旋风筒体尺度缩放过程中的峰值效率行为：二次涡流演化的影响

《Separation and Purification Technology》：Peak-efficiency behavior during cyclone-body scaling: Influence of secondary-vortex evolution

　　## 摘要圆筒直径是旋风分离器设计的关键参数。关于直径对效率的影响，不同的研究得出了不同的结论，乍看之下甚至可能显得矛盾。对于四种入口尺寸，旋风分离器按照基于相似性的本体缩放原理，以圆筒直径为参考尺寸进行了缩放。采用数值模拟与实验验证相结合的方法，系统研究了分离性能随旋风本体尺度的变化规律，并从二次涡流的角度分析了流场演化与性能变化之间的关系。结果表明，在本研究考察的范围内，对应于测试峰值效率工况的 K_A 值集中在 14.5 附近。基于逃逸粒子停留时间分布的分类方法在区分短路逃逸粒子与回流逃逸粒子方面具有一定的可行性。粒子回流和短路逃逸行为与大规模二次涡流的形成和破裂有关。大规模二次涡流可能有利于颗粒分离，并且可能是影响峰值效率形成的重要流场因素。---## 引言旋风分离器是一种高效的气固分离设备[1]。凭借其高分离效率、结构简洁、处理量大、易于操作维护、成本低廉以及能够在极端工况下运行[2][3]，被广泛应用于石油天然气、制药、木材加工、水泥、塑料和矿物加工等多个工业领域[4][5]。在各种旋风分离器设计方法中——无论是经典的 Stairmand 标准设计方法[6]还是 Shi 提出的四参数设计方法[7]——圆筒直径都被视为核心结构参数。分离器的其他主要结构尺寸均依据圆筒直径按照特定的比例关系确定。关于旋风本体直径对性能影响的研究已开展了大量工作。Lin[8]通过比较三种不同本体直径的旋风分离器，发现本体直径的减小会增大边界层厚度的比例，从而缩短"自然涡流长度"[9]，导致分离性能显著下降。Yuan[10]以 Stairmand 型旋风分离器为研究对象，在入口尺寸和气流量恒定的条件下，发现增加圆筒直径可以延长设备内的气体停留时间，提高粒子分离效率。Liu[11]的研究表明，减小圆筒直径能够增强内部旋转，增大作用于粒子上的离心力，从而有效提高细颗粒的分离效率。上述研究主要揭示了分离效率与圆筒直径之间的单调关系，而 Niu[12]和 Zhang[13]的研究进一步提出了峰值效率的概念。在单一入口尺寸和固定入口速度的条件下，两位研究者通过实验和模拟研究了不同圆筒直径旋风分离器的性能。研究发现，随着圆筒直径的增加，分离效率先升高后降低。他们从轴向速度衰减和径向收敛增强的角度解释了峰值效率的形成机制。入口截面系数 K_A 是影响分离效率的关键参数。其定义为圆筒截面面积与入口流截面面积之比，其值取决于入口尺寸和圆筒直径。在现有的基础研究 中，Sun[14]和 Liu[15]通过改变入口尺寸来调整入口截面系数 K_A。结果表明，随着 K_A 的增大，分离效率提高。然而，当 K_A 超过 6 时，分离效率的提升趋于平缓。考虑到减小入口尺寸会导致压降显著增加，他们得出结论，理想的 K_A 值应在 8 到 10 之间。然而需要注意的是，圆筒直径同样是影响分离效率的关键因素。仅改变入口尺寸而忽略圆筒直径影响的分析方法存在局限性。旋风分离器的分离效率受主涡流和二次涡流的双重影响。主涡流由外部向下旋转的流动和内部向上旋转的流动组成[16]。主涡流产生的离心力是气固分离的主要驱动力。因此，主涡流的旋转强度直接影响旋风分离器的分离性能[17]。二次流主要包括三种流型：纵向涡流、短路流和偏心环形流[17]。其中，短路流发生在涡流捕集器端部附近区域。这主要是由于涡流捕集器端部压力较低，导致部分入口气流直接通过涡流捕集器排出，而不经过下部分离室。纵向涡流存在于顶部下方以及圆筒与锥形段的交界处。顶部下方的纵向涡流主要在外向旋流被短路流推移并与内向旋流汇聚时形成。