PDF《高温条件下旋风分离器内气相流场的数值模拟》

第7卷第

5 期过程工程学报Vol.

7 No.5

2007 年10 月The Chinese Journal of Process Engineering Oct.

2007 收稿日期:2006?11?09,修回日期:2007?02?13 基金项目:国家自然科学基金资助项目(编号:20576074);

国家重点基础研究发展规划(973)基金资助项目(编号:G2005CB22120103) 作者简介:万古军(1980?),男,山东省东营市人,博士研究生,化工机械专业;

魏耀东,通讯联系人,E-mail: weiyd@cup.edu.cn. 高温条件下旋风分离器内气相流场的数值模拟 万古军, 魏耀东, 时铭显 [中国石油大学(北京)化工学院,北京 102249] 摘要:通过 FLUENT 6.1 流体计算软件,采用改进的各向异性的 RSM 模型,对直径

300 mm 的蜗壳式旋风分离器, 在入口气速

20 m/s 条件下,对293?1273 K 的气相流场进行了数值模拟. 模拟结果与实验数据吻合较好,表明温度变 化对旋风分离器的流场有较大影响,尤其是对切向速度影响很大. 旋风分离器内气相流场的切向速度随温度的升高而 降低,同时强制涡区扩大,沿轴向的衰减增大,两者的关系式为

0 t t / / λ ? = V V k H D . 当温度超过

1000 K,切向速度 降低幅度趋于减小. 由于温度升高导致气流的旋转强度下降而使下行的轴向速度略有降低, 上行的轴向速度略有升高. 温度变化引起气体粘度和切向速度的变化而影响旋风分离器的分离性能,当温度达到

1273 K 时,气体粘度增大使切 割粒径 dp50T 增加 1.58 倍,而切向速度降低使切割粒径 dp50T 增加 1.23 倍,切向速度与气体粘度的作用是同等重要的. 关键词:旋风分离器;

高温;

流场;

数值模拟 中图分类号:TQ051.8 文献标识码:A 文章编号:1009?606X(2007)05?0871?06

1 前言旋风分离器由于其结构简单、 无运动部件的特点非 常适宜于高温条件下的气固分离过程,被广泛地应用于 炼油、化工、动力等工业领域. 但以往的旋风分离器流 场研究受到实验条件的限制,进行高温条件下流场的研 究是比较困难的. 气相流场的测量和分析[1?3] 通常是在 室温下进行的,流场的数值模拟[4?6] 也基本是围绕常温 条件下的流场进行的,不考虑温度变化对流场的影响. 但旋风分离器的高温性能实验[7?12] 和性能数值模拟[13?15] 表明,温度的变化对旋风分离器的性能有很大的影响. 在相同的入口气速下,分离效率和压降随温度的升高而 降低. 这种性能上的变化需要对高温条件下的流场进行 机理分析. 为此,选择合适的湍流模型对旋风分离器的 高温流场进行数值模拟不失为一个较好的途径. 通过数 值模拟不仅可以考察旋风分离器流场与温度变化的关 系,而且可以获得高温条件下的旋风分离器全空间的流 场信息,分析高温条件下的气固分离过程. 本工作采用 FLUENT 6.1 流体计算软件对温度范围 293?1273 K 的旋风分离器气相流场进行了数值模拟, 主要研究温度变化对旋风分离器速度分布的影响规律, 给出在高温条件下流场与温度变化的关系式,讨论温度 变化对分离效率的影响,为建立高温下旋风分离器的气 固分离模型提供依据.

