方形与圆柱形旋风分离器流型及性能的实验与数值模拟研究

为解决传统旋风分离器在工业应用中效率与压降难以兼顾的问题，研究人员通过实验与数值模拟相结合的方法，创新性地设计了方形与Stairmand圆柱形旋风分离器串联系统。研究采用欧拉-拉格朗日(Eulerian-Lagrangian)方法和离散相模型(DPM)，证实该混合系统在12 m/s入口速度下捕获效率达56.5%，较单一分离器性能显著提升，为工业颗粒物控制提供了高效节能解决方案。

　　

在水泥制造、粉末冶金等高粉尘工业领域，旋风分离器如同"空气净化器"般至关重要。但传统设计面临两难抉择：方形分离器虽结构紧凑，却因角落涡流导致效率低下；圆柱形Stairmand分离器效率较高，但伴随令人头疼的高压降问题。更棘手的是，现有技术对6.52 μm级细颗粒的捕获能力普遍不足，这就像用漏勺捞芝麻——事倍功半。

针对这些行业痛点，获得印度政府DST-FIST和DST-SERB资助的研究团队展开了创新探索。他们巧妙地将方形与圆柱形旋风分离器"串联"组合，就像给净水系统加装多级过滤器。通过调整关键参数——将圆柱体高径比(h/D)从1.5提升至1.647、入口高度比(a/D)从0.5增至0.519，并采用收敛型过渡风道连接两种结构，构建出"1+1>2"的混合系统。相关成果发表在《Powder Technology》上，为工业除尘领域提供了新思路。

研究采用三大关键技术：首先运用雷诺平均纳维-斯托克斯方程(RANS)和雷诺应力模型(RSM)模拟湍流；其次通过离散相模型(DPM)追踪铝氧化物颗粒轨迹；最后采用激光切割和TIG焊接制作实验装置，以平均粒径6.52 μm的颗粒进行验证。实验与模拟双管齐下，确保结果可靠。

【压力分布分析】
模拟显示串联系统压力梯度分布更优。方形段(Chamber A)通过角落涡流实现粗颗粒预分离，圆柱段(Chamber B)则依靠稳定旋流捕获细颗粒，二者协同工作使总压降较单一圆柱分离器降低18.7%。

【网格验证】
采用PTC-CREO软件建立的六面体网格模型，经网格独立性验证，确保模拟精度。当网格数达235万时，计算结果与实验数据误差小于3.2%，满足工程要求。

【效率对比】
在12 m/s工况下，混合系统效率达56.5%，远超单独方形(42.3%)和圆柱(51.8%)分离器。尤其对2-10 μm细颗粒的捕获能力提升显著，这得益于改良的Le/D比(0.25)促使颗粒快速撞击筒壁。

研究结论表明，这种"先方后圆"的串联设计开创性地结合了两种结构的优势：方形段如同"粗筛"处理大颗粒，圆柱段则像"精滤"捕捉细颗粒。通过优化几何参数——如将排尘口直径从73.08 mm增至76.1 mm，有效减少了颗粒二次夹带。该设计不仅突破传统分离器的性能瓶颈，更通过降低20%能耗实现"鱼与熊掌兼得"，为工业除尘设备的升级改造提供了标杆方案。正如通讯作者S. Venkatesh强调的，这种模块化设计特别适合空间受限的工厂环境，其56.5%的分离效率虽仍有提升空间，但已标志着旋风分离技术迈入"混合优化"的新阶段。