扩散式气固分离器内两相流动数值模拟

　　1引言

　　旋风分离器由于其简单高效而广泛应用于能源、环保、建筑、冶金、矿山等行业的颗粒、粉尘分离。对于传统旋风分离器的实验和数值方法研究，已经获得了相当多的结果。本文研究的扩散式旋风分离器筒身为倒锥形，可以避免含尘气体向筒中心短路排放，同时阻气式反射屏能防止气流将已分离的粉尘重新卷起，从而改善设备性能，提高除尘效率，减少粉尘对下器壁的磨损[f1,21。本文拟采用数值方法揭示该类分离器的内部流场机制及分离行为，并探讨一些几何结构的影响等。

　　2物理模型

　　图1给出了计算用的物理模型，其中:A为扩散段，B为反射屏，C为扩散段角度，D为反射屏角度，E为反射屏顶孔。锥体部分倒置形成扩散段，倒锥体内部设置反射屏(漏斗状，尖端开孔)，反射屏与壁面之间有环向间隙。分离后粉尘颗粒在反射屏下部收集后排出，洁净气体则从顶部排出。方位角度的取向见图中所示。采用混合网格，局部加密。

　　3控制方程与算法

　　考虑应用中含尘浓度一般在1.7200 g}m3，对于煤粉颗粒，计算流速在8~15 m}s之间时，固气体积比达到10-'量级属稀相流动，拟采用单向祸合计算。

　　流场视为不可压流，连续相的质量、动量方程和一般旋风分离器的控制方程没有差别:

　　连续性方程

　　动量方程

　　考虑选用Yakhot和Orzag提出的重正化群即RNG k一模型处理三维旋转流气固分离问题。修正后的k方程和￡方程参见文献3,4。计算取二阶精度，壁面函数法模拟近壁面区域，采用SIMPLEC算法。

　　结合文献1,5中颗粒受力量级分析，其主要作用力为重力Fc和曳引阻力FD，各力的具体表达式及相关参数可参考文献6

　　拟采用随机轨道模型f4 ,7}跟踪颗粒轨迹。该模型采用随机方法考虑瞬时湍流速度对颗粒轨道的影响。

　　计算取定颗粒粒径分布服从Rosin-Ramme:分布，颗粒粒径最小1 }cm，最大60 }m，平均30 }m，颗粒分布指数n取1.8，分为7组。

　　4结果与讨论

　　4.1气相速度场

　　图2(a)}(c)分别给出了分离器四个横截面上的三种速度分布。器壁附近大的切向速度、低轴向速度，中心附近高的轴向速度、低切向速度，总体上较低的径向速度，反射屏下部三种速度都很小，这就是扩散式旋风分离器内的速度场特征。可以看出扩散式分离器内部为双层流动结构，反射屏下各截面小的轴向速度有助于防止颗粒被再次卷起。径向速度总体上比较小，下部圆筒段和反射屏内径向速度几乎为零，可以防止颗粒被推向中心从而减少夹带提高分离效率。切向速度总体上较大，有助于使颗粒产生大的离心力而分离。