2 数学模型 2.1 计算模型 旋风分离器的流场是一个强旋流流场. 目前能较 好预测强旋流流场的湍流模型为 RSM(Reynolds Stress Model)模型. 然而在模拟旋风分离器流场时,该模型预 测的雷诺应力项与实验值有较大的差别,为此在 RSM 模型基础上对其压力应变项进行改进,可以保证雷诺应 力值与实验值吻合, 流场模拟结果的精确性也有提高[6] . 为此采用改进的 RSM 模型模拟旋风分离器的气相流 场,用QUICK 差分格式计算和 SIMPLEC 算法求解. 温度变化对气体性质的影响主要表现在粘度和密 度上. 数值模拟中需要对计算中的气体粘度和密度进行 修正, 将其表示为温度的函数. 常压下气体粘度与温度 的关系可用下式[16] 表示:

0 0 ? ? ? ? = ? ? ? ? m T T T , (1) 式中,m 为经验指数,对于空气 m 取0.683. 气体密度 与温度的关系可由气体状态方程表示:

0 0

0 ρ ρ ? ? = ? ? ? ? T T p T p . (2) 2.2 网格划分和边界条件 旋风分离器的结构尺寸如图

1 所示,筒体直径

300 mm,进气口尺寸

176 mm*84 mm,坐标原点设在升气 管的入口处,向上为正. 计算网格采用结构化网格,网 格划分如图

2 所示,最小网格尺寸为

6 mm,网格节点 数为

75391 个. 气相入口边界条件取入口气速 Vi=20 m/s. 气相出 口边界条件按充分发展管流条件处理,所有变量在出口 截面处轴向梯度为 0. 在计算中将旋风分离器的出口管

872 过程工程学报第7卷加长,以保证充分发展条件的成立. 在壁面处采用无滑 移边界条件,对近壁网格点用壁面函数近似处理. 2.3 可靠性验证 为了检验计算模型的可靠性, 将流场模拟结果与陈 建义[12] 对同尺寸旋风分离器高温流场测量数据进行对 比,见图 3,两者吻合较好,表明所采用的计算模型和 数值模拟方法能较好地预测旋风分离器内的高温流场, 有较高的可靠性. 270° 180° 90° 0° Z Y

420 mm

660 mm

260 mm

180 mm

80 mm φ80 mm φ210 mm φ120 mm φ300 mm

176 mm

84 mm φ96 mm

400 mm 24.5 mm R150 mm R

1 7

4 .

5 m m 图1旋风分离器的几何尺寸 图2旋风分离器计算网格 Fig.1 Dimensions of the cyclone Fig.2 Diagram of computation grids 图3旋风分离器模拟值与实测值对比 Fig.3 Comparison of simulated results with measured data

3 模拟结果与讨论 3.1 温度变化对气体流动的影响 温度变化对气体流动的影响是通过影响气体的粘 度和密度进行的,表现形式是能量的耗散. 温度上升使 气体的粘度增大,流动中的气体必将消耗一部分能量克 服粘性阻力, 温度越高, 粘性越大, 耗散的能量越大. 但 粘度的增加会使湍流强度降低[12] ,湍流耗散的能量降 低,综合作用的结果是能量耗散的增大. 另一方面温度 上升使气体的密度降低,也可以降低气体流动中的能量 耗散. 密度和粘度两者之间的关系可以通过流体的惯性 力与粘性力之比反映,即用雷诺数来描述. 因此温度变 化对流场的影响也可以用雷诺数的变化来描述. 选择旋 风分离器的直径和入口速度为特征长度和特征速度,则 结合式(1)和(2)可以得到考虑温度因素的温度 T 下的雷 诺数 ReT 与常温的雷诺数 Re0 的关系为 ReT=Re0(T0/T)1+m , (3) 式中,常温条件下的雷诺数 Re0=ρ0DVi/?0. 温度雷诺数 与温度的关系见图 4. Z X Y 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 -2 -1

0 1

2 3

4 Z=?324 mm

293 K, measured

673 K, measured

973 K, measured Simulated V t / V i Y/R 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Z=?324 mm

293 K, measured

673 K, measured

973 K, measured Simulated V z / V i Y/R 第5期万古军等:高温条件下旋风分离器内气相流场的数值模拟

873 图4旋风分离器温度雷诺数 ReT 与温度的关系 Fig.4 Relationship between Reynolds number ReT and temperature 随着温度的上升,气体粘性力逐渐增加,惯性力不 断降低,即温度雷诺数逐渐降低;

