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1、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Realizable ke 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
2、 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a=30，罩筒高度hz
3、=16mm，导流棒长度L=120mm。图1 1 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0.01mm0.03mm。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。数学模型由连续性方程和动量方程建立，湍流采用了Realizable ke湍流模型2；旋流中的固液颗粒采用离散相
4、模型（DPM，Discrete Phase Model）34；用实验数据作为模型的边界条件；用SIMPLEC56算法求解Navier-Stokes方程。图2 3 数值计算采用的计算网格图2 3 数值计算采用的计算网格1-非结构化网格 2-结构化网格图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新在数值模拟过羽程中，选取实暴验压缩空气流神量范亏围团90m犬3跟/h 21型0m肚3茧/源h冬内浴7叫个点作为模拟纯边界条件，等导流旋流叶轮肌阻力损失计算镰结果与实验数驻据的比较如正图的5逢所示，从图中行看出，计算数闯值与实验数据猫吻合得比较好竭，平均相对误回差
5、坝4.3闪%至，在实验流量狠范围内数值计园算结果是可信泪的，由计算结急果还可以看出胃导流旋流叶轮泉的阻力损失较志小，当流量达旨到策193.6 崭m念3侧/趟h师时，导流旋流质叶轮的阻力损蔑失仅领有柿67mmH桥g致。亩图拔5籍环导流旋流叶轮篮阻力压降实验迅与模拟结果比灯较敞纱乖图科6雕厦模拟计算的导抵流旋流分离装逝置分离效率忽3.2讽泼导流旋流分离工装置的分离效艇率的数值模拟左分别对粒径铜为同5m相m勤，唇10m撇m拜，叨20m蚂m百，劫30m甚m俱的离散相颗粒茧，在实验流量盾范猎围歪90m使3朝/报h暮核210m部3享/嚷h笔内选财取斥6鹅个点进行数值笋计算，计算结杀果见装图弯6筹，从图中看
6、出斑，随离散相颗怠粒粒径的增大相，分离效率逐与渐增大，当粒江径匹为普30m让m脖时计算分离效衡率可达余到日100税%绳，当粒径页为蠢20m拌m惨时，分离效率结在挎98踪%昨以上，而粒径眯为慕10m想m葬时，分离效率赛在担90访%纪左右，当粒径永为秒5m咬m艰时，分离效率扰低病至猜80硬%老以下，因此，枕该导流旋流分扇离装置不适宜睛分离粒径小允于妻5m驱m蓬的颗粒。安3崭.3 桐导流旋流分离廊装置内轴向速稳度分布精图慈7杂是当进风口速血度封为皆29m/逝s退（流量存为墓90m锈3刻/他s猎）时数值模拟奉的导流旋流分联离装置内轴向宽速度分布图，舅图中坐标参见韵图述1蛙，由旺图泽7居看出轴向速度骡的
7、分布是对称歪的，沿分离装恨置气流方向，惯在分离段雄（今Z迟裙0.23暗m便漫Z至扎0.4m厕）啊的区域，最大船轴向速度逐渐灰向壁面移动，日同时最大轴向晃速度的值迅速正减小，在靠近役壁面处轴向流驴速下降很快，为在壁面处降为够零；在分离装冠置轴心附近，筝轴向速度为负吹值，出现回流唉；当气流到达讽Z至=0.50林m鄙的截面时，轴午向速度的峰值阵出现在轴心处胞，沿边壁依次化减小。和Z=0.23烈m宇、掌0.3五m级、阿0.4肯m希、割0.5m炕图进7童员分离装置内部教轴向速度分布悠（流羡量跌90m豆3吨/润h谦）丙3冲.旱4摔挡导流旋流分离内装置内径向速星度分布疗径向速度是影送响导流旋流分菊离装置内离
8、散拼相颗粒飞行时坡间的重要因素词，径向速度为陆正则会加速颗驻粒飞向分离装闸置内壁面，减膜小飞行时间；木反之则作用相还反。厉图垫8福是当进风口风谁速忍为俗29m/严s夺时数值模拟的弟导流旋流分离脖装置内径向速饮度分布图阔。从图划中殊Z=0.23破m赶截面（该区域纠在导流旋流叶借轮内部）的径惠向速度分布看牢到，径向速度楚峰值较大，当青进风口速度赏为春29m/脸s世时，径向速度赚的峰值可达骂到停9m/效s葬以上，但是在纽分离装置壁面像附近径向速度红下降较快迅速德将匹到俗2.4m/室s亲以下，说明了惕壁面对流体流标动的滞止作用桂。较大的径向冠速度对离散相丙颗粒的分离有稼积极的作用，话加快离散相颗将粒以
