不同入口形式的固液分离旋流器壁面磨损研究

基于计算流体力学(CFD)软件Fluent中的颗粒随机轨道模型(DPM),对两种入口形式的固液分离旋流器的壁面磨损进行数值模拟的比较,结果表明:单入口式固液分离旋流器顶板的最大磨损位于方位角140°~210°,环形空间壁面最大磨损位于方位角120°和190°,底流口附近壁面最大磨损在周向方向180°的底流口上方1~2mm位置;双入口式旋流器的壁面磨损呈对称分布,最大磨损在底流口位置,顶板壁面最大磨损在两个入口区域,顶板外层最大磨损位于方位角80°~110°和260°~290°,环形空间壁面最大磨损位于方位角120°和300°;相同条件下,双入口式旋流器顶板和环形空间的壁面磨损小于单入口式旋流器顶板和环形空间的壁面磨损;而对于底流口附近的壁面磨损,双入口式固液分离旋流器底流口附近的壁面磨损略大。     

旋风分离器环形空间壁面磨损的数值研究

采用包括流场计算、颗粒轨迹追踪和磨损值计算的数值模拟方法,研究了气固两相流对不同入口结构旋风分离器环形空间壁面磨损情况,计算得出的气相时均速度以及环形空间磨损区域与实验结果基本吻合。计算结果表明,不同入口结构分离器环形空间壁面都是以"局部磨损"为主,但磨损区域略有不同。在圆周方向上,蜗壳式入口结构壁面磨损主要发生在60°~200°,其中90°~180°磨损最为严重;单入口直切式结构磨损范围较广,主要集中在60°~210°;双入口直切式结构壁面磨损在环行空间分成两个区域,分别集中在60°~120°和240°~300°,磨损相对均匀;环形空间壁面磨损率沿周向的变化曲线完全不同,最大磨损率的周向位置也各不相同,蜗壳式结构最大磨损率相对较小。通过研究找到了一种有效的计算分离器壁面磨损的方法;改变分离器入口结构,可以改善环形空间壁面磨损情况,为分离器环形空间的防磨提供依据。     

双进气道旋风分离器内不同粒径颗粒流动特性

采用改进的RNG k-ε湍流模型和欧拉多相流模型,对一种单入口双进气道旋风分离器内的气固多相紊流过程进行数值模拟。计算得到旋风分离器内不同粒径颗粒速度和浓度分布规律,结果表明:大粒径颗粒比小粒径颗粒轴向速度分布更平坦,切向速度峰值位置和外准自由涡区也越向壁面靠近;与普通单入口旋风分离器相比,相同处理量时,此种旋风分离器内速度和不同粒径颗粒浓度分布轴对称性更好,大粒径颗粒切向速度峰值位置外移更明显,筒体段颗粒有更向壁面浓集的趋势,锥体段不同轴向位置处中心旋流区双进气道的颗粒浓度低于单进气道的。小粒径颗粒捕集能力增强,有助于提高分离器分离效率,减少不稳定流动导致结焦的颗粒源供给,从流动角度保证了抗结焦和长周期稳定操作。     

不同尺寸异径管的冲蚀数值模拟研究

运用Fluent软件中的DPM模型对不同入口颗粒浓度下不同尺寸异径管的冲蚀磨损进行数值模拟研究。通过数值模拟得出异径管冲蚀情况与入口浓度和尺寸之间的关系。结果表明,不同尺寸异径管的严重冲蚀区域都位于变径区域壁面;在相同的入口速度下,异径管的冲蚀磨损随着入口浓度的增大而上升;异径管的冲蚀磨损随着变径角度的上升成先上升后下降的现象,且冲蚀严重区域形状随角度的上升从斑点状向环状转变,并存在最严重冲蚀角度。     

旋风分离器防磨减阻性能机理研究

为了提高旋风分离器的防磨减阻性能,运用计算流体动力学方法研究了常规和防磨减阻旋风分离器的防磨减阻机理。结果表明:常规旋风分离器容易发生严重的局部冲蚀,而防磨减阻旋风分离器冲蚀磨损区域较为均匀。在同一粒径下,防磨减阻旋风分离器的壁面冲蚀磨损远小于常规旋风分离器。两者的壁面冲蚀磨损速率随粒径增大而逐渐增大,当粒径大于15μm时,冲蚀磨损速率变化不大。两者的压降损失随着入口速度的增加而增大,当入口速度为15 m/s时,防磨减阻旋风分离器的压降为297 Pa远小于常规旋风分离器的821 Pa。防磨减阻板不会改变旋风分离器的流场特性,分离小粒径颗粒效率略小于常规旋风分离器,但粒径大于5μm时,防磨减阻旋风分离器具有很高的分离效率。     

T型弯头不同工况的冲蚀磨损数值模拟研究

运用Fluent软件中的DPM模型对不同固体颗粒浓度和入口速度情况下的T型弯头冲蚀磨损进行数值模拟研究。通过数值模拟得出T型弯头中流场分布情况以及严重冲蚀部位。结果表明,在盲管区域产生旋涡,充当保护垫作用,减缓壁面冲蚀;在相同颗粒浓度情况下,T型弯管的冲蚀速率随着入口速度的增大而非线性上升,严重冲蚀区域的尺寸将发生变化;在相同入口速度下,T型弯头的冲蚀速率随着颗粒浓度的增加而接近于线性上升,严重冲蚀区域的尺寸几乎不变。     

