一种导流旋流叶轮星散装置的数值模拟

PAGE8基金资助：北京市重点实验室开放课题，编号：KF200502PAGE1北京市高校学术创新团队资助一种导流旋流叶轮分离装置的数值模拟摘要基于旋流离心分离原理，在流型显示实验的基础上，设计一种新型导流旋流叶轮分离装置，对其进行了实验研究。在实验研究的基础上，对其效率、流动阻力及流场进行了数值研究，旋流采用Realizablek－湍流模型，离散相采用DPM模型，以实验数据为模型边界条件，用FLUENT软件对其进行了数值模拟计算。分离装置中导流旋流叶轮阻力的数值计算结果与实验结果吻合较好，验证了数值模拟的可靠；数值模拟计算了导流旋流分离装置的对不同粒径颗粒的分离效率以及分离装置流场中轴向速度分布、径向速度的分布和不同粒径颗粒的运动轨迹，并对模拟结果进行了分析。关键词旋流分离装置数值模拟阻力效率旋流分离装置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叶轮分离装置，用FLUENT软件对其进行了数值模拟计算，并对计算结果进行分析。1实验研究概况基于旋流离心分离原理，在流型显示实验的基础上，设计了一种用于分离压缩空气中固液颗粒的导流旋流分离装置[1]，见图1，分离装置中的导流旋流叶轮如图2所示，其主要结构参数为导流旋流叶轮直径Dx=120mm，中心导流棒直径Dm=40mm，叶片数m=12，叶片倾角=30º，罩筒高度hz=16mm，导流棒长度L=120mm。图11导流旋流叶轮分离装置实验流程如图3，实验中测定导流旋流叶轮的压降由U型测压计测得，采用的雾化喷头喷出的盐水水滴为0.01图11导流旋流叶轮分离装置1.进风口2.分离筒3.导流旋流叶轮4.出风口5.出污口图1导流旋流叶轮分离装置示意图图2导流旋流叶轮图2物理模型和数学模型图3实验流程图物理模型根据实验装置实际结构尺寸建立。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4所示。图3实验流程图数学模型由连续性方程和动量方程建立，湍流采用了Realizablek－湍流模型[2]；旋流中的固液颗粒采用离散相模型（DPM，DiscretePhaseModel）[3][4]；用实验数据作为模型的边界条件；用SIMPLEC[5][6]算法求解Navier-Stokes方程。图23图23数值计算采用的计算网格图23数值计算采用的计算网格图4数值计算采用的计算网格3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，选取实验压缩空气流量范围90m3/h~210m3/h内7个点作为模拟边界条件，导流旋流叶轮阻力损失计算结果与实验数据的比较如图5所示，从图中看出，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，导流旋流叶轮的阻力损失仅有67mmHg。图5导流旋流叶轮阻力压降实验与模拟结果比较图6模拟计算的导流旋流分离装置分离效率小3.2诸胸导流旋晴流分离顽装置的宋分离效称率的数味值模拟个分别对赚粒径赌为纹5简m青，娘10兔m边，注20毫m欣，护30座m瓶的离散死相颗粒宣，在实狐验流量薄范雀围宅90m秧3迁/管h杀～事210究m素3弃/鸦h鼓内选忽取翅6栽个点进莲行数值脂计算，啦计算结坐果见迎图甘6懂，从图君中看出放，随离漫散相颗艇粒粒径信的增大行，分离锐效率逐首渐增大冈，当粒推径妹为嫂30外m茄时计算配分离效院率可达狭到莲100伤%贪，当粒畜径基为急20转m姨时，分嗓离效率胁在指98旬%旬以上，声而粒径焦为御10蜓m阀时，分观离效率蛇在玻90婆%鬼左右，难当粒径抚为燕5糕m观时，分撒离效率战低蝶至艺80喉%置以下，适因此，斥该导流微旋流分揭离装置艇不适宜晕分离粒兼径小体于吵5调m峡的颗粒旋。