旋風分離器最大效率入口氣速的試驗與數值模擬研究

《旋風分離器最大效率入口氣速的試驗與數值模擬研究》是依託太原理工大學，由楊景軒擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：旋風分離器最大效率入口氣速的試驗與數值模擬研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：楊景軒
• 依託單位：太原理工大學

項目摘要

旋風分離器性能的優劣對流態化工業裝置的安全生產，經濟和環境效益的保護意義重大。入口氣速顯著影響旋風分離器的性能，只有在最大效率入口氣速附近操作分離效率才會最佳。由於對該現象的形成機理認識不足，目前預測最大效率入口氣速離不開經驗，設計時會因為經驗的局限而未能充分考慮實際工況條件，影響旋風分離器性能的充分發揮。本申請用數值模擬和實驗方法，重點研究在不同進、排氣口尺寸，分離器直徑，顆粒自身特性條件下，入口氣速、渦核旋轉頻率和擺動幅值、顆粒返混情況之間的關係，揭示渦核動態行為對顆粒返混情況的影響規律，闡明入口氣速增加強化內流場的非穩態性加劇顆粒逃逸這一損害分離效率的物理機制。根據“主導機制在競爭中協調”這一物理原理，分析入口氣速提升增強離心作用促進顆粒捕集與入口氣速增加強化內流場的非穩態性加劇顆粒逃逸兩項主導機制在競爭中的協調關係，構建最大效率入口氣速的預測模型，為最佳化設計旋風分離器提供科學依據。

結題摘要

旋風分離器性能的優劣對流態化工業裝置的安全生產，經濟和環境效益的保護意義重大。入口氣速顯著影響旋風分離器的性能，只有在最大效率入口氣速附近操作分離效率才會最佳。由於對該現象的形成機理認識不足，目前預測最大效率入口氣速離不開經驗，設計時會因為經驗的局限而未能充分考慮實際條件，影響旋風分離器性能的充分發揮。 了解最大效率入口氣速現象的機理，關鍵在於理解為何過高的入口氣速會損害效率。研究表明，旋進渦核是造成顆粒返混從而損害效率的重要因素之一。因此，重點探索入口氣速——渦核旋轉特性——顆粒返混量三者之間的關係。渦核旋轉特性由旋轉頻率與渦核偏離分離器幾何中心的距離兩個參數衡量，二者隨入口氣速的變化規律是本課題的主要研究內容。由於最大效率入口氣速受分離器的入口結構影響，進一步研究了進口尺寸、排氣管尺寸、分離器直徑對渦核旋轉特性的影響。歸納總結上述研究發現，分離器內徑向匯流的能量對渦核旋轉特性有重要影響，當徑向匯流的能量超過入口總能量的14%時，渦核擺動明顯，無論徑向匯流的能量是因結構參數而變化還是因操作條件而變化。 上述研究發現，在排塵口安裝圓錐可以有效限制旋進渦核。分析帶有穩渦結構的旋風分離器內的顆粒跑損情況，再與無穩渦結構的旋風分離器對比，歸納渦核旋轉頻率和偏心距對顆粒返混量的影響。綜合上述研究結果，歸納入口氣速與因旋進渦核造成的顆粒跑損量之間的數學關係。除旋進渦核，隨短路流逃逸是顆粒跑損的另一重要因素。通過追蹤顆粒，構建入口氣速與因短路流跑損的顆粒量之間的數學關係。二者加合後即可構建入口氣速與分離效率之間的數學關係式。據此，將效率對入口氣速求導，取其極大值，即得到最大效率入口氣速的表達式。 本項目的研究成果有助於理解最大效率入口氣速的形成機理，在旋進渦核形成原因方面提出了新見解。歸納出的最大效率入口氣速計算方法對旋風分離器的最佳化設計有套用價值。相關拓展研究為旋風分離技術發展提供新思路。