为了在产品方案设计阶段验证直流式旋风分离器性能,利用罗辛-拉姆特函数对试验粉尘(ISO 12103-A4)粒径分布进行拟合。利用Fluent软件对直流式旋风分离器进行性能仿真,为满足分离效率不低于85%,降低流阻的需求,利用Optislang软件对旋风分离器结构参数进行优化,结果表明粉尘平均粒径为42.27μm,粒径分布指数1.126;分离器入口粉尘浓度由1%增至5%,分离效率不变,流阻由31.09 kPa增大至31.45 kPa;旋流叶片螺距对流阻敏感度为99.7%,对分离效率敏感度为94.3%,旋流叶片长度对流阻不敏感但对分离效率有5.8%的敏感度;通过匹配旋流叶片螺距及叶片长度,实现流阻由31.09 kPa降到12.12 kPa,分离效率仅降低4.01%。

为了选择更适合于旋风分离器流场数值模拟的湍流模型,采用多种湍流模型对旋风分离器的内流场进行数值模拟,并将计算值与试验值进行比较.结果显示采用RSM(雷诺应力模型)得到的结果比采用标准k-ε模型的更贴近实验值,更适合用于强旋流流场的数值模拟,揭示了强旋流所具有的涡结构及各向异性的特点;采用雷诺应力模型及曲线坐标系下的SIMPLEC算法可以计算湍流各向异性的复杂三维流场.

提出了影响和限制旋风分离器分离效率的关键因素为短路流和短路流中的颗粒浓度,而影响和控制短路流及其中颗粒浓度的结构因素又为切向入口下缘至芯管入口断面环隙的垂直距离的假定.以此假定为基础建立分离模型导出了新的临界粒径计算式.新的临界粒径计算式涵盖的影响因素全面,且各参数均具有明确的几何物理意义, 使用中便于确定其值.此计算式避免了同类算式Rosin 公式中的参数N凭借经验在一定范围内人为取值的问题.

为了进一步提高旋风分离器性能,对导叶式旋风分离器结构进行多目标优化。首先构建旋风分离器参数化脚本模型,通过数值模拟与台架试验对模型准确性进行验证,再基于全局高灵敏参数,利用搜索能力强和收敛速度快的改进PSO算法,以分离效率和压降为性能目标对分离器结构进行优化。对比分析优化前后的参数变化率、静压力与湍动能,结合工程需求选取最优方案,并对最优方案进行试验验证。结果表明:优化后的参数配置可有效减弱内部湍流运动强度和能量

为了分析旋风分离器壁面磨损问题，基于计算流体力学的方法，应用Fluent软件中的雷诺应力模型（气相）和离散相模型（固相），通过对旋风分离器内气固两相流场的耦合计算，对分离器流场中颗粒浓度分布和气固两相流场对壁面的磨损进行了数值模拟，并对计算结果和磨损原因进行了分析。结果表明：数值计算能够定性的预测旋风分离器壁面的磨损情况，能得出壁面磨损的主要部位即入口区域、锥体下部、灰斗以及料腿的上部等，同时也得出了壁面磨损的分布云图，这些对旋风分离器的设计、壁面磨损的分析和防磨措施的提出具有一定的参考价值。

针对旋风分离器内部流场的研究,采用数值模拟的方法模拟了分离器内固体颗粒的运动轨迹。通过分析不同粒径及入口速度对旋风分离器内固相颗粒运动轨迹的影响,探索了颗粒在旋风分离器中运动的物理机理,随后对旋风分离器的灰斗长度进行了优化。结果表明：颗粒在旋风分离器中运动轨迹比较复杂,且同时受到入口速度和粒子半径的影响,相同粒径颗粒在不同入口速度下运动轨迹不同,且小粒径颗粒较容易受到入口速度的影响,旋风分离器在＂标准＂灰斗长度下的分离效率及分离性能最好。模拟结果可为工程实际应用提供一定的理论指导。

为了揭示径向喷射规整旋流器（RJC）的高效分离机理,在非稳态下采用雷诺应力模型（RSM）对其内部气相流场进行了数值模拟.与Stairmand型旋风分离器（SC）对比发现,RJC的流场更具有轴对称性,切向速度值更大,短路流量更小,更有利于细小颗粒的分离,但是RJC的压降较大.对比“圆柱”型内筒和“圆锥”型内筒2种情况下RJC的短路流量发现,内筒为“圆锥”时,RJC的短路流量更小.

运用FLUENT软件对3种采用不同二次分离元件直径尺寸的双级分离式旋风分离器模型进行了数值计算,研究分析了其内部流场特性和以旋流切向速度为代表的主要参数的变化规律,在考虑压差阻力和分离效率权重的基础上,得出二次分离元件的最佳直径尺寸,并与模化试验结果进行对比,确定了最优性能的双级分离式旋风分离器结构方案,为优化其结构参数并提高其性能提供理论指导和参考。

利用FLUENT中的RSM模型和DPM模型对不同排气管底口半径r的缩口式旋风分离器进行了内部流场的数值模拟。对结果的时均图进行分析,得到随着收缩半径r的减小,排气管入口面积在减小,轴向速度及切向速度均增加,速度的增加可使靠近中心的颗粒获得更大的离心力,因此被捕集的颗粒数增多。当半径r与排气管半径R比值为1~0.9时,分离效率提高不大,压降变化也较小,比值为0.8~0.5时,分离效率提高很多,同时能量损失也较大,在半径r逐渐减小的过程中,旋风分离器分离效率增加,压降增加。综合考虑,当r/R为0.6~0.5左右时,分离效率约为97%~98%,此时压降也较合理。

借助流体力学软件 FLUENT,采用 RSM 雷诺应力模型,对直切双入口型旋风分离器进行了数值模拟,分析了矩形入口不同高宽比对旋风分离器内的气相流场、压力降和分离效率的影响。结果表明:在入口面积和处理量相同的情况下,随着入口高宽比的增加,切向速度先增大后减小,对轴向速度的影响不显著。压力降先增大后减小,受到湍流的影响,在入口高宽比为 3.5 处达到最大值。由于较高的切向速度和较低的湍流强度,入口高宽比为 4.5 时分离效率最高。