基于DPM的旋风分离器内颗粒轨迹数值模拟

第3 1卷第2期2 0 1 1年 6月

辽

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V OI .31 N o.2

J OURNAI 0F L I AONI NG S HI HUA UNI VERS I TY

J u n .2 0 1 1

文章编号： 1 6 7 2—6 9 5 2 ( 2 0 1 1 ) 0 2—0 0 3 6—0 3

基于 DP M的旋风分离器内颗粒轨迹数值模拟李丹，马贵阳卜，杜明俊，王海峰( 1 .辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁抚顺 1 1 3 0 0 1; 2 .中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司，河北任丘 0 6 2 5 5 2 )

摘要： 采用数值模拟的方法研究旋风分离器内固相颗粒的运动轨迹，固相流场采用离散相模型 ( DP M)。通过分析不同粒径及入 1:/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。结果表明，颗粒在旋风分离器中运动轨迹比较复杂，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。模拟结果可为工程实际应用提供一定的理论指导。 关键词： 旋风分离器；数值模拟； 粒径；轨迹

中图分类号： TE 3 5 7 . 4 4

文献标识码： A

d o i: 1 0 . 3 6 9 6/ J . i s s n . 1 6 7 2—6 9 5 2 . 2 0 1 1 . O 2 . O 1 1

Num e r i c a 1 S i mu l a t i o n f o r Pa r t i c l e s Tr a c k i n a Cy c l o n eSe p a r a t o r Ba s e d o n t h e DPMLI Da n,M A Gu i~y a n g ,DU Mi n g—j u n。,W ANG Ha i—f e n g( 1 . Co l l e g e o f Pe t r o l e u m En g i n e e r i n g, Li a o n i n g S h i h u a Un i v e r s i t y, Fu s h u n Li a o n i n g 1 1 3 0 0 1,P. R . C h i n a;2. Chi n a Pe t r ol e u m Engi n e e r i n g Co

.,Le d. N or t h Chi n a Com pan y,Re n qi u He b e i 0 62 5 52, P. R . Chi na)

Re c e i v e d 1 6 No v e mb e r 2 0 1 0;r e v i s e d 1 0 J a n u a r y 2 0 1 1;a c c e p t e d 1 4 Ma r c h 2 0 1 1Ab s t r a c t: Th e mo v e me n t t r a c k o f t h e s o l i d p a r t i c l e s i n a c y c l o n e s e p a r a t o r h a s b e e n s t u d i e d b y n u me r i c a 1 s i mu l a t i o n .Di s c r e t e

p h a s e mo d e l( DP M )wa s a d o p t e d f o r s o l i d f i e l d .Th e p h y s i c a l me c h a n i s m f o r t h e p a r t i c l e s mo v e me n t i n a c y c l o n e s e p a r a t o r i ss t u d i e d b y a n a l y z i n g t h e i n f l u e n c e o f d i f f e r e n t p a r t i c l e s i z e a n d i n l e t v e l o c i t y o n s o l i d p a r t i c l e s t r a c k i n a c y c l o n e s e p a r a t o r .Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e p a r t i c l e s t r a c k i n a c y c l o n e s e p a r a t o r i s c o mp l e x,a n d i t i s i n f l u e n c e d b y i n l e t v e l o c i t y a n d p a r t i c l e s s i z e s i mu l t a n e o u s l y . Th e t r a c k o f s a me s i z e p a r t i c l e s i s d i f f e r e n t a t t h e c a s e o f d i f f e r e n t i n l e t v e l o c i t y,a n d s ma l l p a r t i c l e s a r e e a s

i e r i n f l u e n c e d b y t h e i n l e t v e l o c i t y .Th e s i mu l a t i o n r e s u l t s c o u l d p r o v i d e s o me t h e o r e t i c a l g u i d e f o r e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n s . Ke y wo r d s: Cy c l o n e s e p a r a t o r;Nu me r i c a l s i mu l a t i o n;P a r t i c l e s i z e;Tr a c k

