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旋风分离器气固两相流数值模拟

硕士学位论文开题报告及论文工作计划书

课题名称XLP/B型旋风分离器气固两相流数值模拟

学号1000484

姓名曹

专业

学院机械工程与自动化学院一

导师张

副导师

选题时间2011年9月22日

东北大学研究生院

年月日

填表说明

1、本表一、二、三、四、五项在导师指导下如实填写。

2、学生在通过开题后一周内将该材料交到所在学院、研究所。

3、学生入学后第三学期应完成论文开题报告，按有关规定，没有完成开

题报告的学生不能申请论文答辩。

、立论依据课题来源、选题依据和背景情况、课题研究目的、理论意义和实际应用价值

课题来源：

旋风分离器是利用旋转的含尘气体所产生的离心力，将尘粒从气流中分离出来的一种气固分离装置，它的应用迄今为止己有一个多世纪，是工业应用最广泛的烟尘净化设备之一，它利用旋转气流产生的离心作用将粒子从气流中分离出来，具有结构简单、无转动部分，可分离微小粒径（小至几微米）、实用价值强等特点。

该种分离器广泛应用于化工、制药、食品、环保等工业生产中，如各类除尘设备，循环流化床重要分离机构，在石化工业的催化装置中，用于分离回收贵重催化剂，是降低催化剂单耗、提高经济效益的关键设备。

除此之外在很多粉料处理过程中，旋风分离器也是必需的分离装置，如干燥机中气固分离等。

本文将对干燥机气固分离中气固两相流进行模拟分析和结构优化，但是旋风分离器内部是三维两相流状态，内部流场分布非常复杂，很难确定，这样就对旋风分离器的设计优化带来了麻烦，使得制造出的分离器分离效果不好，效率不高，经常出现尘粒难以捕捉的现象，因此获得旋风分离器内气固两相流的分布情况迫在眉睫。

选题依据：

由于旋风分离器中的气、固流属于三维强旋转湍流，伴随着两相分离运动，而且涉及到气固两相相互作用以及凝聚、吸附和静电等许多复杂物理现象，使得理论研究遇到很大困难，理论进展缓慢。

近几十年来，人们己经发展了多种气-固两相流诊断和分析工具来研究分离器内部的流场结构、压降和分离效率。

这些工具主要分为三类：

一类是采用理论分析的方法，一类是采用各种实验手段，另一类是采用计算流体力学的方法。

基于计算机的数学模型是另一重要的流场分析工具。

它运用计算流体力学手段，求得旋风分离器内气-固两

相流的运动发展和变化。

由于只需计算机，因此具有周期短、见效快、费用低、信息量大、实用性强、能够充分反映分离器几何结构和操作条件对内部流场和分离效率的影响的优点，是旋风分离器研究的重要手段之一。

尽管计算流体力学还没有完善到完全取代实验的程度，但近一、二十年的发展已经呈现出诱人的前景。

因此运用计算流体力学理论，发展数学模型并加以模拟是解决工程实际问题、探索分离器内部流动和分离效率的切实可行的有效手段。

背景情况：

旋风分离器用途很广，广泛地应用于石油、化工、机械和电力等工业部门。

许多研究者对影响分离器性能的结构和运行参数进行了大量研究，降低分离器压降等，提高分离器的分离效率。

Lim等人研究了升气管尺寸及形状对分离器性能的影响；Xiang等人比较了不同排尘口直径分离器的分离效率；Zhu等人对不同直筒段高度分离器的分离效率进行了试验研究。