9、较快的速吹度和较短的时敬间向壁面运动元而后被捕集。教对攻于勤Z=0.30余m息、时0.40顷m洒、队0.50绸m弦截面，径向速岗度均为负值并格且呈对称分布旺，但是三个截丹面径向速度的牛变化不大，办在示0季持馒1m/屈s群之间，而且随熟着靠近分离装伪置出口径向速假度的绝对值有严增大的趋势。未Z=0.23学m认、按0.3惊m夺、械0.4返m启、余0.5m偶图旦8非腾分离装置内部摩径向速度分布名（流匙量口90m赠3里/炒s洽）处3 5穗遮导流旋流分离蹲装置中离散相皱分离可视化及教分塞析父洒数值模拟导流肃旋流分离装置岸中离散相颗粒剪的分离过程，塑即可视化离散对相颗粒在分离页装置中的轨迹番和存时间。此图
10、桌9浙、按图破1毒0焦和抱图门1蓝1既是当进风口风椅速深为啊29m/仆s铸，离散相颗粒眠粒径分别槐为纷5m须m移、妹10m会m规和节20m将m弹时，通过分离盾装置的分离可个视化图。从帜图串1诵1圆看出，粒径碗为糊20m局m某的离散相颗粒举绝大部分被捕事集，从怠图傅9鸣看出粒径腰为汤5m爷m诊的离散相颗粒啊有相当一部分沟逃逸，这说明舞了该种导流旋佳流分离装置不汇适宜用于分离吐离散相颗粒粒朗径小粘于基5m训m煌的情况。思图足9纸料粒径厚为马5m鼓m芹的颗粒在分离禾装置中的轨迹到图忽10灌腊粒径吉为岭10m伸m瓶的颗粒在分离蜜装置中的轨迹痰图汪11捏被粒径息为锻20m抽m控的颗粒在分离接装置中的轨迹
11、4结论狗1叙、采纠用纺Realiz辆able 葡k松e万盆两方程模型奶，安Discre逃te Pha继se Mod眉e愉（梯DP怒M悔）模型，使左用倍SIMPLE挡R墓算法模拟导流毅旋流分离装置尽内的两相流场季是可行的。密2庆、数值模拟导某流旋流的分离池装置中气流的峰轴向速度分布自、径向速度分坏布和气流中离鹿散相颗粒的轨预迹。遗3娃、实验和数值陆计算导流旋流谷叶轮的阻力值厘基本吻合，且牢导流旋流叶轮离的阻力值较小观。数值计算出号导流旋流分离怨装置分离不同凤粒径颗粒的分谱离效率。丑4农、数值模拟结胜果表明该种导更流旋流分离装宴置不适宜用于对分离离散相颗等粒粒径小于权5m衣m山的微粒。参考文献承1
12、 鸭轨罗文班斌稳. 侦立管式导流旋鱼流叶轮净化装脉置的实验研究橡及数值分重析蒸.毁硕士学位论文越，北京建筑工鸦程学院歪，帅2004.3合2 雄T.-H.马象Shi肚h忆，骡W. W. 垂Lio毯u退，向A. Sha堆bbi凯r眯，壮etc.避 A 砖n师ew 董k茂-犯 e歇ddy-脉v皂iscosi义ty 题m井odel f恒or 鹊h菊igh 扰R骤eynold笑s 田n孟umber 伙t量urbule抹nt 懂f细lows-祸m珍odel 笋d乌evelop蹄ment a矮nd 络v剥alidat扯ion. 前C缸ompute肾rs Flu田ids怒，谅1995殊.震24答（反3还）：钞
13、227副黑238预3 F谈LUENT 景6.1 do至cument仔ation.察 2003.样1.28.腐4 偷假陶文繁栓筑.摇就数值传热学（浮第二版屈）枕.添穿西安：西安交患通大学出版社雹，铁2001. 烧5郑5 疫区帕坦扑卡上S V.枯答传热与流动的弹数值计订算俘.奉袜张正亏译培.狐狠北京：科学出啦版售社园,198沃9授：糊120, 1顿47, 15怎2辞朗157,16装8躺6 P袍atanka钢r S V.俭 A cal安culati然on pro额cedure瓦 for t痛wo-dim水ension脾al 耍ellipt框ic锻掉situat叮ions. 齐Number暮 Heat
14、 界Transf余e山r碌，按1981. 幅24麦1愚拴289姜Numeri话cal受 Calcu羞lation体 of th酸e Char午acteri怪stics 步of a N素ew Dev轧eloped砖 Cyclo堡ne Imp悄eller 季Separa丝tor围Abstra奔ct助：拣 Based辞 on ex溉perime习ntal s帐tudy o库f a ne耗w deve末loped 屿cyclon每e impe治ller s衫eparat海or, a 野numeri闻cally 秋study 粗is car界ried o唉ut by 其FLUENT毫 softw臭are
15、 an有d comp翅ared w伶ith ex逼perime星ntal r爬esults鼠. The 过cyclon究e flow甘 model败 is Re垮alizab迟le 昼 turbu浙lence 问model,葡 and t群he Dis姐crete 杀Phase 授Model 台(DPM) 小to des敏cribe 外the 2-惩phase 煤flow腰,殿 and t植he bou武ndary 累condit堆ions i俱s give终n by e钞xperim戏ent st车udy. T羊he sim鞭ulatio材n fits湿 the e侦xperim话ent re页sults 惯well. 毙Keywor犬ds乒：括cyclon局e局处separa帮tor双戴numeri诚cal si柄mulati纺on 奋 resi迹stance才联effici看ency
