介:刘成文(19692 , 男(汉 , 山东, 博士研究生。通讯联系人:王连泽, 副教授, E 2m ail :w anglz tsinghua . edu . cn旋风分离器减阻杆(reducing p ressu re dropstick

9、 , R ep ds 技术已在工程实际中得到成功应用, 取得了很好的经济效益1。为了使该技术更好地服务于生产实际, 搞清其减阻机理是目前亟待解决的294清华大学学报(自然科学版 2007, 47(2保持入口平均流速11. 47m 不同直径减阻杆的旋风分离器内的时均流场和湍流场进行s 不变, 分别对无杆、测量 。图1 (mm 2实验结果及分析2. 1减阻杆对时均速度分布的影响时均切向速度U z 如图2和图3所示, 轴向R ank ine , , 中心具有明显的滞流现象。图3时均轴向速度安装减阻杆后, 切向速度呈完全不对称分布, 其剖面形状及数值大小都发生了明显变化。 5mm 减阻杆使内旋流区域减

10、小, 外旋流的切向速度梯度降低, 最大切向速度大幅度降低, 相对于无杆时最大切向速度降低了约33%; 而 10mm 减阻杆则使内、外旋流的切向速度梯度都降低, 相对于无杆时最大切向速度降低了约47%。两种减阻杆后的局部区域(200°方位 都呈现出尾迹型速度分布, 出现切向速度极小值, 这里速度梯度很大。截面尺寸大的减阻杆, 其尾迹区范围大, 切向速度极小值小。相对于切图 2时均切向速度向速度, 外旋流轴向速度变化较小, 只在中心区域有刘成文, 等: 减阻杆对旋风分离器流场特性的影响295较大升高, 速度梯度减小, 滞流现象减弱或被消除。因此, 从整体上来说, 减阻杆截面尺寸大, 切向

11、速度降低幅度大, 切向和轴向速度梯度小, 减弱或消除滞流的能力强, 这与文1, 36中的结论是一致的。2. 2减阻杆对湍流脉动的影响切向均方根脉动速度u 、轴向均方根脉动速度u z 和雷诺切应力u u z 分布分别如图4至图6所示。无杆时, u 和u z 沿径向分布比较平坦, 数值大都为1. 53m s , 中心轴线附近数值稍大。u u z 沿径向分布也比较平坦, 且数值较小, 大都在±0. 5m s 之内, 但在内旋流区数值稍大。22安装减阻杆后, 数的影响不同。 5mm , 10mm 在减阻杆后尾迹区内及中心轴线附近, 两种尺寸的减阻杆都使均方根脉动速度有较大增加, 增加幅度约为

12、23m s , 减阻杆截面尺寸越大, 脉动速度增加越大 。图5轴向均方根脉动速度2. 3大尺寸减阻杆增强湍流脉动的原因湍能产生P k =-u i u j 9U i 9x j 表示从平均流动向湍流脉动提供的能量, 与雷诺应力u i u j 和平均速度梯度9U i 9x j 有关。均方根脉动速度的平方表示雷诺正应力的大小, 本实验仅可得到3个雷诺应力22分量u 、u z 和u u z , 因此, 只能利用现有实验数据对P k 进行估计。如前所述, 除了在中心附近和杆后局部区域两种减阻杆都引起雷诺应力增大外, 5mm 减阻杆使流场大部分区域的雷诺应力减小, 10mm 减阻杆使流场大部分区域的雷诺应力

13、稍有增加; 两种减阻杆都使切向和轴向速度梯度大幅度降低。由此可推断出, 除了在杆后局部区域减阻杆引起湍能产生增大外, 减阻杆将会使流场大部分区域的湍能产生降低。为什么 10mm 减阻杆在使湍能产生降低的情况下, 反而使流场的湍流脉动增强呢? 由于带有减阻杆的旋风分离器内流场极为复杂, 难于对流场各处的湍流输运过程进行分析, 这里仅从整体上对总湍流脉动变化情况进行可能性分析。积分形式的湍图4 切向均方根脉动速度 296清华大学学报(自然科学版 2007, 47(23结论1 减阻杆使时均切向速度及其速度梯度大幅度降低, 减弱或消除了中心滞流现象。除在减阻杆后局部区域外, 大尺寸减阻杆引起的切向速度

14、及其速度梯度降低幅度大, 对滞流现象的消除效果好。2 减阻杆对旋风分离器内湍流的影响与其截面尺寸有关。, 小尺寸, 大尺寸减阻杆则, 在采用大, 需要考虑其对分离效率的影响。参考文献(References 1王连泽, 彦启森, 王建军, 等. 旋风除尘器减阻节能技术的研究与应用J. 硫酸工业, 2005, (2 :2226.WAN G L ianze, R esearchandenergy 2savingYAN Q isen, WAN G J ianjun, app licati on of techno logystick in a cycloneet al . and J.drag 2re

15、ducti onseparato rS u lp hu ric A cid Ind ustry , 2005, (2 :2226. (in Ch inese incyclone2L I U Chengw en, WAN G L ianze, WAN G J ianjun, et al .Investigati onofenergy 1190.lo sses m echanis mseparato rs J. 3C he m ica l E ng ineering and T echnolog y .2005, 28(10 :1182王连泽, 彦启森. 旋风分离器减阻杆对流场的影响J. 粉体技术

16、, 1996, 2(4 :1117.WAN G L ianze, YAN Q isen. Influence of R epds on flow field in cyclone separato r J. P o w d er S cience and T echnolog y , 1996, 2(4 :1117. (in Chinese 4王连泽, 彦启森. 旋风分离器减阻杆结构及减阻前后流场的测定与分析J. 实验力学, 1998, 13(4 :469475.WAN G L ianze, YAN Q isen . Investigati on on the efficacy of R ep

17、ds and flow field in a cyclone separato r J. J ou rna l ofE x p eri m en ta l M echan ics ,1998, 13(4 :469475.(in Chinese 5W ang L Z, Yan Q S, L iu L L. Effect of a stick on the flowfield in a cyclone and the p ressure drop reducti on m echanis m J. A erosol S cience and T echnolog y , 2001, 35:909turbulence structure in a cyclone separato r J.S cience &T echnolog y , 2005, 39(8 :713913.A erosol6W ang J J , W ang L Z, L iu C W. Effect of a stick on the gas721.7Yo sh izaw a A , Yoko i N