2024年3月17日发(作者：回收站里面的文件怎么恢复)

两种不同入口结构旋风分离器内涡核摆动的对比

高助威;王娟;王江云;毛羽

【摘 要】为了探究入口结构对旋风分离器内涡核摆动的影响,采用雷诺应力模型

(Reynolds stress model,RSM)对两种不同入口结构旋风分离器内旋转流动进行了

气相流场的数值模拟.结果表明,切向速度在截面上呈现明显的非轴对称现象,主要表

现为等值线分布不对称,零值所在位置与几何中心不重合,零值靠近壁面的一侧,切向

速度较大,零值远离壁面的一侧切向速度较小.直切式旋风分离器内部偏心比(|Δr|/D)

多在0.025～0.050,而蜗壳式旋风分离器内部偏心比则多在0.000～0.025,偏心程

度明显下降.蜗壳式旋风分离器在90～270°截面和180～360°截面上的旋转中心

偏移轴线值(|Δx|和|Δy|)的平均值均减小,蜗壳式旋风分离器偏心距(|Δr|)的平均值相

对于直切式减小23.5％.

【期刊名称】《化学反应工程与工艺》

【年(卷),期】2018(034)004

【总页数】10页(P297-306)

【关键词】旋风分离器;入口结构;数值模拟;涡核摆动;偏心距

【作 者】高助威;王娟;王江云;毛羽

【作者单位】中国石油大学 重质油国家重点实验室 过程流体过滤与分离技术北京

市重点实验室,北京102249;中国石油大学 重质油国家重点实验室 过程流体过滤与

分离技术北京市重点实验室,北京102249;中国石油大学 重质油国家重点实验室 过

程流体过滤与分离技术北京市重点实验室,北京102249;中国石油大学 重质油国家

重点实验室 过程流体过滤与分离技术北京市重点实验室,北京102249

【正文语种】中 文

【中图分类】TQ051.8

旋风分离器是用于气固分离的工业设备，虽然结构简单，但其内部流场却为复杂的

三维湍流旋转流场[1-3]。旋进涡核（Precession vortex core，PVC）是旋转流场

的一种非稳态现象[4-7]，涡核在流场中做偏心摆动，摆动强烈的位置会触及边壁

[8]，造成颗粒的返混，对分离效率极为不利。此外，涡核摆动会造成设备的不稳

定和震动，并产生噪音，也会造成筒体的压力波动[9]，甚至导致过应力[10]。因

此，研究旋风分离器内部涡核摆动现象对工业实践具有深远的意义。

许多学者对旋风分离器内部流场进行了实验研究与数值模拟。Hoffmann等[11,12]

