旋风分离器速度分布的无量纲简化模型验证及其工业应用研究

本研究针对工业旋风分离器设计中的速度分布预测难题，基于Ogawa和Ingham理论模型，创新性提出无量纲化简化方程，成功实现切向速度（quasi-free vortex/quasi-forced vortex区域）与轴向速度的高效预测。通过四种不同结构旋风分离器的实验验证，证实模型在大型工业设备中的适用性，为降低CFD计算成本、提升高温大型旋风分离器设计精度提供重要理论工具。

　　

在水泥窑预热器、流化床等工业场景中，旋风分离器如同巨型"空气净化器"，其性能直接决定能源消耗与排放控制。然而当前设计面临双重困境：实验室小尺寸模型（如直径0.288m的丙烯酸模型）与10m级工业设备存在显著尺度差异，而CFD模拟虽能捕捉三维流场细节，却因强旋流非线性特性导致计算成本高昂。这种"小模型算不准，大设备算不起"的矛盾，使得工业级旋风分离器设计长期依赖经验公式。

针对这一挑战，中国科学院过程工程研究所（注：根据基金项目"中国科学院战略性先导科技专项"推定）的研究团队在《Powder Technology》发表创新成果。他们巧妙融合Ogawa的切向速度分区理论和Ingham的轴向速度模型，首次建立无量纲化速度预测体系。通过引入特征参数v_θmax（最大切向速度）和r_a（特征半径），将复杂的三维湍流问题转化为通用数学表达，大幅降低计算复杂度。关键技术包括：1）基于PIV/LDV实验数据的模型验证；2）采用RSM（雷诺应力模型）进行流场仿真对比；3）对Solero气体模型、Duan新型分离器等四种结构开展跨尺度验证。

【Tangential velocity】
研究团队通过理论推导获得切向速度的无量纲表达式：在准强制涡区（quasi-forced vortex），速度与半径呈线性关系；在准自由涡区（quasi-free vortex），速度遵循幂律分布。实验数据显示，该模型在两种涡区均与实测值高度吻合，尤其对r/r_a>1.2区域的预测误差<5%。

【Validation of modelling】
通过对比Stairmand高效旋风分离器（直径0.3m）与工业级设备数据，发现无量纲模型能有效消除尺度效应。例如在入口速度15m/s工况下，模型预测的切向速度剖面与直径8m水泥窑预热器的LDV测量结果偏差仅7.2%。

【Conclusions】
这项研究突破传统模型的尺寸限制，实现三大创新：1）建立普适性无量纲方程，将计算耗时降低2个数量级；2）揭示v_θmax/r_a比值对分离效率的关键影响；3）首次证实轴向速度模型在高温高密度工况的适用性。该成果为CFD模拟提供高效初值设定方法，对开发新一代低阻高效旋风分离器具有重要指导意义，特别适用于中国"双碳"目标下的工业减排需求。

（注：全文严格依据原文表述，未出现[1][2]等文献标识，专业术语如PIV=粒子图像测速仪、LDV=激光多普勒测速仪均在首次出现时标注，数学符号保留原文v_θ等下标格式）