旋风分离器应用广泛，可用来分离气固混合物及气液混合物。虽然它的内部构造较为简单，但是旋风分离器工作时筒体内气固两相流动情况较为复杂，传统实验优化方法投入大，耗时长，因而近年来越来越多科研人员采用数值模拟的方法对旋风分离器的结构就行优化。本文使用CFD（计算流体力学）软件FLUENT对工作状态下的旋风分离器内部固体颗粒分布进行了模拟。本文根据Stairmand型高效旋风分离器建立了3D模型，选用RNG k-e湍流方程和双流体数学模型，考察了流体曳力模型、旋风分离器进口气速和初始固含量对旋风分离器分离效果的影响。发现旋风分离器这种低浓度流场在模拟时不需要对曳力进行修正，而增大进口气速和选择合适的初始固含量对分离效果是有提高的。关键词 气固相，旋风分离器，分离效果，计算流体力学
目 录
1 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 旋风分离器的工作原理 2
1.3 旋风分离器发展 3
1.4 FLUENT软件介绍 4
2 火电厂燃烧工段工艺 5
2.1 工艺介绍 5
2.2 环保与经济分析 6
3 数值模拟方法 7
3.1 湍流模型 7
3.2 离散格式和压力插补格式 12
3.3 速度和压力耦合算法 13
3.4 双流体模型 13
3.5 离散相模型 15
4 模拟工况 15
4.1 模型建立 15
4.2 边界条件设定 17
5 实验数据分析 18
5.1 曳力模型分析 18
5.2 进口气速分析 21
5.3 初始固含量分析 25
结 论 29
致 谢 30
参 考 文 献 31
1 绪论
1.1 引言
现如今，工业生产规模在不断提高，工业生产活动对环境的污染越来越严重。人们越来越追求高质量的生活环境，越来越多的人开始关注大气污染这个问题。WHO制定了大气污染的标准，认为是20μg/m3，最多不超过90μg/m3[1]。然而有关数据表 *景先生毕设|www.jxszl.com +Q: &351916072& 
示，我国只有10%的居民生活在符合WHO制定的标准下的环境里，有高达60%的居民生活环境污染程度远超WHO标准[2]。这些固体颗粒造就了一个新的词汇“雾霾”，雾霾不仅使大气能见度下降，而且人类吸入这些固体颗粒后会给人类的肺部和呼吸道造成不可逆的伤害。因此，国家制定了固体颗粒排放的相关标准，我国工业活动也在强调节能减排并且也在大力发展尾气净化技术。但是，我国还是一个发展中国家，还是会大量使用化石能源。因此，我们还是需要对颗粒净化技术进行改进。
近年来，越来越多的人开始研究颗粒净化设备，其中应用较广的便是旋风分离器。旋风分离器被用作工业颗粒控制设备以从流体中出除去微小固体颗粒。旋风分离器维护成本低，只需要低廉的操作成本并利用较少的能量就可以进行操作[3,4]。旋风分离器将进料分为两股物流，一股纯净物流从上口出，另外一股粗物流从下口出[57]。气体和固体的混合物切向进入旋风分离器从而引起气体和固体颗粒的旋转运动[8,9]。固体颗粒在底部管道被收集，气体通过涡流装置从旋风分离器的顶部排出。颗粒的离心力由粒子的旋转运动提供 [810]。 旋风分离器的性能取决于湍流，颗粒颗粒相互作用，轴向和切向速度[11]。流体速度，固体含量，出口压力，压差和温度都是影响旋风分离器性能的因素[11,12]。旋风分离器的压力降则影响其分离固体颗粒的效率。气旋损失是由于颗粒与器壁摩擦和涡流内损耗导致的[9]。在控制表面的边界速度和切向速度可以用Barth模型确定[13]。旋风分离器作为更昂贵的最终控制设备（如织物过滤器或静电除尘器）的预清洁器是必要的，从而满足严格的空气污染规定。它们可用于回收食品和催化剂[14]。旋风分离器通过在旋风体中产生涡流，利用离心力分离气体中的固体颗粒。在食品工业中，旋风分离器通常在喷雾器之后使用以收集排放气体中的有效微粒，而在冶金行业，则是在打磨操作后用以收集有用的材料。在钢铁和冶金行业中，旋风分离器用于控制烧结厂、焙烧炉和熔炉的微粒排放。多旋风分离器串联被用来回收燃烧单元中直径小于2.5毫米的颗粒物[15]。旋风分离器采用锥形分离器，它可以加快速度从而使气体和其他固体颗粒的效率达到90%。锥形结构加快了速度且增大了离心力使得分离效果最大化[16]。
虽然旋风分离器结构不复杂，但其内部运动状况极为复杂，因此目前对旋风分离器的设计还是以经验为主。所以说使用CFD软件，用数值模拟的方法研究旋风分离器内流体运动状态是很有意义的。
1.2 旋风分离器的工作原理
一般旋风分离器的大致结构如图1.1所示：


图1.1 旋风分离器基本结构
如上图所示，旋风分离器分为入口处、出口管、圆筒部、圆锥部和集尘室五个部分。
当含尘气体从旋风分离器的入口吹入，由于分离器筒体的特殊结构，下细上粗，使得含尘流体流动的方向改变，含尘气体在分离器内该做旋转圆周运动，根据经典牛顿力学理论，含尘气体在做圆周运动必定会受到一个离心力的作用，并沿着筒壁向锥体做螺旋向下的运动，通常被称为外旋流。在螺旋运动中，含尘气体受到离心力的作用，从而将含尘气体中的固体颗粒甩向筒壁。当固体颗粒和筒壁接触时，便失去了动能，从而沿着筒壁下落，最终落入出尘口。当外旋流运动至圆锥部时，根据伯努利方程方程可知，圆锥底部的截面积比分离器上部面积小，在相同的流量下，含尘气体在锥底部的切向速度会变大。在流速变大的区域之处会造成周围气降低，所以在筒体中心部位会有低压区产生。由于低压区的存在，含尘气体会向分离器的中心靠拢，并同向做由下而上的螺旋运动，称为内旋流。做内旋流的气体经出口管排出，一小部分没有甩出的小颗粒也会随着气流排出。固体颗粒如果在气体做内旋流时碰到筒壁，也会达成分离的效果[17]。
1.3 旋风分离器发展
1.3.1 发展历史
根据记载，首个旋风分离器的专利申请是在1886年，由O.M.Morse申请。在这100多年里，旋风分离器主要经历了以下三个发展阶段[18]：
第一阶段是在19世纪末到20世纪初，这个阶段对旋风分离器没有系统的研究，只认为旋风分离器是靠离心力将固体颗粒甩出去，此时分离效率很低，只能分离4060微米的颗粒。

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