通过实验发现入口浓度和入口速度对旋风分离器内部流场影响较大。Derksen等

[13,14]发现旋风分离器内存在非轴对称性，降低了流场的稳定性，并影响分离效

率。魏耀东等[15]分析了压力的动态变化，发现压力波动具有准周期性，从而提高

了旋流的稳定性。Wasilewski等[16-18]对旋风分离器内流场及动态特性进行了分

析，提出了防返混锥的结构优化方案，提高了旋风分离器的分离性能。高助威等

[19,20]通过旋风分离器内部涡运动的分析，发现涡核摆动幅度呈现先增大后减小

直至较为平缓的趋势。

尽管学者们对旋风分离器内部流动特性做了大量的研究，但是，目前多数学者仍着

眼于筒锥型旋风分离器流动特性的分析，对直筒型旋风分离器内部流场的研究不够

深入。本工作在前人研究的基础上，针对工业上最常用的两种入口结构（直切式、

蜗壳式）旋风分离器，模拟研究了气相流场的分布状况，并与实验数据进行对比，

讨论了对分离过程起关键作用的切向速度，分析了涡核摆动的规律，并对比两种入

口结构下的涡核摆动幅度，以期为旋风分离器的流场分布以及性能改进提供参考。

1 数学模型

旋风分离器内流场为非轴对称三维强旋转流场。采用雷诺应力（Reynolds stress

model，RSM）模型[21-25]，控制方程组如下：

连续性方程：

动量方程：

其中，速度ui可以分解为平均速度和波动速度′，即。

在RSM模型中，输运方程可以表示为：

式中，Dij，Pij，Πij，εij和Sij分別为湍流扩散项、应力产生项、压力应变项、耗

散项和源项。湍流扩散项：

应力产生项：

压力应变项：

耗散项：

2 几何模型

几何模型采用大长径比的直筒型旋风分离器（结构尺寸见表1），无灰斗和锥体段

的影响，能够较好地反映出旋转流体的运动特性[20]。具体结构形式为蜗壳式旋风

分离器与直切式旋风分离器，筒体直径为140 mm，入口截面系数

（KA=πD2/4ab）为5.63。在进行模拟分析时，以排气管入口的几何中心为原点，

向上为正，并设置12个监测面，如图1所示。

表1 旋风分离器的结构尺寸Table 1 The structure sizes of

cyclonesParameters Dimension/mm Tangential inlet Volute inlet Diameter

of the cyclone body(D) 140 140 Height of the cylindircal part(H) 1 919 1

919 Vortex finder diameter(De) 50 50 Vortex finder length(S) 1 000 1 000

Width of the inlet(a) 36 36 Eccentric distance of volute(e) 0 16 Heigth of

the inlet(b) 76 76 Length of the inlet(L) 150 150 Wall thickness(d) 5 5

3 计算模型

3.1 介质和边界条件

入口边界条件：入口气体为常温状态的空气（密度为1.205 kg/m3，黏度为18.1

μPa·s）；入口的湍流情况能够显著影响下游流场，因此根据实际工况，边界条件

设置为速度入口（velocity inlet），该条件可直接设定沿入口截面法向方向进入

的时均速度值，入口速度设置为15 m/s；入口湍流项设置为湍流强度（I）和水力

直径（DH）。

图1 旋风分离器的结构示意Fig.1 The structure of cyclone separator

图2 旋风分离器的网格划分Fig.2 The grids of cyclones

排气口边界条件：认为排气出口的湍流流动已经充分发展，因此在几何建模和网格

布置时，加长了芯管长度以满足该假设。边界条件设置为压力出口（pressure

outlet），压力为大气压。

壁面边界条件：漩涡和湍流的产生主要是受壁面的影响，因此壁面对模拟结果有显

著的影响，采用无滑移壁面边界条件。

3.2 网格划分

计算时，采取六面体结构化网格划分（见图2），节点数分别为213 610和234

610。网格质量较好、精度较高，可以用于描述旋风分离器内旋流的运动特性。

3.3 差分格式及算法

流场计算采用FLUENT商用软件，差分格式采用QUICK格式，算法选择SIMPLE

方法。采用非稳态耦合求解，时间步长为10-4 s，直到计算稳定一段时间后进行

