高效节能旋风分离器的开发—数值模拟与实验研究

【摘要】：本文用计算流体力学软件对一种入口螺旋下倾旋风分离器的入口结构进行优化，对不同入口旋转角（240°、300°、360°）、不同入口截面角（5°、15°、25°、35°、45°）以及不同入口形状（矩形、正方形、圆形）的旋风分离器进行了数值模拟，气相部分采用Euler坐标系下的RSM雷诺应力模型，颗粒相部分采用拉格朗日坐标系下的随机轨道模型，对模拟结果的流场、分离性能和压力损失等进行了分析，并与实验结果进行了对比，得到如下结论： （1）随着入口旋转角的增加，流场的轴对称性变好，锥形体底部摆动现象减弱，切向速度减小，回流现象加重；颗粒分级效率减小，压降降低。 （2）随着入口截面角的增加，分离空间切向速度变大，上升流中轴向速度减小，下降流中轴向速度一侧增大、另一侧减小，而锥形体部分流场对称性变差，出现了摆动、偏心和严重的紊流现象。在一定的入口速度下，分离效率随着入口截面角的增加先减小后增大，但当入口速度增大到20m/s以上时，入口截面角的改变对分离效率的影响却不明显。当入口速度小于15m/s时，45°角的分离性能较好；而当入口速度大于15m/s时，5°截面角的分离性能较好。随着入口截面角的增加，入口螺旋下倾旋风分离器的压力损失增大；而且入口气速越大，压力损失随入口截面角变大而增加的幅度就越明显。 （3）对圆形、正方形、矩形三种入口形状的旋风分离器而言，其锥形体底端都出现了严重的摆尾、偏心现象；相对而言，矩形入口分离器锥形体下端流体的轴对称性较差。三种入口形状分离器内流场切向速度从大到小的排列顺序为：正方形、圆形、矩形；轴向速度从大到小的排列顺序为：矩形、圆形、正方形。当气流携带的颗粒粒径小于3μm时，圆形入口分离器的分离性能较好；当气流携带的颗粒粒径大于3μm时，正方形入口的分离器分离性能较好；在同样的入口气速条件下，压力损失从高到低的排列顺序为：正方形、圆形、矩形。 （4）实验结果表明，入口螺旋下倾旋风分离器的分离效率和压力损失均随着入口速度的增加而增大，入口速度越大，压降随着入口速度的变化越明显，增长幅度越大；但分离效率随着入口速度增大而产生的变化却变小；实验数据与仿真结果基本吻合。 【关键词】：螺旋下倾旋风分离器 入口参数 数值模拟 实验研究
【学位授予单位】：集美大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TQ051.8
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-11
• 第1章 绪论11-24
• 1.1 课题背景及研究意义11
• 1.2 旋风分离器的基本结构和工作原理11-12
• 1.3 旋风分离器的性能指标12-14
• 1.3.1 分离性能指标12-13
• 1.3.2 能耗指标13-14
• 1.4 旋风分离器技术研究进展14-18
• 1.4.1 关于气固两相流动模型求解的数值方法研究进展14-17
• 1.4.2 关于旋风分离器设计的实验研究进展17-18
• 1.5 旋风分离器入口结构的研究现状18-23
• 1.5.1 旋风分离器入口结构型式研究现状18-19
• 1.5.2 多进口旋风分离器的研究现状19-21
• 1.5.3 关于入口形状影响的研究21-22
• 1.5.4 关于入口截面角的研究22
• 1.5.5 关于螺旋下倾角的研究22-23
• 1.6 本文主要研究内容和方法23-24
• 第2章 旋风分离器的数值模拟方法研究24-35
• 2.1 气相数值模拟方法研究24-31
• 2.1.1 湍流模型24-29
• 2.1.2 离散化29
• 2.1.3 压力插补格式29
• 2.1.4 压力与速度耦合29-31
• 2.2 颗粒相的数值模拟方法研究31-34
• 2.2.1 单颗粒运动方程31-33
• 2.2.2 随机轨道模型33-34
• 2.2.3 气固两相间的相互作用34
• 2.3 本章小结34-35
• 第3章 不同入口旋转角对旋风分离器性能影响的数值模拟35-49
• 3.1 建模及数值求解35-37
• 3.1.1 几何模型35-36
• 3.1.2 网格划分36
• 3.1.3 边界条件36-37
• 3.1.4 求解方法37
• 3.2 仿真结果与分析37-47
• 3.2.1 流场分析37-45
• 3.2.2 压降与能耗分析45-46
• 3.2.3 分离性能对比分析46-47
• 3.3 本章小结47-49
• 第4章 不同入口截面角旋风分离器气固两相流动模拟49-59
• 4.1 建模49-50
• 4.1.1 几何模型49-50
• 4.1.2 模型选择50
• 4.2 边界条件与网格划分50-52
• 4.2.1 气相边界条件50
• 4.2.2 颗粒相边界条件50-51
• 4.2.3 网格划分51-52
• 4.3 仿真结果与分析52-58
• 4.3.1 流场分析52-56
• 4.3.2 压力损失分析56-57
• 4.3.3 分离性能分析57-58
• 4.4 本章小结58-59
• 第5章 不同入口形状旋风分离器气固两相流场模拟59-70
• 5.1 建模59-60
• 5.1.1 几何模型59
• 5.1.2 气固两相流模型59-60
• 5.2 边界条件60
• 5.2.1 气相边界条件60
• 5.2.2 颗粒相边界条件60
• 5.3 仿真结果与分析60-68
• 5.3.1 流场分析60-65
• 5.3.2 能耗损失分析65-66
• 5.3.3 分离性能66-68
• 5.4 本章小结68-70
• 第6章 螺旋下倾旋风分离器的实验研究70-74
• 6.1 实验装置介绍70-71
• 6.2 实验过程描述71-72
• 6.2.1 实验介质71
• 6.2.2 实验步骤71-72
• 6.3 实验结果与分析72-73
• 6.3.1 总分离效率分析72-73
• 6.3.2 压力损失73
• 6.4 本章小结73-74
• 第7章 结论与展望74-76
• 7.1 结论74
• 7.2 展望74-76
• 致谢76-77
• 参考文献77-80
• 在学期间发表的学术论文80

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