【摘要】：旋風(fēng)分離器作為一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方便快捷、高效可靠的氣固分離設(shè)備,被廣泛地應(yīng)用于化工、石油、能源、環(huán)保、礦業(yè)等諸多領(lǐng)域。目前,在能源短缺和環(huán)境惡化的大背景下,工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)旋風(fēng)分離器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提出了更加嚴(yán)格的要求。但由于旋風(fēng)分離器內(nèi)部為科氏力作用下各向異性的三維強(qiáng)旋流流場(chǎng),顆粒在其中的運(yùn)動(dòng)極其復(fù)雜。因此,深入研究旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)以及顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,對(duì)旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能提升有著重要的意義。本文采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,對(duì)直切式旋風(fēng)分離器內(nèi)的流場(chǎng)和固相顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了深入的研究,具體內(nèi)容如下:(1)通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了不同流量下旋風(fēng)分離器的進(jìn)出口壓力差和顆粒的分離效率。(2)采用不同的湍流模型計(jì)算了旋風(fēng)分離器的進(jìn)出口壓差,并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比。結(jié)果表明雷諾應(yīng)力模型(RSM),對(duì)流項(xiàng)的QUICK格式和壓力梯度項(xiàng)的PRESTO壓力插補(bǔ)格式更適合用于旋風(fēng)分離器的流場(chǎng)模擬。通過(guò)對(duì)氣相流場(chǎng)的分析可知,切向速度和軸向速度在顆粒的分離中起主導(dǎo)作用;旋風(fēng)分離器內(nèi)的流動(dòng)伴隨著能量的損失,其表現(xiàn)為壓力的損失;旋風(fēng)分離器外圈向下的流體和內(nèi)圈向上的流體中夾雜著二次流動(dòng),它們的存在會(huì)改變流場(chǎng)結(jié)構(gòu),從而影響顆粒的分離。(3)在氣相流場(chǎng)的基礎(chǔ)上,利用離散相模型(DPM)對(duì)旋風(fēng)分離器的氣固兩相流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,其中湍流擴(kuò)散采用基于隨機(jī)軌道模型的隨機(jī)游走模型(DRW)。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)、理論和數(shù)值計(jì)算的分級(jí)效率可知,三者吻合較好,說(shuō)明離散相模型和隨機(jī)游走模型在氣固兩相流場(chǎng)的模擬上能夠保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。(4)通過(guò)研究顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡與粒徑、入口位置的關(guān)系可知,細(xì)微顆粒由于受空氣粘帶的作用較大,因此受短路流的影響較大;小顆粒受縱向渦流的影響較大,因此呈現(xiàn)出在內(nèi)外旋流間交替運(yùn)動(dòng)的情況;大顆粒則主要受錐體段底部偏心環(huán)流的影響。此外,細(xì)微顆粒從入口中下部靠外側(cè)的區(qū)域進(jìn)入時(shí)分離效率最高;小顆粒從入口中下部進(jìn)入時(shí)分離效率最高;大顆粒從入口上部和外側(cè)區(qū)域進(jìn)入時(shí)分離效率最高。(5)針對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究結(jié)果,將旋風(fēng)分離器的進(jìn)氣管改為縮口式結(jié)構(gòu)。通過(guò)模擬研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)縮口角為20°時(shí),既能有效地提升旋風(fēng)分離器的分離效率,又不會(huì)使分離器的壓降升高太大而造成過(guò)多的能量損耗。
[Abstract]:As a simple, convenient, efficient and reliable gas-solid separation equipment, cyclone separator has been widely used in many fields such as chemical industry, petroleum, energy, environmental protection, mining and so on. At present, under the background of energy shortage and environmental deterioration, the design and application of cyclone separator in industrial production is more stringent. However, the motion of particles in the cyclone separator is extremely complex because of the anisotropic three-dimensional strong swirl flow field under the action of Coriolis force. Therefore, it is of great significance to study the flow field structure and the movement of particles in the cyclone separator to optimize the structure and enhance the performance of the cyclone separator. In this paper, the flow field and the motion of solid particles in a tangential cyclone separator are studied by means of both experimental and numerical simulation. The main contents are as follows: (1) the inlet and outlet pressure difference and particle separation efficiency of cyclone separator under different flow rates are measured experimentally. (2) the inlet and outlet pressure difference of cyclone separator is calculated by using different turbulence models. And compared with the experimental data. The results show that the QUICK scheme of the Reynolds stress model (RSM), convection term and the PRESTO pressure interpolation scheme of the pressure gradient term are more suitable for the flow field simulation of the cyclone separator. Through the analysis of gas phase flow field, it can be seen that tangential velocity and axial velocity play a leading role in the separation of particles, and the flow in the cyclone separator is accompanied by the loss of energy, which is the loss of pressure. There are secondary flows in the downward fluid in the outer circle of the cyclone separator and in the upward fluid in the inner circle. Their existence will change the flow field structure and thus affect the separation of particles. (3) on the basis of the gas phase flow field, Numerical simulation of gas-solid two-phase flow field in cyclone separator was carried out by using discrete phase model (DPM), in which the stochastic walk model based on stochastic orbital model (DRW).) was used for turbulent diffusion. Through the comparison experiment, the classification efficiency of theoretical and numerical calculation shows that the three are in good agreement with each other. The results show that the discrete phase model and the random walk model can guarantee the accuracy of the results in the simulation of gas-solid two-phase flow field. (4) by studying the relationship between particle trajectory, particle size and inlet position, we can see that, The fine particles are greatly affected by short-circuit flow because of the effect of the air adhesion zone. The small particles are greatly affected by the longitudinal eddy current, so they appear to move alternately between the inner and outer swirls, while the large particles are mainly affected by the eccentric circulation at the bottom of the cone segment. In addition, the separation efficiency of fine particles is the highest when entering from the region near the outside of the middle and lower part of the entrance, and the separation efficiency of the small particles is the highest when entering from the middle and the lower part of the entrance. The separation efficiency of large particles is the highest when entering from the upper and outer regions of the inlet. (5) according to the results of the study on the law of particle movement, the intake pipe of the cyclone separator is changed into a reentrant structure. The simulation results show that when the angle is 20 擄, the separation efficiency of the cyclone separator can be improved effectively, and the pressure drop of the separator will not be increased too much, resulting in too much energy loss.
【學(xué)位授予單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TQ051.8

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本文編號(hào)：2341175