入口高度和宽度是影响分离器性能的主要结构参数，研究结果指出当入口风速和入口面积一定时，随着入口高宽比的增大，分离效率会略有升高，而压降也会增大。

但是，针对入口高宽比对分离器内部气固流动影响的深入研究却很少。

旋风分离器的结构相对简单，但其内部流动却相当复杂，目前对分离器内部气固流场的预测主要依靠一些经验模型。

近年来,随着计算流体动力学的发展，CFD技术越来越多地用于预测分离器内部的气固流场。

分离器内强旋流动计算的准确度在很大程度上依赖于所选用的湍流模型，虽然雷诺应力模型RSM计算量大，但是其预测效果很好。

课题研究目的：

由于旋风分离器内部的流动非常复杂，所以用试验或者解析的方法来得出分离器内部的流动状况比较困难。

单纯地通过实验来研究旋风分离器，由于受到条件的限制，耗费大量的人力、物力和财力，而且周期通常都比较长。

由于计算机的飞速发展，人们已经可以借助于计算机模拟技术来对旋风分离器的流场和颗粒运动进行数值模拟。

数值模拟方法具有模拟能力强、计算速度快、资金投入少等优点。

通过对旋风分离器的气固两相进行模拟，可以揭示分离器内部的流动规律，从而能优化分离器的结构，缩短分离器的开发周期，具有重要的工程意义。

旋风分离器内气固两相流场及颗粒浓度的分布的描述是建立正确的分离理论的基础。

要提高旋风分离器的分离效率、改进结构和优化尺寸，必须深入地研究分离器内湍流流场及固体颗粒的浓度分布规律。

采用商业软件Fluent6.3有限元分析软件对不同入口高宽比旋风分离器内的气相流场进行了数值模拟，同时利用拉格朗日法模拟了分离器内颗粒的运动轨迹，采用前人的试验数据对数值计算结果进行了验证，并对各个入口深度旋风分离器内部流场进行了分析和对比，为入口结构尺寸的优化及改进提供了参考。

旋风分离器内气固两相流场及颗粒浓度的分布的描述是建立正确的分离理论的基础。

要提高旋风分离器的分离效率、改进结构和优化尺寸，必须深入地研究分离器内湍流流场及固体颗粒的浓度分布规律。

理论意义：

由于旋风除尘器的分离、捕集过程是一种极为复杂的三维、二相湍流运动，致使理论与实验研究十分困难。

另外，设备的结构不同，几何尺寸不一，尤其是气一固两相本身物理性质的差异，操作条件的变化等等因素，都对旋风分离器的主要性能一一效率、压力损失有显著的影响。

流场的数值模拟方法，是基于计算流体力学的原理，建立各种复杂条件下的基本守恒方程组，确定适用的模型加以封闭，用数值方法直接求解这些非线性联立的偏微分方程组，从而带到整个流场中各变量的时空分布。

旋风分离器对于分离粒径比较大的颗粒效果比较显著，但是对于历经比较小的颗粒的分离效果还比较差，如何深入分析旋风分离器内部流畅，进一步提高旋风分离器的性能有着很大的意义。

由于气体的粘度随温度增加而迅速增加，是气固两相的分离阻力增大，导致旋风分离总效率下降；另外选择不同的温度，压力损失也有所不同；因此温度的分布，对旋风分离器的压力损失和分离效率都有很大影响。

实际应用价值：

本课题研究的意义不仅仅在于能够解决困惑企业设计人员的实际问题，为企业对其产品的设计、检验、改造和优化提供实际的参考和指导，更大的意义在于能够为企业在降低产品的生产成本、提高产品的设计水平、提高企业核心竞争力方面提供思路和方法，本课题的研究结果具有一定的实际意义和经济价值。

旋风分离器内部进行的是两相流运动是气相和固体颗粒相的分离过程，而固体颗粒的运动在很大程度上取于分离器内湍流的运动。

对湍流及其模型的研究具有十分重要的意义。

在综述旋风分离器内湍流模型和数值模拟相关研究进展的基础上，着重分析了k-&双方程模型和雷诺应力模型在旋风分离器流场预测方面的进步和不足，并展望今后湍流模型的发展趋势。

