引言
从流体流中高效分离颗粒物在许多工业过程中至关重要，包括空气污染控制、化工和制药制造、矿物加工以及物料回收系统 [1]。沉降室和旋风分离器是常见的气固分离方法，因其结构简单、成本低廉且在苛刻工况下性能可靠而被广泛使用 [2], [3], [4]。沉降室中的颗粒分离依赖于重力沉降和流动减速。在旋风分离器中，强烈的旋流运动产生离心力以增强颗粒分离 [3], [5], [6]。
沉降室和旋风分离器各自已被广泛研究，但将沉降室与旋风分离器结合作为两级分离系统的研究仍处于新兴阶段 [7]。在这种两级分离系统中，沉降室作为初级分离器，在进入旋风分离器之前降低颗粒浓度和入口速度。由此，在降低压降的同时提高了效率。近期文献表明，旋风分离器的性能对入口流动条件的敏感程度高于对几何改性的敏感程度 [8], [9], [44]。
在沉降室中，内部挡板控制流动膨胀，以较低的湍流强度降低流速 [3]。合适的挡板设计将产生均匀的速度分布，增加颗粒停留时间并改善重力沉降 [10]。已有文献表明，通过不稳定涡旋和防止颗粒再夹带，沉降室的颗粒分离会有显著改善 [11]。在各种设计参数中，挡板角度对内部流动重构有强烈影响 [12]。
与旋风分离器相比，沉降室内部流动更为复杂，存在强烈的旋流，螺旋涡旋同时产生内部上升和外部下降流动 [13]。这导致压力分布不均匀，速度非均匀，从而影响颗粒轨迹和分离性能 [14]。增加入口速度是增强离心力和改善粗颗粒分离的常用策略；然而，这会增加湍流强度和压降，导致更高的能耗 [13], [15], [16]。因此，旋风分离器优化需要在分离效率和运行成本之间取得谨慎的平衡 [17], [18], [19], [20], [45]。
近期研究侧重于改善入口流动条件，而非修改旋风分离器几何形状，以影响分离效率和压降，流动调节装置被放置在旋风分离器之前 [13], [47]。为降低进入旋风分离器前的入口速度和颗粒浓度，基于重力的沉降室常被用作第一级分离 [6], [21]。在实际气固分离系统中，入口速度通常由工艺要求决定，不能随意降低。因此，引入倾斜挡板以在保持相同操作条件下改善内部流动。研究了不同的挡板角度，以确定分离效率和压降之间的最佳平衡。
然而，沉降室的性能对流动均匀性高度敏感。沉降室中不受控制的流动膨胀会产生二次涡旋、局部湍流和回流区，同时降低颗粒沉降并引起再悬浮 [22]。被动流动控制的有效方法是使用挡板，通过引入受控的流动阻力和动量再分配来克服这些限制 [23]。尽管有这些优势，大多数现有研究将带挡板的沉降室作为孤立系统进行评估，或主要关注整体效率趋势，而不考虑其与下游分离单元的相互作用。
关于沉降室中挡板诱导的流动行为对后续旋风分离器的影响，特别是对于组合式两级分离器，研究仍然有限。大多数旋风分离器性能增强研究集中在修改单个几何参数，如入口构型、涡流管尺寸、锥角或排尘口设计修改 [1], [8], [14], [24], [25], [26], [27], [46]，这些可以改善分离效率，但它们往往导致压力损失增加和对入口流动的敏感性增加。
从流体动力学角度来看，上游流动调节与下游旋流产生之间的相互作用是非线性的。旋风分离器涡核的稳定性、轴向与切向动量比以及离心力场很大程度上受旋风分离器入口处的速度分布和湍流结构控制 [28], [29], [30], [31], [32]。很少有研究调查了集成式两级分离系统以及上游沉降室中的流动改性如何影响旋风分离器流体动力学和颗粒分离性能 [33]。
近期研究集中在通过几何优化、入口设计和被动流动控制技术来改善旋风分离器性能，以提高分离效率同时降低压降 [1], [2], [8], [9], [10], [14], [24]。类似地，CFD 研究表明，挡板通过调节流动膨胀和湍流，改善了独立沉降室和粗粉分离器中的流动均匀性和颗粒沉降 [3], [11], [33]。最近，提出了一种集成的沉降室-旋风分离器，通过上游流动调节来改善整体分离性能 [7]。然而，挡板角度对沉降室与下游旋风分离器之间耦合相互作用的影响尚未被系统研究。特别是，挡板诱导的流动调节对旋风分离器入口流动特性、旋流发展、颗粒轨迹、压降和分离性能的影响仍然了解不足。
为解决这些空白，本研究采用雷诺应力模型（RSM）结合离散相模型（DPM）来研究具有五种挡板角度（10°、20°、30°、40°和50°）的集成沉降室-旋风分离器。系统评估了挡板角度对流动动力学、颗粒输运、分离效率、压降以及性能指标（包括中位分离直径（D??）、临界斯托克斯数（St??）、分离锐度指数、不完善指数和性能指数）的影响，以确定最佳挡板构型。
K. Suresh Babu|S.P. Sivapirakasam|S. Venkatesh