圆筒段与锥形段交界处的纵向涡流则源于流动截面积减小，致使外向旋流挤压内向旋流，最终在两者之间形成纵向涡流[18]。偏心环形流存在于粉尘排放口附近。外向旋流与内向旋流在锥体底部汇聚并改变方向，加剧了涡流核心的振荡，从而诱发偏心环形流[19]。二次涡流产生的小尺度局部涡结构降低了粒子分离效率，对旋风分离器的分离性能产生不利影响[20][21]。关于圆筒直径对旋风分离器分离效率影响的现有机理研究主要聚焦于主涡流的特性。这些研究利用外部涡流的切向速度来表征作用于粒子的离心力，利用内部涡流的轴向速度来表征粒子停留时间，以此解释圆筒直径对分离性能的影响，而对二次涡流的影响则关注较少。基于此，本文研究了以圆筒直径为参考尺度构建的四种不同入口尺寸的旋风分离器。采用 ANSYS Fluent 模拟并结合实验验证，从二次涡流的角度考察了与旋风本体缩放相关的入口尺寸和圆筒直径变化对分离性能和流场特性的影响。---## 旋风分离器模型本研究采用平顶蜗壳式旋风分离器，如图 1(a) 所示。按照基于圆筒直径的比例设计原理，圆筒直径 D 作为参考尺寸，其他主要结构尺寸均与 D 保持固定比例关系。在四种不同入口尺寸条件下，通过改变圆筒直径对旋风本体进行缩放。具体而言，涡流捕集器直径设定为 D_e = 0.4D，圆筒高度为 H_d## 分离效率与压降图 6 展示了当入口高度 a = 145 mm 时，不同圆筒直径旋风分离器在不同入口气速下的分离效率。对比显示，随着圆筒直径的变化，模拟和实验获得的分离效率变化趋势吻合良好。在不同入口气速下，随着圆筒直径的增加，分离效率先升高后降低，在圆筒直径为...时达到峰值。## 结论在本研究考察的粒子和工况范围内，针对四种入口尺寸，系统研究了以圆筒直径为参考尺寸进行旋风本体缩放对分离效率的影响。进一步采用计算流体力学分析了内部流场的演化，得出以下主要结论：(1) 入口尺寸与圆筒直径之间存在匹配关系。具体而言，在...下## 利益冲突声明作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报道的工作。## 致谢作者衷心感谢中国国家自然科学基金委（项目编号 22378285）提供的资助。---**表 1** 模拟和实验工况的操作条件与性能结果| 模拟 | Q_in | V_in | 入口尺寸 | Re | D | K_A | η(%) | ΔP(Pa) ||---|---|---|---|---|---|---|---|---|| 模拟 | 493 m3/h | 15 m/s | a = 145 mm, b = 63 mm | 93,501 | 186 | 3 | 90.755 | 2130.256 || | | | | | 250 | 5.37 | 93.135 | 1490.602 || | | | | | 340 | 9.94 | 95.504 | 1036.579 || | | | | | 410 | 14.45 | 97.295 | 838.028 || | | | | | 500 | 21.49 | 96.300 | 586.5117 || | | 27.8 m/s | a = 107 mm, b = 46 mm | 126,933 | 186 | 5.52 | 96.522 | 4886.309 || | | | | | 250 | 9.97 | 99.358 | 3219.701 || | | | | | 300 | 14.36 | 99.499 | 2673.446 || | | | | | 340 | 18.45 | 99.429 | |---作者：Chengao Zhang|Guo Xu|Xiaoyang Wei|Shiqian Gao|Peng Zhang|Jingxuan Yang|Xiaogang Hao太原科技大学化工学院，山西太原 030024，中国