CFD技术在旋风分离器内部流场中应用的可靠性分析

摘 要：简要介绍了CFD技术，并利用CFD技术对旋风分离器进行数值研究，探讨了适用于旋风分离器的计算模型，包括湍流模型的选择、多项流模型的选取以及内部空气柱的分析方法。以锥形分离器为例进行数值计算和模拟，获得了旋风分离器中内部流场的静压云图、速度云图和速度矢量图，并用模拟结果与实际情况作为参照，得出可信性分析，这在以后对于旋风分离器的优化设计及性能分析有着重要的指导意义。

关键词：CFD技术 旋风分离器 内部流场

中图分类号：TH43 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）06（b）-0092-02

Abstract：CFD technology was introduced briefly，with which numerical research was carried on.Computational models for Hydrocyclone were discussed，including the choice of turbulence model，multiphase flow model and calculation method for air column.Numerical simulation for taper hydrocyclone was taken as an example.Static pressure cloud chart，velocity cloud chart and vectorgraph of hydroclone internal flow field were achieved.Comparison between the simulation results and practice was made to prove the reliability with the directive significance to hydrocyclone optimization design and performance analysis.

Key Words：CFD Thchnology；Hydrocyclone；Internal Flow Field

旋风分离器广泛应用于石油化工、燃煤发电和环保等许多行业。它作为一种重要的气固分离设备，与其他气固分离设备的技术相比具有机构简单、无运动部件、分离效率高和压降适中等特点，尤其适用于高温、高压和含尘浓度高的工况。旋风分离器内的流体是一个复杂的三维旋转流动，流体的旋转运动简称涡流。到现在为止还不能用理论分析的方法来阐明旋流器内部的流体力学规律。近年来，随着计算机的飞速发展，应用计算机根据计算流体力学（CFD）的原理和方法，对旋流器内部流场进行数值模拟受到越来越多学者的重视。

1 旋风分离技术

旋风分离器的实际工作原理涉及到不同的学科，尤其是与旋转流动有关的流体力学、流体中颗粒的流动、颗粒特性等知识。

旋风分离器的性能评价主要是总分离效率、分级效率和压降。因此我们可以分析得出影响旋风分离器性能的主要因素为结构参数、粉尘的物理性质和分离器的运行参数。为了可以实现对结构参数和运行参数的合理性和高度可控性，有必要研究旋风分离器的内部流场特性，在这过程中CFD技术是除了实验外的可准确分析内部流场特性的唯一手段。

2 CFD技术

CFD软件将一些难懂的程序代码打包，因此该项技术更易于掌握和使用，它可以快速地、相对准确地计算并表示旋风分离器内部流场的流动情况，如速度、压力、浓度甚至湍流动能的分布，可以进一步对流场进行预测和分析，同时也可以通过分析提出问题和解决问题。常用的CFD商用软件有PHOENICS、CFX、STAR-CD、FIDIP、FLUENT等多个商用CFD软件，这些软件的功能比较全面、适用性强；具有比较易用的前后处理系统和与其他CAD及CFD软件的接口能力；具有比较完备的容错机制和操作界面，稳定性高；可在多种计算机、多种操作系统，包括并行环境下运行。本文中主要应用了ANSYS ICEM CFD和FLUENT CFD应用软件进行模拟和分析。

3 旋风分离器的数值模拟

3.1 湍流模型的选择

旋风分离器内的流体运动可分为短路流、内旋流、外旋流、空气柱等形式，分离区域可大致分为预分离区、预主分离区。显然，不同区域流体的运动情况不同，也表示不同区域的固体颗粒的运动特性受不同方式的影响。因此，选择正确的湍流模型在研究内部流场上是至关重要的。

雷诺应力模型（RSM）比单方程和双方程模型更加严格的考虑线型弯曲、漩涡、旋转和张力快速变化，它对于复杂流动有更高的精度预测的潜力。可以看出该模型非常复杂，有潜力成为所有经典湍流模型中的通用。计算工作量非常大因此在边界计算过程中的差分格式采用QUICK差分格式，求解器采用三维双精度稳态求解器，以便计算结果更为精确。RSM模型是计算重介质旋流器的最佳湍流模型。在流场不是很复杂的情况下也可选择标准模型。

3.2 网格的划分

本文中使用ANSYS ICEM CFD，这个商业软件中可以提供高级几何获取、网格生成、网格优化以及后处理工具以满足当今复杂分析对集成网格生成与后处理工具的需求。旋风分离器的入口的网格是一个难点，本文中应用此软件为之后的模拟和后处理做了可靠的准备。

3.3 计算结果及对比

分别是旋风分离器内静压云图、切向速度云图、轴向速度云图和入口速度矢量图。由图可以看出，旋风分离器内部压力和速度基本沿中轴呈对称分布。沿径向方向全压具有较大梯度；切向速度先增大后减小，具有极大值；轴向速度先减小后增大，有极小值。与现有分析及模拟结果相一致。

图5为平面z=-270 mm切向速度，在此将模拟结果与参考文献中的实验值进行对比，可见模拟结果与实验值吻合较好。由此表明，所采用的计算模型和数值模拟方法能较好地预测旋风分离器内的气相流场，有较高的可靠性。其中a图为参考文献中结果，b图为本次模拟结果。

4 结语

本文基于CFD技术，针对旋风分离器模型，探讨了适用的湍流模型、网格的划分以及模拟结果与实验结果的分析对比，从不同的角度验证了CFD技术在旋风分离器中的可靠应用。在此基础上可以通过不同的模拟条件对旋风分离器进行流场分析，从而得到影响旋风分离器的主要因素，最终达到优化设计的目的。CFD技术对旋风分离器的选择以及准确的预测分离性能有着重要的作用。

当然，CFD技术本身也存在着一定的局限性，比如对物理模型、经验技巧有一定的依赖，但是因其巨大的优势，在之后的研究学习过程中它将发挥着越来越多的作用。

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