基于CFD旋风分离器的模拟分析.doc

基于CFD旋风分离器的模拟分析
Based on CFD simulation analysis of the cyclone separator
万筱军 何仁财国家农业科技成果转化资金项目，项目编号（2010GB2C500239）
作者简介： 万筱军 男（1965—）福建光泽人 高级工程师，研究方向：饲料机械、农业机械及畜牧机械
通讯作者： 何仁财 男（1981—）江西东乡人 硕士 主要从事饲料机械、畜牧机械及流体传热学的研究.
E-mail：Herencai1981@
吴兆胜 易烈运
（江西省农业机械研究所 江西 南昌 邮编 330044）
（Jiangxi Agricultural Machinery Research Institute Jiangxi nanchang postcode 330044）
摘要：旋风分离器由于结构简单而机理复杂，广泛应用粮食及饲料加工除尘净化设备，为了研究提高旋风分离器的除尘效率，本文基于CFD模拟分析三维旋风分离器的工作过程，模拟分析得到内部气固两相流的分布参数图，根据这些参数分布云图分析产生原因，通过反复设定参数、边界条件及模拟分析，最后确定最佳方案设计旋风分离器的外形尺寸和功能，节省能源，提高除尘效率。
Abstract:Cyclone separator has simple structure and mechanism is complex, widely used in feed processing dust purification equipment, in order to research and improve the cyclone dust cleaning efficiency, based on the CFD simulation analysis cyclone separator of three dimensional work process in article, the simulation analysis to get the internal gas solid two phase flow distribution parameter graph, according to these parameters distribution cloud image analysis reason, through repeated set parameters, boundary conditions and simulation analysis, and finally determine the optimal design of cyclone separator shape size and function, to save energy and improve the efficiency of dust collection.
关键词：旋风分离器，优化设计，参数云图，CFD
Key word:Cyclone separator, optimization design, Cloud image OF parameter,CFD
引言
旋风分离器在结构设计制造安装上简单且没有运动部件，性能稳定，是粮食饲料加工行业中频繁使用的收集分离净化设备，俗称“刹克龙”，主要是用来净化分离空气中的粉尘，旋风分离器的结构特点是上大下小，由动量守恒定理可知粉尘和空气进入旋风器后，其速度在旋转过程中速度增加且本身受重力和离心力作用下落，最后在旋风分离器底端，粉尘沉积而气流上升，最后从排气口排出。本文初步设计是借助传统设计基础上，将设计好的刹克龙用CFD数值模拟计算和图像显示所研究参数云图分布及随时间变化的关系，分析研究这些参数场云图对旋风分离器进行优化设计。
1.设计方案
粮食饲料工程设计中首先考虑的是产品的功用，刹克龙是防止饲料生产过程中排出的气体污染大气及节约资源而回收粉料产生的设计思路，根据客户及工艺要求确定除尘容量如图1示刹克龙在膨化工艺中的示意图，本文设计的刹克龙初步是借鉴传统设计的基础上确定外形尺寸[2]如图2示，设计好的产品需要在实践中运用才可以发现新问题，由客户反馈建议从而解决新问题，而今随着计算机技术及流体力学研究的深入发展，刹克龙机理现象可以在电脑上以云图的形式反映出来。

图1 刹克龙在膨化工艺过程部分示意图 图2刹克龙的外形尺寸图
2.模型计算条件
根据刹克龙的工作机理和外形设计图可以知道粮食饲料加工过程中将含有粉尘的气流进入刹克龙后产生强烈的旋转和紊流湍动，加上气体和颗粒密度不同，它们所产生的离心力、向心浮力及沉降速度不同，因此刹克龙的特性决定粉尘气体在做离心紊流运动过程中，重力的作用使粉尘离心旋转下降至底部并沉积而气体在外界压力的作用下反转上升进入升气管而排出。
2.1基本控制方程
由工作机理可知道刹克龙在工作状态中主要是内部气固混合两相流的紊流流动，加上粉尘的尺寸很小，混合进入刹克龙之后其流变性非常好，根据多相流流动的特性及通过求解动量方程并将其耦合，在CFD模拟分析中主要应用的控制方程是不可压缩流体的连续性方程和动量守恒方程，它们的数学表达式[3,7]如式1至式5。
连续性方程：
（1）
式中：——q相的速度；——p相到q相的质量传递。
动量守恒方程：
（2）
其中：——第q相的压力应变张量；——外部体积力；
——q相的剪切和体积黏度；——升力；
——相之间的相互作用力，与摩擦、压力、内聚力等因素有关；
——相间的速度；——所有相共同的压力。
——单位质量力（），i代表x,y,z；——动力粘度（）。
在分析时需要根据实际情况确定每相所占的比例，即的取值。
2.2模型的建立及边界条件
模型是对实际事物原理或现象的描述，根据设计方案与客户实际产量需求，本文设计的刹克龙直径D=500mm，在建立模型时为了减少计算量，对模型进行了相应的简化，在GAMBIT软件中建立刹克龙的模型、网格划分及边界设定，为了在计算机分析过程中得到接近真实情况和现实的模拟条件，本文在模拟过程中需要考虑收敛时间和计算机的运行能力，因此对其进行网格划分采用四面体和六面体相结合的方式，网格划分尺寸初次设定为30，网格划分后得到网格数63007如图3示。