当温度超过

1000 K 后,温度雷诺数下降趋于平缓. 温度雷诺数的变化反映 了因温度变化而使密度和粘度产生的能量耗散变化量 的对比关系, 说明气体流动的能量耗散开始随着温度的 升高增加较快,主要是粘性耗散能量,当超过一定温度 后,粘性造成的能量耗散增加和密度导致能量耗散的降 低相互部分抵消,总的能耗趋于平缓增加. 这种能量耗 散的变化直接反映到流场的速度变化中. 3.2 切向速度 切向速度是旋风分离器内三维速度的主要分量. 图5是保持入口速度 Vi=20 m/s 条件下,旋风分离器轴 向Z=?120, ?624, ?850 和?1050 mm 四个典型截面上切 向速度随温度变化的曲线. 每个截面的切向速度均随温 度的升高而逐渐降低,当温度超过

1000 K 后,切向速 度的降低幅度趋于减小. 图5切向速度随温度的变化 Fig.5 Tangential velocity distributions under different temperatures 切向速度的变化反映了气体的旋转动能的大小. 温度升高后, 气体粘度的增加一方面使流体与器壁的摩 擦损失增大, 更主要的是流体自身的能量耗散损失增大. 虽然气体密度的降低可以减缓能量的损失,但总的结果 使整个切向速度的分布沿径向降低. 升温开始时主要是 粘性耗散能量,切向速度下降的幅度比较大,当超过一 定温度后,粘性造成的能量耗散增加量降低,密度变化 对能量耗散减缓的作用增强,切向速度的下降幅度趋于 平缓. 因温度变化引起的切向速度损失量变化与图

4 旋 风分离器温度雷诺数随温度变化的趋势是一致的. 最大切向速度的位置 rt 是旋风分离器流场内部刚 性涡和外部的准自由涡的分界处. 刚性涡部分的旋转动

200 400

600 800

1000 1200

0 1

2 3

4 Re T ( *

10 5 ) T (K) -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 V t /V i Y/R Temp. (K)

293 673

973 1273 (a) Z=?120 mm -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 (b) Z=?624 mm V t / V i Y/R Temp. (K)

293 673

973 1273 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 (c) Z=?850 mm V t / V i Y/R Temp. (K)

293 673

973 1273 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 (d) Z=?1050 mm V t / V i Y/R Temp. (K)

293 673

973 1273

874 过程工程学报第7卷力来源于外部的准自由涡, 即上游的准自由涡提供了下 游刚性涡旋转能量. 随着温度的上升, 能量耗散的增加, 切向速度值衰减,不仅最大切向速度值下降,而且准自 由涡供给刚性涡的能量减少,最大切向速度点也略有外 移, 同时使刚性涡的切向速度分布由线性向非线性过渡. 从轴向看,气流的旋转强度越远离旋风分离器入 口,切向速度衰减得越大. 当温度升高后,温度对上游 切向速度的影响小于对下游的影响. 升气管附近的切向 速度随温度升高而降低的幅度小于锥体空间切向速度 的降低幅度. 切向速度因温度变化引起的相对于常温切向速度 的减小量?Vt 可以类比管流的沿程能量损失,表示为

0 t t t

0 0 t t , λ ? ? = = T V V V H k V V D (4) 其中, 阻力系数λ是温度雷诺数的函数, λ=0.3164/ReT 0.25 , H=h+|Z|相当于沿程长度,k 为修正系数,k=30.8. 式(4)反映了切向速度的减小量与温度之间的关系, 其中温度雷诺数 ReT 包含了温度变化对气体粘度和密度 的影响,见式(3);

而H反映了切向速度的轴向变........