随着旋风分离器理论研究的不断深入、计算机技术的不断发展和各种数学模型理论的不断完善，利用在数学模型基础上开发出的仿真软件代替具体的试验环境进行旋风分离器的研究与设计不仅可以节省大量的人力、物力和资金，而且可以更快地得到结果，并且所得结果也更合理、更全面、更有效。

目前已有许多单位和科研院所将计算机仿真技术引入了旋风分离器的研究与设计，这将为广大科研工作者带来了极大的方便。

、文献综述国内外研究现状、发展动态；所阅文献的查阅范围及手段

（一）国内外研究现状、发展动态

旋风分离器内部流场复杂，属于三维强旋流，并同时存在流体旋转和流线弯曲，还有回流现象，内部湍流具有强烈的非均匀性和各向异性的特点，因此旋风分离器内流场的模拟较为困难。

旋风分离器内部湍流模型发展如下：

按采用的湍流模型可以分为两类：

一类是基于k-£双方程模型，对其进行多种修正，另

一类是雷诺应力模型，其中第一类比较有代表性的是：

⑴Fraste在标准k-&模型的基础上，对湍能耗散方程进行修正，主要考虑了旋转作用对湍能分布的影响，在耗散方程中加入一项：

Ri=k2/込u/r2?

a（ur）/a（Z）,用以考虑旋转对流动的影响。

采用修正后的模型计算分离器内部的三维流场。

在圆柱段，切向速度和轴向速度数值预报结果与实验比较接近，但在分离器圆锥段，切向速度的分布与实验有较大的出入。

⑵周力行采用k-&模型，将旋风分离器简化为二维情况，同时不考虑入口的三维效应，模拟计算了分离器内的轴向和切向速度分布。

由于k-£本身的缺陷，使得计算和实验仍有较

大的差异。

⑶魏志军采用Chen-Kiml模型，计算了与Fraster结构相同的旋风分离器。

这种模型通过引入一个时间尺度（k/Pk，其中Pk表示湍能动能k的体积生成率）来改善耗散方程的动态响应，并通过实验调整了标准k-&模型的若干系数，使其在包括旋转流动的几种情况下可能获得满意的结果。

与Fraster相比，计算结果有所改进，但这种改进仍然是有局限的，并且不能给出湍能的各向异性分布。

（4）林玮等采用Rodi提出的旋转流动的k-&模型，计算了切向入口旋风分离内部流场，得到的切向速度和轴向速度计算结果与实验接近。

对第二类有代表性的：

（1）Boysanl考虑到标准k-&双方程模型在计算强旋流流场方面的缺陷，转而采用能反映湍流各向异性的代数应力模型。

他将整个装置中常用的灰斗略去，并将旋风分离器简化为二维形式，这样所计算出来的流场并不是真正旋风分离器中的三维流场，而仅仅是一个二维流场，这主要是受当时计算机条件的限制。

但即使是这样，计算得到的速度场也能反映出分离器内部切向速度的刚体涡与自由涡的组合结构。

（2）林玮等将Launde提出的雷诺应力模型简化为代数应力模型，对旋风分离器内部的三维流场进行模拟计算，得到的结果表明旋风分离器内部的流场具有很强的各向异性的特点，比较准确地给出了切向速度组合涡结构。

（3）周力行等曾经多次采用雷诺应力模型及其简化了的代数应力模型，计算强旋流气一固两相流，并推导出用于气一固、气一液两相流计算的统一二阶矩模型，通过模拟不同旋流数

的旋转流动，得到了较合理的结果

旋风器分离模型的发展：

关于旋风分离器内气体运动的理论计算研究，由于气体流动的复杂性，一般均假定为轴对称流动。

在早期的研究中，甚至曾假定为层流流动，近年来才考虑了湍流的影响。

对于湍流脉动的研究，又可将其分为初级模型和高级模型。

1962年，Lewellen把不可压缩流体的连续性方程和Navier-stokes方程在圆柱坐标系和轴对称定常流动下进行了简化，通过引入流函数和环量，得到了强旋转简化层流模型。

