导叶式旋风管内气固两相流动控制与分离性能计算方法的研究

论文摘要

为了实现导叶式旋风管内气固两相的流动控制,本文采用分流型芯管和排尘锥两种流动控制结构进行了阻力特性试验和固相颗粒分离试验,得到了流动控制结构对旋风管分离性能的影响规律,并通过流动控制结构的组合,确定了不同类型的旋风管。结果表明:分流型芯管侧壁开缝管能够使旋风管的压降降低,1-20μm颗粒的分离效率平均提高了3个百分点,开缝面积比为3.0时分离效率最高,轴向开缝位置C使2μm颗粒的分离效率比基准结构的分离效率提高了6.7个百分点;高径比不同的排尘锥需要开不同宽度的侧缝来降低压降和提高分离效率。通过流场测试和计算分析了流动控制结构对旋风管主流和次级流动的控制作用,并根据旋风管内流场的测试数据,建立了分流型芯管侧缝处颗粒的平衡轨道控制模型。结果表明:分流型芯管开缝面积比增大,旋风管内切向速度和下行流区的轴向速度减小,分流型芯管轴向不同位置开缝使下行流区的范围扩大了2.5倍,分流作用的存在极大地消弱了排气结构下口的“短路流”,控制分流气流量和下行流量合适的比例关系是排气管处流动控制的关键;排尘锥开缝宽度为20mm时,从侧缝喷射出的气流速度要高于灰斗内气流的速度,形成较大的速度梯度,控制侧缝流出气流与灰斗内气流的速度差是排尘口处流动控制的关键。本文采用商用CFD软件FLUENT对导叶式旋风分离器内的气相流场进行了数值研究,并分析不同排气芯管对旋风分离器内的流场分布、颗粒逃逸的影响规律。结果表明:与常规锥形芯管相比较,分流型芯管能有效提高分离效率,降低能耗。主要由于分流型芯管侧缝起到分流作用,有效降低芯管下口短路流流量,另外,分流型芯管为流经芯管侧缝的气固流提供惯性分离作用。通过颗粒随即轨道模型,跟踪颗粒轨迹,结果发现:经分流型芯管侧缝逃逸的颗粒主要经芯管上部侧缝逃逸。分流型芯管侧缝面积对分离器内气固相流场的影响规律影响明显,研究发现经分流型芯管侧缝流出芯管气流量随芯管侧缝面积增加而增加,当侧缝面积比（分流型芯管面积与芯管下口面积之比）大于2.9时,旋风分离器内气流分配变化不明显;经芯管侧缝逃逸微小颗粒随芯管侧缝面积比增加而增加,经芯管下口逃逸微小颗粒随芯管面积比增加而减小。另外本文还详细研究了分流型芯管侧缝宽度、侧缝角度对旋风分离器内气流分配及颗粒逃逸的影响规律。以上研究对于旋风分离器内颗粒流动控制有一定的参考价值。在以上气固两相流动控制及分离性能研究的基础上,根据分离性能与气固两相流相似准数的内在联系,应用相似准数分析原理,回归得到了导叶式旋风管分离效率和压降的计算公式,通过与实测数据的验证表明分离性能的计算公式可以满足工程设计的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 创新点摘要
• 主要符号表
• 第一章 前言
• 第二章 国内外文献综述
• 2.1 旋风分离器内的流体控制技术
• 2.1.1 旋风分离器内主流的流动控制
• 2.1.2 旋风分离器内次流的流动控制
• 2.1.3 小结
• 2.2 流动控制技术在旋风分离器中的体现
• 2.2.1 主动控制在旋风分离器中的体现
• 2.2.2 被动控制在旋风分离器中的体现
• 2.3 旋风分离器内数值模拟的研究进展
• 2.3.1 气相的模拟
• 2.3.2 气固两相的数值模拟
• 第三章 导叶式旋风管分离性能计算方法的理论分析
• 3.1 相似理论简介
• 3.1.1 相似三定理
• 3.1.2 相似准则的导出方法
• 3.2 旋风管内相似准则的导出
• 3.2.1 旋风管内气固运动方程及其单值性条件
• 3.2.2 相似准则的导出
• 3.3 旋风分离器内的相似模化
• 3.3.1 单值性条件
• 3.3.2 相似准则
• 3.4 相似准则数中定性物理量和定性尺寸的确定
• 3.5 本章小结
• 第四章 导叶式旋风管内气相流动控制与减阻的实验研究
• 4.1 试验装置、方法及内容
• 4.1.1 旋风管阻力特性试验
• 4.1.2 旋风管固相颗粒分离试验
• 4.1.3 旋风管内流场测试
• 4.1.4 试验方案及内容
• 4.2 导叶式旋风管内的流动控制实验
• 4.3 分流型芯管开缝对旋风管阻力特性的影响
• 4.3.1 分流型芯管开缝面积比对旋风管阻力特性的影响
• 4.3.2 分流型芯管轴向开缝位置对旋风管阻力特性的影响
• 4.4 排尘锥开缝对旋风管阻力特性的影响
• 4.4.1 排尘锥开缝型式对旋风管阻力特性的影响
• 4.4.2 排尘锥开缝面积比对旋风管阻力特性的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 导叶式旋风管内气固两相流动控制与分离性能的实验研究
• 5.1 导叶式旋风管流动控制结构固相颗粒分离试验
• 5.1.1 分流型芯管开缝对旋风管固相颗粒分离的影响
• 5.1.2 排尘锥开缝对旋风管固相颗粒分离的影响
• 5.2 流动控制结构的组合应用及流动控制机理分析
• 5.2.1 流动控制结构的组合应用
• 5.2.2 流动控制结构控制旋风管内气流流动状态分析
• 5.2.3 导叶式旋风管流动控制机理探讨
• 5.3 本章小结
• 第六章 导叶式旋风管内气固两相流动控制的数值研究
• 6.1 旋风分离器数值模拟基本设置
• 6.1.1 几何模型与网格划分
• 6.1.2 湍流模型及控制方程
• 6.1.3 两相流模型的确定
• 6.1.4 边界条件
• 6.1.5 模拟结果的可靠性验证
• 6.2 分流型芯管对旋风分离器内气固流场的控制作用
• 6.2.1 分流型芯管对气相流场的控制规律
• 6.2.2 分流型芯管对固相流场的控制规律
• 6.3 分流型芯管结构参数的对比研究
• 6.3.1 分流型芯管侧缝面积比对气固流场的影响
• 6.3.2 芯管侧缝角度对气固流场的影响规律
• 6.3.3 芯管侧缝宽度对气固流场的影响规律
• 6.4 小结
• 第七章 导叶式旋风管分离性能计算方法的研究
• 7.1 旋风管分离性能计算模型建立
• 7.1.1 回归分析方法简介
• 7.1.2 旋风管优化结构性能计算方程的回归分析
• 7.1.3 旋风管基准结构性能计算方程的回归分析
• 7.1.4 性能计算模型的适用范围
• 7.2 工业应条件下旋风管分离性能预测
• 7.2.1 工业应用条件下旋风管粒级效率预测
• 7.2.2 工业应用条件下旋风管的压降预测
• 第八章 结论与展望
• 8.1 主要结论
• 8.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的学术成果
• 致谢