采样，采样时间为1 s。

4 模型的可靠性验证

以旋风分离器分离空间轴向位置z=-100 mm为例，将时均切向速度（vt）与时均

轴向速度（va）的模拟计算结果与文献[26]中实验数据进行对比，如图3所示。

结果表明，采用RSM模型对旋风分离器内的流场分布有较好的预测精度。

图3 旋风分离器速度测量值与模拟值对比Fig.3 Comparison of simulation

result and experimental data

5 计算结果及分析

5.1 三维流场分析

图4和5分别为直切式旋风分离器与蜗壳式旋风分离器的切向速度分布云图。可

以发现，在两图纵向截面上，切向速度的值沿轴向向下逐渐减小，分布呈现内外双

层的兰金涡分布，即外部的准自由涡与内部的准强制涡。在横向截面上，在不同轴

向位置处，各截面切向速度分为内外双层结构。各截面都有一个旋转中心，此中心

与几何中心并不完全重合，筒体上部偏离较大，下部偏离较小。旋转中心与几何中

心的这种偏移会使切向速度场内部准强制涡与外部准自由涡的分离位置发生偏移，

流体在运动过程中，旋转中心的位置不断变换，进而形成旋进涡核（Procession

vortex core，PVC）现象。此时，运动流体是复杂的不规则运动，有较强的非稳

态特征。此外，涡核在不同位置有着不同的轨迹，使流场发生波动变化，这种现象

发生在筒体的各个部位，而不仅仅存在于排气管入口或排尘口区域。这会导致流体

的能量耗散，不稳定性增强，造成分离性能下降。在各个横向截面上，切向速度在

截面上呈现明显的非轴对称现象，主要表现为等值线分布不对称，零值所在位置与

几何中心不重合，零值偏移的一侧，切向速度较大，偏离的一侧较小。

图4 直切式旋风分离器切向速度分布云Fig.4 Contour of tangential velocity in

cyclone with tangential inlet

图5 蜗壳式旋风分离器切向速度分布云Fig.5 Contour of tangential velocity in

cyclone with volute inlet

5.2 涡核摆动对速度的影响

由于旋风分离器内入口结构的不对称，造成旋风分离器内旋转流场呈非轴对称分布，

及旋风分离器内旋转流动的不稳定性，其实内部漩涡流动的涡核摆动，从而导致了

旋风分离器内气流运动的旋转中心与其几何结构中心不重合。图6（a）为涡核对

所处截面切向速度的影响示意图，其中O为几何中心，O＇为旋转中心，A为离

旋转中心最近的筒体壁面上的点，B为最远的点，O，O＇，A和B 4个点在同一

直线上，由于旋转方向一致，O＇靠近A时，加速了O'A之间流场的切向速度，

减弱了O'B之间的切向速度，因此造成了切向速度随涡核位置的变化而产生波动。

为定性地分析切向速度随涡核摆动的波动变化，绘制了如图6（b）所示的某时刻

切向速度沿 x轴径向方向的分布图，x轴表示径向方向位置，y轴表示切向速度vt。

O"为O'关于O的对称点，在O'围绕O点附近旋转摆动的过程中，基本保持不变，

则点O的切向速度值始终保持为，波动范围几乎为 0，因此切向速度波动的幅值

在中心出现快速下降的极小值。点O'的切向速度在 0到之间波动，波动范围为。

设点P为AB之间任意一点，点P'为点P关于O的对称点，则点P的切向速度在

到之间波动，波动范围为。从O点沿径向向外，必有最大值，此时的点P即为幅

值的峰值所在位置，沿径向继续向外，逐渐减小，最后在边壁附近接近于0。因此，

切向速度的幅值为双峰分布，在中心处出现下凹的极小值，甚至出现负值。

图6 旋进涡核对速度的影响Fig.6 Influence of vortex center

图7 偏心距方向示意Fig.7 The direction of the eccentric distance

5.3 涡核摆动的特性分析

为了考察不同入口结构旋风分离器内气流旋转中心与几何结构中心的不重合程度，

下面将分析旋风分离器流场的旋转中心偏离分离器轴线的距离。如图7所示，在

旋风分离器任意轴向位置的截面上，设其几何中心为O点，旋转中心为O'点，定

义旋风分离器的90～270°截面方向在x轴上，180～360°截面方向在y轴上，并

将截面分为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ 4个区域，在90～270°方向截面偏离几何中心的距离

