摘 要：设计新型旋风分离器，优化旋流场入口颗粒排序，旨在提高旋风分离性能。利用FLUENT软件，建立常规、正旋、逆旋旋风分离器的物理模型，进而构建数学模型和边界条件，进行CFD模拟，研究不同结构、不同参数对分离性能的影响。在不同的气体流量下，逆旋分离效率始终高于常规和正旋分离器；在进气速度为50 m3/h时，三者均具最高的分离效率，且均是随着流量的增加而先增加后降低，其中正旋、逆旋分离效率降低不明显。逆旋分离器最有助于分散相颗粒，进而提高分离性能。
关键词：旋风分离器；正旋分离器；逆旋分离器；CFD；分离效率
中图分类号：X505 文献标识码：A 文章编号：2095-8412 （2017） 03-089-04
工业技术创新 URL： http： // DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2017.03.024
引言
化工、电力、钢铁等行业的外排烟气中含有直径从几纳米到几千微米的固相或液相颗粒物。烟气中分散相颗粒粒径小于2.5 μm的微粒物质（PM2.5）对人类及环境的影响尤为严重[1，2]。旋风分离作为一种重要的细微颗粒捕集分离与回收利用方法，具有处理能力大、易于操作和维护、成本低、安全可靠等优点，已被广泛应用于烟气除尘除雾中[3]，但对PM2.5的去除效率亟需进一步提高。
本文基于颗粒在旋流场入口处分布的不同，设计了常规分离器（common cyclone，C-C）、正旋分离器（positive rotation cyclone，PR-C）和逆旋分离器（reverse rotation cyclone，RR-C）。常规分离器在入口处的颗粒呈现混乱无序状态；正旋分离器在入口处的颗粒从外壁到轴心呈现从大到小排列；逆旋分离器在入口处的颗粒从外壁到轴心呈现从小到大排列。通过CFD模拟研究获得了一些关于颗粒排列的规律，以及排列后的浓度分布和分离性能影响结果。
1 文献综述
近年来，随着对旋风分离器的研究逐渐深入，越来越多的学者开始关注颗粒在旋流场入口处的位置变化而引发的一系列“蝴蝶效应”，例如：Liu等[4]通过在旋流场入口处引入蜗壳结构，达到了颗粒预沉降的效果，使分离效率得到了有效提升；Yang等[5]对入口颗粒的位置变化而引起的流场压力和浓度变化进行了模拟研究。
计算流体动力学（CFD，Computational Fluid Dynamics）是流体力学的一个分支，是近代流体力学、数值数学和计算机科学结合的产物，也是一门新兴的具有强大生命力的交叉学科。从20世纪50年代开始，越来越多的学者对两相流的数值模拟进行了研究，从动量守恒、质量守恒和能量守恒规律出发，数值模型从单一到复杂[6，7]。近年来，诸多学者采用CFD对旋转流场特性进行研究：吴小林等[8]、吴飞雪等[9]、王博[10]、王海刚[11]、Derksen等[12，13]、Xue等[14]采用颗粒轨道模型，模拟分析分散相颗粒运动轨迹受湍流运动的影响，以及浓度分布、级效率和壁面反射等现象。
2 实验设计
随着计算机运行能力的快速发展，CFD模拟处理带有湍流流场的流体具有显著优点，成为研究旋风分离的重要方法之一。因此，设计并建立排序型旋风分离器的CFD模拟是一种经济省时、切实有效的研究途径。
2.1 物理模型
设计了一个75 mm直径的颗粒排序器和一个75 mm直径的柱锥式旋风分离器，模型结构分别如图1和图2所示，详细尺寸参数见表1。常规分离器、正旋分离器和逆旋分离器分别见图3、图4和图5。
2.2 数学模型
旋流分離器内部是强旋流动、多相流动，以及三维有限流动共同作用的湍流流场，内部形态及状况非常复杂。利用FLUENT软件，采用CFD方法，应用雷诺应力模型，对三种分离器的内部流场进行研究。分离器内流体介质是气体，描述其运动特性的数学基础方程为Navier-Stokes运动方程以及连续性方程，并设定其为不可压缩流体。设定操作温度20℃，环境压力0.101 MPa，空气为连续相，密度1.205 kg/m3，动力粘度1.78×10-5 kg/（m·s）。
2.3 边界条件
出口边界条件采用流动出口，出口截面选择在无回流溢流管位置，确保计算精度。在该截面上，除了压力以外的所有变量参数均保持恒定。
壁面边界条件采用无滑移边界，设定所有壁面均为光滑表面。靠近固体壁面区域时，流体流速较低，属于层流状态，引入层流底层的粘性主导作用。
