不同入口蜗壳结构的旋风分离器内气相流场的PVC现象条幅机

2018-09-20 16:10:54来源：《化工学报》2018年第69卷

旋进涡核（PVC）现象会削弱旋风分离器对细颗粒的捕集效率。利用数值模拟方法研究纯气相流场中涡核的运动频率和偏心程度。结果表明：随着蜗壳包角的增大，排尘口截面涡核的运动频率和偏心程度都逐渐减小，PVC现象被削弱，蜗壳包角大于270°以后，纯气相流场中的PVC现象基本消失。入口切进度对排尘口截面涡核运动特性的影响会因蜗壳包角而有所不同。相比于入口结构的对称性，涡核偏心程度与下行气流的能量损失相关性更强。下行气流的能量损失越多，下行期间汇入内旋流的气流能量越高，内旋上行气流受到的横向扰动越大，汇入气流的能量超过某一阈值后，引发涡核摆动。而涡核旋转频率受下行气流能量损失的影响则较小。

旋风分离器是一种结构简单，制造安装费用低，操作维护方便的气固分离设备，能够在高温、高压、高颗粒浓度等苛刻工况下长期连续稳定运行。随着持续不断的改进，现代高效旋风分离器已能基本除净粒径大于10μm的颗粒，但对于5μm以下的超细颗粒的捕集能力仍需进一步挖掘。研究表明，旋风分离器捕集细颗粒的能力因分离器内若干局部涡旋流动的存在而削弱，而旋进涡核（precessing vortex core，PVC）现象就是其中之一。气流在分离器内旋转的中心（涡核）会偏离设备几何中心，并以一定的频率摆动，称为旋进涡核现象。旋风分离器全空间内都存在旋进涡核现象，但涡核的运动频率会随轴向位置而变化，并在排尘口达到最大。因而，旋进涡核会将部分已被壁面捕集的颗粒重新带入内旋流，造成大量颗粒的返混逃逸。因此，要抑制内旋流非稳态现象对颗粒返混逃逸的影响以进一步提高旋风分离器的效率，需要首先了解PVC的影响因素及相应的变化规律。

Hoekstra等的研究显示排气管尺寸变小将减小涡核大小并增加切向速度；而提高入口截面积比也可使流场非轴对称性得到改善；许伟伟等从入口形式的角度考察了旋风分离器的直切式和蜗壳式的区别，研究结果表明这两种入口形式下的流场都表现出非轴对称性，但是蜗壳式分离器内的流场对称性更佳。王江云等提出一种单入口双进气道结构的旋风分离器，模拟和实验结果显示这种结构基本消除了普通单入口旋风分离器内的涡核摆动现象，上述研究揭示了影响PVC的因素，但并未说明PVC的形成原因。柳绮年等通过实验测量发现旋风分离器内的流场都存在很明显的非轴对称性，认为其原因在于切向进气的入口形式。姬忠礼等也持相似的看法，认为非对称的入口形式是造成流场非轴对称的原因之一。付烜等的研究发现对称双入口结构可以增强内流场的对称性。然而，一些文献报道的结果与上述认识并不一致。严超宇等发现在对称双入口型旋风分离器中也存在旋进涡核现象，认为PVC产生的原因不能单纯归结为旋风分离器内流场的不对称性因素，而应该从流场中的回流等诸多方面去深入研究。可见，对于PVC现象的产生原因及其与旋风分离器入口结构形式之间关系的认识仍有待进一步加强。

对于入口结构，为了减少气流间的相互干扰，并有效地引导颗粒浓集到器壁上，采用蜗壳式结构较为有利。蜗壳式入口的设计参数包括蜗壳包角α和矩形入口切入筒体的宽度c。在Shi等提出的尺寸分类优化设计理论中，切进度和蜗壳包角属于第一类参数，根据经验取固定值，设计中不再变化。由于经验的局限性以及使用情况的千差万别，取固定值的设计方法可能会制约分离器性能潜力的挖掘。本文重点研究蜗壳包角和切进宽度对旋进涡核特性的影响，加深对旋风分离器入口结构形式与PVC现象之间关系的理解，以期为提高旋风分离器的细粉捕集性能提供参考。

总结：本文采用数值模拟方法研究不同入口蜗壳结构的旋风分离器内气相流场的PVC现象，结果表明，随着蜗壳包角的增大，排尘口截面涡核的运动频率和偏心程度都逐渐减小，PVC现象被削弱，蜗壳包角超过270°后，纯气相流场中基本观察不到PVC现象。入口切进度对排尘口截面涡核运动特性的影响会因蜗壳包角而有所不同，比较复杂。分析各结构中气流下行过程的机械能损失，发现相比于入口结构的对称性，排尘口截面涡核偏离几何中心的程度与气流的能量损失相关性更强。在输入机械能相同的前提下，下行气流的能量损失越多，下行期间汇入内旋流的气流能量越高，内旋上行气流受到的横向扰动越大。当汇入气流的能量超过某一阈值，促使内旋上行气流在其流动方向的法向振荡，即为涡核摆动。涡核旋转频率虽然也受下行气流能量损失的影响，但变化较小。

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