为Δx，在180～360°方向截面偏离几何中心的距离为Δy，旋转中心偏离几何结

构中心的距离（Δr）即为偏心距。

图8为直切式旋风分离器内各个轴向位置上，90～270°和180～360°两周向截面

上的旋转中心时均值偏离几何中心的距离Δx和Δy。在90～270°截面上，旋转中

心最大偏离分离器轴线7.5 mm，该截面上12个测量位置旋转中心偏离分离器轴

线距离（∣Δx∣）大小的平均值为3.333 mm，多偏向90°方向，仅有一个轴向位

置的旋转中心在该截面上未偏离轴线；在 180～360°截面上，旋转中心偏离分离

器轴线最大距离为10 mm，该截面上12个测量位置旋转中心偏离分离器轴线距

离（∣Δy∣）的平均值为3.542 mm，主要偏向360°方向，只有两个轴向位置的旋

转中心在该截面上未偏离轴线。

图9为直切式旋风分离器各个轴向位置上的偏心距的大小(∣Δr∣)。可以看出，对于

直切式旋风分离器，在从出气管下口到旋风分离器底端的12个测量位置，其旋转

中心都不在旋风分离器的轴线上。从整体上看，各个轴向位置的截面上，旋转中心

偏离几何结构中心的距离，即偏心距平均为5.351 mm，最小偏心距为2.500

mm，最大偏心距为10.308 mm。考察各轴向截面上旋转中心O'所在的位置，发

现12个轴向位置，有6个截面的O'分布在Ⅳ区域范围内。

图8 直切式旋风分离器旋转中心偏离轴线的距离Fig.8 Deflected distance of

vortex center of the cyclone with tangential inlet

图9 直切式旋风分离器的偏心距Fig.9 The eccentric distance of the cyclone

with tangential inlet

图10为蜗壳式旋风分离器各个轴向位置上，90～270°和 180～360°两周向截面

上的旋转中心偏离几何中心的距离Δx和Δy。从图10来看，在单蜗壳式旋风分离

器的90～270°截面，旋转中心最大偏离分离器轴线10 mm，该截面上12个测量

位置旋转中心偏离分离器轴线距离的平均值为2.917 mm，多偏向90°方向，有4

个轴向位置的旋转中心在该截面上未偏离轴线；在180～360°截面上，旋转中心

偏离分离器轴线最大距离为7.5 mm，该截面上12个测量位置旋转中心偏离分离

器轴线距离的平均值为2.292 mm，主要偏向360°方向，有4个轴向位置的旋转

中心在该截面上未偏离轴线。

图10 蜗壳式旋风分离器旋转中心偏离轴线的距离Fig.10 Deflected distance of

vortex center of the cyclone with volute inlet

图11 蜗壳式旋风分离器的偏心距Fig.11 The eccentric distance of the cyclone

with volute inlet

图11为蜗壳式旋风分离器各个轴向位置上的偏心距的大小。由图可以看出，对于

蜗壳式旋风分离器，在从出气管下口到旋风分离器底端的12个测量位置，其旋转

中心大部分不在旋风分离器的轴线上，-900和-1 300 mm两个截面的旋转中心和

其几何结构中心重合。从整体上看，在各个轴向位置的截面上，旋转中心偏离几何

结构中心的距离，即偏心距平均值为4.092 mm，最大偏心距为12.5 mm。在12

个测量截面中，有7个截面的旋转中心O'分布在Ⅳ区域范围内。

从以上分析可以看出，蜗壳式旋风分离器的非轴对称性较直切式旋风分离器有所降

低，旋转中心与几何结构中心不重合的现象有所缓解，且在旋风分离器-600 mm

以下的截面，直切式旋风分离器的|Δr|/D多在0.025～0.050，而蜗壳式旋风分离

器的|Δr|/D则多在0.000～0.025，偏心程度明显下降，蜗壳式旋风分离器 90～

270°截面和 180～360°截面上的旋转中心偏移轴线值|Δx|和|Δy|的平均值均减小，

蜗壳式旋风分离器偏心距|Δr|的平均值相对于直切式减小23.5%，如表2所示。

表2 两种结构旋风分离器的偏心距的对比Table 2 Comparison of the eccentric

distances of two cyclonesParameters Dimension/mm Tangential inlet

Volute inlet The maximum of eccentric distance (|Δr|max) 10.308 12.500

The mean of eccentric distance (|Δr|mean) 5.351 4.092

结合表2分析图9和11，可以发现，相对于直切式旋风分离器，蜗壳式旋风分离

器的最大偏心距虽然有所提高，但整体空间平均偏心程度明显下降。尤其是在旋风

分离器的下部，蜗壳式旋风分离器的偏心程度明显小于直切式旋风分离器。因此，

合理改变入口结构形式，可以改善旋风分离器内部流场的涡核摆动幅度，提高分离

性能。

6 结 论

针对工业上常用的两种入口结构形式（直切式、蜗壳式）的旋风分离器，进行气相

流场的数值模拟，分析了内部旋进涡核的特性，主要结论如下：

a）切向速度在截面上呈现明显的非轴对称现象，主要表现为等值线分布不对称。

切向速度零值所在位置与几何中心不重合，零值偏移的一侧，切向速度较大，偏离

的一侧较小。

b）直切式旋风分离器内部偏心比多在 0.025～0.050，而蜗壳式旋风分离器内部

偏心比则多在0.000～0.025，偏心程度明显下降。

c）蜗壳式旋风分离器 90～270°截面和 180～360°截面上的旋转中心偏移轴线值

|Δx|和|Δy|的平均值与直切式旋风分离器相比均减小，蜗壳式旋风分离器偏心距的

平均值相对于直切式旋风分离器减小23.5%。

符号说明

a——旋风分离器入口高度，mm t——时间，s

b——旋风分离器入口宽度，mm u——流体速度，m/s

D——旋风分离器筒体直径，mm x, y, z——三维坐标，mm

DH——水力直径，mm v0——入口速度，m/s

Dij——湍流扩散项 va——轴向速度，m/s

e——蜗壳偏心距，mm vt——切向速度，m/s

g——重力加速度，m/s2 Δij——Kronecker符号

H——旋风分离器总高度，mm ρ——流体密度，kg/m3

I——湍流强度 μ——动力黏度，Pa·s

KA——入口参数 μt——涡粘系数，kg/(m·s)

k——湍动能，m2·s2 σk——湍动能系数

L——入口段长度，mm σε——湍流耗散率系数

p——压力，Pa ε——湍流耗散率，m2·s3

Pij——应力扩散项 εij——耗散项

R——蜗壳入口半径，mm Πij——压力应变项

Sij——源项 i, j, k——矢量方向

r——涡核中心偏心距，mm

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