3 结果与讨论
3.1 颗粒排列对浓度分布的影响
图6为常规（C-C）、正旋（PR-C）、逆旋（RR-C）分离器在流量为40 m3/h时加注混合颗粒群后的X轴截面和7个横截面上的浓度分布云图。混合颗粒群由粒径分别为0.1 µm、0.3 µm、0.5 µm、1 µm、1.5 µm、3 µm、5 µm、10 µm、15 µm、20 µm、25 µm的颗粒等质量混合组成，气体中颗粒浓度为20 mg/L。把分离器入口处上端平面定义为Z0，每隔50 mm设定一个截面，一共7个截面。
从浓度在X轴截面上的分布来看，排气管的直径扩大集中区<近壁区，从浓度的轴向分布来看，圆锥段区域<圆柱段区域，圆锥段下部<圆锥段上部，表明绝大部分的固体颗粒物在进入圆锥段的下部前就已经被捕获分离下来。比较三种分离器， C-C和PR-C的浓度在各段的分布始终高于RR-C。在圆柱段部分，PR-C的高浓度粉尘分布区域面积较大，并且一直延伸至排气管区域，表明PR-C在圆柱段的中心区域有很多的颗粒物不能被分离出来，而是从溢流口逃逸。在圆锥段下部，RR-C的颗粒浓度几乎为零，而C-C和PR-C的浓度却较高，这一现象说明RR-C的分离性能和分离效果均是最优的。从X轴截面的浓度分析可知，三种分离器的分离效果为RR-C>C-C>PR-C。
从颗粒物的浓度在分离器横截面上的分布可知，在每个横截面上，C-C、PR-C、RR-C均具有较好的分离效果，排气管的直径延长区域内颗粒物的浓度要远小于分离器边壁处。Z1横截面靠近排气管底部位置，分布着极少量的由短路流引起高浓度小区域，在高浓度小区域内的颗粒极易从排气管逃逸，使分离效率降低。三种分离器的高浓度区域面积大小为PR-C>C-C>RR-C，因此，颗粒在入口处的分级排序可有效消除或减轻短路流的影响。由图6可知，从Z2截面开始，浓度分布呈现较为规律的环状分布，内部为靠近轴心区域的低浓度区域，外部为靠近边壁的高浓度区域。在三种分离器的圆锥段下部，RR-C基本只有单环状的浓度分布，而C-C和PR-C仍存在多环状的浓度分布，这说明RR-C中的颗粒在进入圆锥段下部之前就几乎全部被分离，而C-C和PR-C则在圆锥段下部的粉尘浓度还较高，需要进一步的分离。
3.2 颗粒排列对分离效率的影响
颗粒在旋风分离器入口处的排列分级可以有效解决C-C对细微颗粒分离效率不高的问题。在进气速分别为30 m3/h、40 m3/h、50 m3/h、60 m3/h、70 m3/h时，在入口处加入平均粒径为0.63 μm的粉尘颗粒，该粉尘由粒径分别为0.4 μm、0.6 μm、0.9 μm的小颗粒等质量混合而成，得到图7所示的C-C、PR-C、RR-C三种分离器的分离效率曲线。PR-C和RR-C的分离效率是随着流量的增加而先增加后缓慢下降；C-C是随着流量的增加而先增加后急剧下降，说明颗粒排列后，PR-C和RR-C的高效分离区域比C-C更广，具有更广的操作弹性。
当进气流量较低时，产生的旋转离心力较小，颗粒难以在排序器中进行有效的分级排序，三种分离器的分离效率均较低，且较为接近。但当进气口的流量过大时，旋转离心力过强，流体的湍动能急剧增加，使分离器内部的流场难以稳定，固体颗粒物难以在排列器内部进行有效排序。过大的离心力还会增强颗粒的返混，降低分离效率。三种分离器均在50 m3/h工况下的分离效率最高，分别为94%、91%、99%。在不同的气体流量下，RR-C的分离效率始终高于C-C和PR-C。
4 结论
（1）入口截面颗粒排列对颗粒在分离器内部的浓度分布有较大影响。在分离器各个部分，RR-C的浓度分布始终低于C-C和PR-C。RR-C综合分离性能优于C-C和PR-C。RR-C有助于颗粒避开短路流产生区，其流场内部颗粒高浓度区域面积也明显小于另外两种分离器；
（2）三种分离器的分离效率均是先随着流量的增加而增加，再随着流量的增加再降低。PR-C和RR-C随着后续流量的增加，分离效率的下降较为缓慢； C-C随着后续流量的增加，分离效率的下降会较快，说明颗粒排列后，分离器具有更广泛的操作弹性。
（3）C-C、PR-C和RR-C均在进气速度为50 m3/h时具有最高的分离效率，且分别为94%、91%、99%。在不同的气体流量下，RR-C的分离效率始终高于C-C和PR-C。
参考文献
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