1975年Bloor、Ingham运用普朗特提出的混合长理论确定湍流表观粘度，并对水力旋流

器流场进行了分析，建立了适合于工程应用的初级湍流模型。

1982年Boysan等人利用Rodi推得的关于雷诺应力的近似代数关系式，得到了高级湍流模型。

用这些模型计算得到的切向速度数值解与实验测定结果较吻合。

关于引入粉尘后，粉尘对气体流动的影响和其使含尘气流压降低于纯气流压降，以及粉尘之间的碰撞、团聚对分离效率的影响等，Mothes等作了较全面的研究，国内张民权利用Dietz提出的模型分别进行

了理论计算和实验验证。

国内关于旋风器分离模型的研究较晚，大都始于20世纪90年代，并借鉴了国外旋风器

分离模型的研究思想。

在国内，中科院力学研究所、上海化工研究院在？

400mm及？

830mm旋风分离器模型上，用五孔球形探针及热线风速仪进行了测试。

许宏庆在？

288mm模型上，

用双色激光多普勒测速仪进行了测试。

这些流场测试图呈现出的规律大致与TerLinden所得

结果相同，但他们都认为非对称的切向进口造成了旋涡中心与几何中心不一致，径向速度分布呈现非轴对称性等现象，同时还证实了上涡流的存在。

数值模拟的发展：

为满足工业发展的需要，旋风分离器必须具备高效低阻的特性。

自1886年Morse的第一台圆锥形旋风分离器问世以来的百余年里，国内外众多学者对分离器的结构、

尺寸、流场特性等进行了大量的研究。

旋风分离器内部流场复杂，属于三维强旋流，并同时存在流体旋转和流线弯曲，还有回流现象，内部湍流具有强烈的非均匀性和各向异性的特点，因此旋风分离器内流场的模拟较为困难。

20世纪70年代，计算流体力学和计算传热学得到了很大的发展。

自60年代出现数值模拟以来，发展到现在已经历了40多年，大概经历了三

个阶段：

第一阶段的数值模拟，Reydon的工作比较有代表性他对旋风分离器中数量级最大的切向速度进行了近似计算。

首先他将流场分为外部自由涡区和内部强制涡区，并作了几条假设：

方程不依赖于时间，即达到稳定状态；忽略体积力；各物理量随角度变化为零，即为轴对称流动；根据实验结果，假设切向速度，轴向速度和径向速度的轴向梯度远小于它们的径向梯度；密度和湍流总粘度为常数。

Reydon在上面几条假设的基础上对N-S方程做了大量的简化处理，得到了一个极为近似的计算切向速度的关系式，并通过他们以前做的大量实验数据对这一关系式作了修正，从而得到了一个依赖于实验的半经验公式。

第二阶段有代表性的是英国学者F.Boysan所做的工作。

在旋风分离器优化设计上，他不仅在气体流场的数值计算方面，而且在气固两相流的数值计算上都做了大量的工作。

他认为气体流场的三维效应仅限制在气体的切向入口附近，而旋风分离器中的主体流场应非常接近于轴对称。

根据这一思想，他把控制方程中与角度有关的项去掉，从而使方程得到了简化。

但即使是这样，计算得到的速度场也能反映出分离器内部切向速度的刚体涡与自由涡的组合结构。

在湍流模型的选择方面，作者考虑到标准k-£双方程模型在计算强旋流流场方面的缺

陷，转而用了能反映湍流各向异性的代数应力模型。

在计算方法上，用SIMPLE算法和有限

差分法离散控制方程，得到的轴向和切向速度的计算结果与实测结果相比较还是基本吻合的。

由于旋风分离器中的气体流场是一个三维流场，所以要对气体流场进行-数值计算，就应

舍弃轴对称流的假设，从此进入了三维数值计算的第三阶段。

日本Hiroshima大学的学者

HidatoYoshida做了这方面的工作，计算的是带直切入口并在锥体下部带有灰斗的旋风分离器。

在生成网格方面，他分别用了贴体坐标网格和阶梯形网格进行计算，并认为采用贴体坐标网格计算出来的结果更能得到合理的解释。

所用的湍流模型是未加修正的标准的k-&双方

程模型。

从计算结果来看，作者确实得到了跟角度有关的三维流场，但由于作者采用的湍流模型是标准的k-&双方程模型，而这种模型在计算强旋流流场的分布时存在着一些缺陷，如使得中心流区域减短或不能预测。