图3 刹克龙的模型图及网格划分
对模型进行网格划分后，再对初始边界进出口等边界条件进行设定等操作，最后通过File中的Export输出**msh文件，把**msh文件导入FLUENT中进行网格检查、尺寸设定、边界条件参数设定及分析，通过迭代计算收敛后进入后处理输出所需参数场的云图进行分析。
3.模拟结果分析
刹克龙是一种气固两相流的混合模型，气体、颗粒做离心沉降、复杂紊流运动并伴有随机性，本文在计算过程中选用雷诺应力输运模型（RSTM），根据它们之间的体积含量多少进行耦合计算[5]，通过实际工作状态测定并对参数进行设定、模拟分析，通过迭代计算收敛后进入后处理，在后处理过程中可以通过刹克龙的整体或剖面来对选择的参数云图进行直观分析，本文是取中间平面来分析速度、压力、紊流能量等参数的分布，如图4～7示。

图4 粉尘速度分布图 图5 内部能量分布图

图6 内部湍流分布情况 图7 内部压力分布云图
在上面图4至图7的云图中可以观察到速度、湍流分布及压力分布云图，这些云图与实际比较符合，如图7中的压力分布，在混合流进口处压力最大方便粉尘混合流的进入，在出口处形成负压以利于内部空气排出，这些与理论上的解释基本一致。并且这些分布云图还可以对刹克龙的性能进行预测并可以发现一些设计机理上存在的问题，从而更好的进行优化改进，提高设计水平和刹克龙的分离效率，减少能源消耗及生产成本。
4.结论
传统的刹克龙设计是在一定程度上取决于经验和大量的实践，本文通过查阅文献和模拟分析的结果来看，改变了传统的设计过程而利用CFD来模拟仿真刹克龙可以方便有效分析其静动态工作特性，减少试验及反复样机制作的成本费用，并且利用CFD还可以模拟预测常温下刹克龙的压力损失和分布，可以了解刹克龙内部气固两相流的分布规律，为改进刹克龙结构提供参考信息，提高刹克龙的分离效率。总结模拟分析结果可以得出的信息有：
1、刹克龙的分离效率和气流的切向速度成正比，切向速度大，颗粒受到的离心力大，越有利于颗粒的分离；
2、温度的影响，根据设定的温度不同，刹克龙的分离效率也不同，温度低时刹克龙的压降损失增大及分离效果较好；
3、通过模拟刹克龙内部气固运动分布规律知道在圆筒体的不同部分速度不同，因此可以通过不同圆筒体长度尺寸比较模拟结果，确定刹克龙各部分尺寸和圆锥角，为刹克龙结构优化改进设计提供技术参考；
4、CFD模拟刹克龙成本低，在电脑上就可以清楚的反映刹克龙工作机理，反馈的信息与工程实际相结合，优化结构设计，减少能量的消耗，提高分离效率；
5、在图5中可知在排气管中能量损失较高，可以通过改进排气装置或者增加诱导叶片减少排气内部的阻力，提高能量利用率。
本文是用CFD模拟分析刹克龙内部流场分布，在处理过程中做了点简化，但这些模拟分析得到的云图分布可以为实际设计工作中提供参考信息，提高设计方案及工作效率，节省实验的成本并直观理解。

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