旋风分离器内非轴对称强旋流动的抑制及性能改进的研究

旋风分离器作为气固分离过程中应用最为广泛的设备之一，目前研究及应用已经处于一个很高的水平，但针对单进口形成的非轴对称旋转流动，引发的涡核摆动、颗粒返混和分离效率下降以及进一步降低压降等问题仍未完全解决。本项目提出开发一种的单入口双进道进气结构的设想，实现类似与传统双进道旋风分离器内轴对称的旋转流动，抑制因非轴对称旋转流动造成的分离效率下降和摩擦动能损失，同时解决受限空间内传统双进道结构无法实现特殊连接方式的问题。鉴于以上目标，只有进行旋风分离器内非轴对称强旋湍流的产生机理和合理布置双进道结构抑制非轴对称强旋流基础研究，才能形成技术突破。为此，此项目将采用相位多普勒粒子分析仪对旋风分离器内所形成的非轴对称强旋流流场进行测量，获得全面流场基础资料，并通过数值模拟方法分析非轴对称强旋湍流的产生机理及抑制方法，确定双进道结构改进和优化的方向，为单入口双进道旋风分离器新技术的工业应用奠定理论基础。

旋风分离器作为气固分离过程中应用最为广泛的设备之一，虽然研究及应用已经处于一个很高的水平，但其单入口结构引起的非轴对称的旋转流动，引发的涡核摆动、颗粒返混和分离效率下降等问题一直制约着旋风分离器性能的进一步提高。首先，本研究建立了相位多普勒粒子分析仪测量实验台，通过水平圆管内层流流动解析解数据验证了实验测量精确性，并对旋风分离器内所形成的非轴对称强旋流流场进行了测量，获得了单切、单蜗、180°双蜗三种入口结构的直筒型旋风分离器的速度和湍流度等流场分布细节，3种入口结构旋风分离器内的流场实测结果均表现出了旋风分离器内典型双层旋流结构（内刚性涡和外准自由涡）的基本流动特征；然后，采用数值模拟和实验测量相结合的方法对不同入口结构、不同入口偏心距、不同排气管直径直筒型旋风分离器内非轴对称旋转流场进行了分析，考察了结构参数和操作参数对旋风分离器流场非轴对称性和旋流稳定性，发现非轴对称性表现为单切最强，双蜗最弱，单蜗居中，各结构参数和操作参数中入口的对称性和偏心距对旋风分离器内流场的非轴对称性和旋流稳定性影响较大，系统的总结了各参数对旋风分离器内非轴对称强旋湍流产生机理和影响因素，为抑制旋流非稳定性的结构提出提供了必要的研究基础；再者，通过数值模拟方法对可以抑制非轴对称旋转流动的单入口双进道结构进行了纯气相和气固多相流场分析，发现特殊设计的双进气道可以在旋风分离器内形成轴对称稳定双层旋流场，促使不同粒径颗粒相的速度分布更加对称，且各颗粒相旋流强度也有所增加，促使不同大小颗粒粒径更容易被分离，尤其是增强了决定旋风分离器分离性能的小粒径颗粒的捕集能力，同时建立了精确预报旋风分离器壁面冲蚀的模型，并进行了双进道旋风分离器的颗粒冲蚀特性分析，发现双进道旋风分离器内形成的轴对称稳定双层旋流和双路进气实现了流体的分散、动量降低，减弱了旋风分离器内部流体之间的相互挤压及颗粒在壁面的碰撞和磨削，促使壁面各处的最大冲蚀速率明显降低，为双进道的合理布置提供了必要的理论基础；最后，通过实验和数值模拟方法，对单入口双进道旋风分离器进行了性能实验和结构优化，实现了不降低分离效率的同时压降降低20%优秀性能，充分验证了非轴对称旋流结构产生机理和抑制方法研究的正确性，并通过中式实验和工业放大实验确定了单入口双进道旋风分离器设计方法，编制了新型旋风分离器的结构设计和性能预测软件。