稿3窑.3攻导流旋捉流分离栋装置内胞轴向速斑度分布扑图捞7不是当进恶风口速秘度音为威29m萌/第s慈（流量小为浑90m宋3像/肠s茫）时数隆值模拟哈的导流铅旋流分艺离装置傍内轴向惩速度分行布图，聪图中坐番标参见即图灯1单，由打图晋7右看出轴推向速度闭的分布陡是对称搜的，沿胃分离装季置气流恰方向，节在分离楚段槐（亚Z践＝诉0.2衫3正m寨～求Z桃＝工0.4抢m泊）冶的区域拨，最大途轴向速愧度逐渐父向壁面剂移动，吉同时最授大轴向贪速度的抱值迅速焦减小，弯在靠近寻壁面处承轴向流唤速下降杠很快，巩在壁面摇处降为南零；在篮分离装腹置轴心腥附近，贤轴向速指度为负悄值，出技现回流垄；当气翠流到达避Z捕=0.脚50辞m句的截面余时，轴议向速度惠的峰值森出现在新轴心处直，沿边猴壁依次奖减小。臣Z=0临.23呆m凉、欠0.3问m歉、脊0.4杯m紧、曲0.5灭m概图争7绢羞分离装作置内部键轴向速驰度分布榨（流朝量根90m财3愧/纱h膨）宿3监.颗4坚导流旋教流分离案装置内赛径向速侨度分布词径向速古度是影和响导流涂旋流分庄离装置租内离散各相颗粒岂飞行时刊间的重歌要因素破，径向龟速度为指正则会纷加速颗荒粒飞向网分离装晋置内壁准面，减浸小飞行诉时间；庸反之则艳作用相即反。臂图赚8盏是当进益风口风惨速朝为因29m红/迈s园时数值蛇模拟的师导流旋哥流分离木装置内请径向速傲度分布急图求。从图赢中沈Z=0萍.23荒m粥截面（瞎该区域斩在导流蹈旋流叶代轮内部欣）的径貌向速度栽分布看束到，径筐向速度项峰值较烫大，当店进风口拔速度警为场29m沿/毕s虏时，径造向速度爪的峰值母可达闹到悦9m/垮s吴以上，镇但是在珠分离装报置壁面浇附近径诱向速度下下降较踢快迅速肢将呈到绘2.4搁m/延s弊以下，信说明了筒壁面对关流体流岩动的滞记止作用喝。较大太的径向谷速度对躬离散相命颗粒的望分离有越积极的浑作用，穷加快离烛散相颗愉粒以较禾快的速哀度和较扣短的时吊间向壁凡面运动蜂而后被淋捕集。赤对裤于些Z=0摧.30芬m妖、狼0.4余0芦m倍、肝0.5鱼0中m恐截面，脂径向速兄度均为沙负值并诵且呈对醒称分布身，但是道三个截匠面径向鄙速度的号变化不交大，塘在漂0钉～盒－变1m/威s嗽之间，股而且随辅着靠近豆分离装纲置出口劳径向速鸽度的绝始对值有臂增大的汁趋势。贷Z=0捏.23籍m逮、两0.3塑m丧、阁0.4臣m轮、心0.5氧m血图寒8涉嚷分离装袖置内部悄径向速堵度分布吓（流封量罩90m也3慨/殃s辣）徐35寿坑导流旋酷流分离匹装置中猫离散相坐分离可脆视化及狼分臭析相洲数值模犹拟导流林旋流分耐离装置罚中离散糊相颗粒润的分离眠过程，抹即可视精化离散屡相颗粒伯在分离挑装置中把的轨迹卸和存时损间。兽图荣9架、旱图抄1锄0遇和筹图意1延1姻是当进库风口风烫速塘为宾29m肉/竟s查，离散槐相颗粒炕粒径分芝别鼻为吊5亩m呼、碰10差m暑和辛20码m羡时，通烫过分离雹装置的笛分离可瞒视化图圆。从朋图抹1撞1育看出，能粒径研为饰20留m旷的离散已相颗粒轻绝大部窝分被捕猫集，从芒图啊9岛看出粒锤径固为快5梯m孔的离散熊相颗粒柔有相当仰一部分寿逃逸，哄这说明轰了该种没导流旋辉流分离蛛装置不评适宜用扩于分离票离散相备颗粒粒库径小事于减5混m维的情况衬。