*Co r r e s p 0 n d i n g a u t h o r .Te 1 .:+8 6—1 3 8 4 1 3 0 0 7 1 0;e - ma i l: g u i y a n g ma l@1 6 3 . c o n r

旋风分离器是一种利用气固两相流体的旋转运

1 0 0多年中，许多学者对其进行了深入研究[ 5]。数值模拟方法的出现为研究分离器内气固两相流动提供了工具，采用这种方法可以精确获得分离器内的流场分布，这对研究分离器分离机理、改进优化分离器结构、测算分离器性能有很大帮助。 本文采用离散相模型 ( D P M)对其进行数值模拟研究，主要分析粒径和入口速度变化对颗粒运动

动，使固体颗粒在离心力的作用下从气流中分离出来的设备，它具有结构简单、分离效率高、设备紧凑、 造价低、维修方便等优点，被广泛应用于炼油、化工、 动力等工业领域，是工业上最常用的一种分离、除尘设备[ 1]。但是，由于其内部的流体流动为三维强旋转和高强度湍流的两相流运动，流动规律非常复杂，致使其很难通过实验或解析的方法研究其内部的流动情况]。自从旋风分离器投入使用至今的收稿日期： 2 0 1 0—1 1—1 6

轨迹的影响，给出颗粒在不同人口速度下的粒子轨迹图，讨论粒径变化对粒子轨迹的影响，为高效旋风分离器的结构设计提供理论依据，同时也为进一步深入研究在复杂气固两相流动的情况下的气固两相流动模型提供理论基础。

作者简介：李丹 ( 1 9 8 8~),女，河北衡水市，在读硕士。*通讯联系人。

第？期

令 用等.荩于 D P M

的旋风分离内颗粒轨迹数值授拟

1 模型的建立1 . 1 物理模型

爱瓦+十“ i一一 0丢( a s )+十 ( L c c L 一 C一 2 e )( ( 3 )其中，湍动能生成项为：J, G= 2 vr— S SIi l

本数值计算网格由计算流体力学 ( C F D)软件实现，并对模型进行网格划分和边界条件的设置。利用 C o o p e r方法生成以六面体为主的结构网格，然后

=== i. 8u l+

)

S 为平均应变率常量，方程中的模型系数如下：C￣= 0. 0 8 5; c . z一 一 0 . 71 7 9

对其进行数值模拟。旋风分离器计算网格模型如图1所示。

C2— 1 .6 8; 口一 0. 7 1 7 9;

其中，一 ,

s一￣/

;一o . 0 1 5;。一4 . 3 8。

2 数值模拟及结果分析若要研究旋风分离器的性能，则必须跟踪大量不同粒径的颗粒的运动轨迹。本文考察了粒径分别为 1、 1 0、 3 0、 5 O及 1 0 0 1 T I的 5种颗粒在人口速度

为 l 0、 2 0及 3 0 m/ s下的运动轨迹。模拟不同粒径图 1 旋风分离器计算网格模型

的颗粒在不同入口速度下在旋风分离器内的运动轨

1 . 2 湍流模型

迹，可直观地展现分离器的工作过程。在不同人口速度下，不同粒径的颗粒的运动轨

流场数值模拟选择 RNG k一￡双方程湍流模型。R NG k—e模型可以更好地处理高应变律及流线弯曲程度较大的流动[ 6 。该模型是标准的 k—e模型的一种改进形式。 RNG是一￡模型中 Re y n o l d s应力可表示为：

迹如图 2—4。由图 2—4可知，颗粒在旋风分离器中的运动状况非常复杂，且带有很大的随机性。从图 2 4可以看出，在人口速度不同时，相同粒径的

颗粒其运动轨迹不同，最终位置也不同。在不同入

一P“ U j一2 f r S u一号

( 1 )

l Z l速度下，粒径为 1和 1 0 t z m的颗粒其运动轨迹差别较大；粒径为 5 0和 1 0 0 m的颗粒随入

口速度的