毛羽、李仁年等学者用数值模拟方法计算了旋风分离器内的紊流过程。

对紊流的处理分别采用了标准的k-£模型和RNGk-&模型。

与实测速度分布对

比结果表明：

RNGk-&模型计算结果与实测值吻合较好，标准k-&模型计算结果与实测值吻合较差，可以将RNGk-&模型作为研究旋风分离器分离性能、能量损耗的工具。

上述各种对旋风分离器中单相及两相流场的数值模拟都针对不同结构形式的旋风分离器的具体情况，并进行了不同程度的简化。

但是，己有的计算模型及方法尚不够完善，期待有进一步提高。

目前对螺旋型旋风分离器这种新型的旋风分离器所做的研究还相当少。

对其分离机理的理论探讨还远远不够，其分离效率、压力损失与气体流量和结构参数的关系尚待确定。

实际上旋风分离装置并非仅限于气一固分离，还包括气一液分离和液一固分离器等，其结构也不尽相同。

（二）所阅文献的查阅范围及手段

主要通过以下数据库查询相关资料并且阅读相关书籍及文章中文数据库：

中国科技期刊数据库

1989-2009

中国学术期刊全文数据库

1994-2009

万方数据库：

中国科学技术成果库

1986-2009

中国专利文献数据库

1985-2009

中国学术会议论文数据库1989-2009

中国学位论文数据库

1977-2009

中国优秀博硕士论文

1999-2009

国家科技图书文献中心（中文）

1980-2009

外文数据库:

美国《科学引文索引》（SCI）

世界专利索引（DII）

1975-2009

1963-2009

欧洲专利数据库（Esp@cenet

2000-2009

CurrentContentsConnect

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美国《工程索引》（ElCOMPEN主要参考文献：

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三、研究内容

1研究构想与思路、主要研究内容及拟解决的关键技术

研究构想与思路

本课题根据XLP/B旋风分离器的实际几何尺寸及设计条件，利用三维绘图软件建立旋风分离器的三维模型，然后将建立的模型导入有限元分析软件，建立其数学模型。

采用数值模拟的方法，利用FLUENT^件研究旋风分离器的气相流场特性、气固两相流场特性、颗粒运动

轨迹以及结构参数、操作参数对其分离性能的影响。

最后，对XLP/B旋风分离器不同温度、

进口速度作用下的气固两相流场进行计算和分析研究，并依据结果提出优化意见，利用最优化原理进行结构参数优化设计。

（1）利用三维绘图软件建立构建XLP/B旋风分离器的三维模型，并选择合适的网格划分方法和密度，然后将建立的模型导入有限元分析软件，建立其数学模型。

分析和对比各种湍流模型、离散格式、两相流动模型等，提出一种最适合旋风分离器的算法。

（2）考察旋风分离器的气相流场，分析其三维速度分布、压力分布，流场的湍流结构特性以及流量与压力损失的关系。

（3）在单相流场的基础上，考察气固两相流场，对单颗粒及颗粒组的轨迹进行跟踪，并分析流量、颗粒粒径及颗粒浓度等操作参数对压力损失和分离效率的影响。

（4）对于相同的操作参数，调整结构参数，分析排气管直径、排气管偏置方向和相对偏心距等结构参数对分离性能的影响；最后提出一种结构改进的旋风分离器，并将其与普通旋风分离器