府图挥9谈闪粒径唇为巴5册m凳的颗粒束在分离莫装置中拜的轨迹广图疾10蔽娃粒径州为营10假m刑的颗粒涉在分离敏装置中嚼的轨迹美图费11线陪粒径索为息20尺m恼的颗粒彩在分离努装置中趴的轨迹悉4肝．结论关1郑、采柳用管Rea挖liz眨abl强e也k瓣－饼毅两方程亏模型怠，扮Dis膜cre汇te胃Pha煌se易Mod辜e疗（辈DP围M洋）模型播，使晓用漫SIM某PLE筐R斯算法模老拟导流煌旋流分弯离装置羞内的两勉相流场拐是可行宵的。舟2揭、数值刚模拟导锯流旋流刺的分离四装置中司气流的演轴向速厨度分布蒜、径向朗速度分励布和气将流中离已散相颗毛粒的轨觉迹。还3斧、实验枣和数值兽计算导望流旋流钳叶轮的谣阻力值旧基本吻乡合，且年导流旋耍流叶轮恩的阻力最值较小葱。数值钻计算出馒导流旋蚀流分离四装置分宏离不同忽粒径颗勇粒的分吵离效率供。荣4触、数值勺模拟结溪果表明继该种导轧流旋流妨分离装东置不适碍宜用于奶分离离旨散相颗罩粒粒径腥小于倒5线m可的微粒垮。叼参考文养献膜[1]被绍匀罗文躬斌战.蒸立管式抽导流旋母流叶轮个净化装糠置的实猾验研究太及数值治分饮析贷.个硕士学代位论文惑，北京者建筑工钉程学院零，柳200缝4.3疗[2]江医T.-垮H.S捕hi誓h还，拦W.饮W.门Lio手u文，巩A.趟Sha代bbi胶r辫，露etc抖.规A层n堆ew早k饰-屑e蹦ddy验-思v昨isc粪osi蛋ty衣m舒ode准lf寇or俊h祝igh芦奖R捞eyn毯old芝s绘n宰umb湖er渗t蛇urb华ule脚nt慢f悲low哑s-日m溪ode鞠l屯d勒eve椒lop冤men叼ta咽nd仓v荡ali溉dat难ion督.喝C焰omp议ute牌rs起Flu朝ids显，秀199扮5灿.犁24渴（冲3刺）：旧227伐－前238痛[3]遣F迹LUE垮NT东6.1笛do咳cum男ent面ati稿on.笛20鼓03.旦1.2斩8.樱[4]炎踪乔陶文村栓届.堪步数值传帆热学（姨第二版渠）尘.博急西安：链西安交怖通大学蔑出版社坚，奖200垄1.秒5我[5]跪显骄帕坦判卡裙SV灾.做巾传热与武流动的沾数值计薄算崇.纲湾张正显译搅.拍防北京：六科学出素版淘社顺,19废8复9监：赞120沾,1砖47,遍15行2太－间157牧,16辰8全[6]亭P够ata再nka欢rS捎V.藏A街cal速cul怎ati倍on锹pro竭ced奉ure百fo皮rt混wo-湾dim肆ens候ion纸al浪ell鼻ipt台ics疑itu并at滑ion少s.季Num如ber科He酒at伟Tra串nsf语e辉r讨，矿198起1.惭24找1杏－膨289糖Num位eri仓cal昼Ca乘lcu寸lat巨ion杜of环th杆eC悦har蹦act监eri鹿sti煤cs逐of颗aN拆ew坡Dev绩elo穿ped的Cy甚clo毯ne蜻Imp迹ell怨er容Sep呜ara盘tor落Abs踏tra心ct锡：悼Ba醋sed讯on荣ex策per诉ime波nta回ls锦tud塔yo伙fa库ne甲wd柄eve冬lop隐ed光cyc甩lon闭ei首mpe激lle匹rs笛epa让rat柿or,徒a贱num生eri摔cal烈ly掩stu技dy较is职car裁rie激do凤ut鸭by刚FLU睬ENT朱so辛ftw凯are假an映dc键omp桌are讨dw偷ith绘ex冤per歪ime合nta酒lr载esu闻lts端.T任he火cyc膝lon企ef艳low驶mo足del钥is疾Re价ali绣zab绝le储tu押rbu等len勇ce肯mod次el,孩an险dt浙he谷Dis急cre栗te流Pha涉se欧Mod寒el爷(DP骗M)敢to制des杯cri喂be侍the性2-蛇p