蜗壳式旋风分离器的磨损实验和分析

用模拟方法对蜗壳式旋风分离器器壁磨损进行了实验 ,探讨了旋风分离器的磨损机理 ,对蜗壳式旋风分离器器壁磨损最严重的 3个部位 :环形空间筒体 60～ 1 35°(以入口处为 0°)的局部区域、锥体部分的末端、灰斗锥体与料腿的连接附近的磨损特点进行了分析。实验结果表明 ,蜗壳式旋风分离器器壁磨损量与含尘气流的浓度是线性关系 ,与入口速度是三次方关系。在实验数据的基础上建立了磨损量计算的经验关系式。     

局部磨损对α型旋风分离器内流场及分离性能的影响

以α型旋风分离器为研究对象,基于欧拉-拉格朗日方法,采用雷诺应力模型（RSM）、颗粒离散相模型（DPM）、E/CRC磨损方程对分离器内流场与磨损特性进行数值模拟。通过分析速度矢量、切向速度、颗粒运动轨迹等参数的分布规律,研究了局部磨损对设备内流场及分离性能的影响。结果表明,α型旋风分离器入口正对壁面磨损最为严重,最大磨损率约为1.4×10^-5kg/(m²·s)。磨损引起壁面几何结构的改变,导致气流方向发生偏转,不利于主流的稳定与固体颗粒的分离。随局部磨损的加剧,排气管下口短路流急剧增大,从而导致排气管下口以下区域流体流量减少,外涡切向速度降低;细颗粒的逃逸现象更加明显,粗颗粒运动轨迹趋于重合,更易形成高浓度灰环加剧壁面磨损。与未磨损时相比,局部磨损厚度50mm时,3μm粒径颗粒的分离效率由74.38%降低至54.97%,分割粒径d₅₀由0.73μm增大至2.36μm;设备压降降低了约15.41%。     

组合式旋流器处理污水的数值分析

利用RNG k-ε模型计算流量分配器,确定了组合式旋流分离器的结构形式,利用雷诺应力模型(RSM)对入口切向角度不同的旋流分离器内部流场进行了分析,利用离散相模型(DPM)计算了其分离效率,利用所设计的组合式旋流分离器进行污泥浓缩实验,确定了流量分配器的结构形式,得到斜切单入口式旋流分离器入口与分配器环形管外圆周面的最佳夹角为5°,该分离器可将污水的含固率从2.7%提升至7.1%.     

入口粉尘浓度对新型旋流-颗粒床耦合分离器特性的影响

通过大型冷模实验,考察了入口粉尘浓度对某连续操作新型旋流-颗粒床耦合分离器压降和除尘效率的影响特性。结果表明,入口粉尘浓度越大,达到平衡时分离器的压降越大,压降增速越快,入口粉尘浓度为59.13 g/m3时,分离器平衡压降最大为1.2 kPa;入口粉尘浓度越低,分离器分离效率越高。分离器颗粒床层内捕集颗粒含尘量与再生效率有关,再生尘源浓度越小,分离器压降达到平衡越快。当再生尘源浓度由58.18%降至23.67%,装置压降由1.5 kPa降至1.2 kPa;随着再生尘源浓度降低,分离器除尘效率略微下降。入口粉尘浓度和再生尘源浓度对分离器压降影响的结果一致,对分离器效率影响的结果不同。     

环缝内衬固液分离耐磨旋流器磨损的数值模拟

旋流器由于结构简单、安装方便、操作便捷等优点,被广泛应用于各个工业领域。从旋流器使用以来,磨损问题就一直受到人们的极大关注,虽然在耐磨材料方面进行了大量研究,但事实表明,旋流器磨损问题仍然存在。为了提高固液分离旋流器的耐磨性,延长旋流器的使用寿命,本文提出一种环缝内衬固液分离耐磨旋流器。基于计算流体力学(CFD)方法,应用ANSYS软件中雷诺应力模型和离散相模型,对其磨损进行了模拟研究,并与普通固液分离旋流器进行对比分析,最后对模拟准确性进行实验验证。结果表明:旋流器磨损最严重的位置位于壁面入口处、圆锥体与圆柱筒体交界处及底流口附近。对于环缝内衬旋流器,由于环缝的存在,大幅度降低了旋流器壁面的磨损。另外,因为较大固体颗粒穿过环缝进入到环缝内衬和器壁的空间中,使靠近内衬的浆体浓度降低,从而也降低了环缝内衬的磨损,这一结果体现出环缝内衬旋流器的重要工程实用意义。     

不同流量条件下导叶式旋流器内部流动的数值模拟

应用Fluent软件和雷诺应力模型(RSM)对导叶式旋流器内部三维强旋湍流流动进行了数值模拟,考察了不同入口流量对旋流器内速度场的影响。研究结果表明,旋流器内径向速度远小于切向速度和轴向速度,锥段的切向速度明显小于柱段的切向速度;随着流量的增加,各向速度均增加,最大切向速度的分布直径并不随流量的变化而改变,且最大切向速度位于准自由涡与准强制涡的分界处。通过计算还发现,在旋流器圆柱段存在循环流和短路流,锥段的上行区域均小于柱段,而且截面越靠底流口,上行区域越小。     

除油水力旋流器结构尺寸筛选试验研究

在室内模拟实验装置上 ,采用粒级效率进行了旋流器的小锥管锥角、溢流口直径、底流口直径、底流直管段长度和入口当量直径等尺寸筛选实验。筛选结果表明 ,旋流器的溢流口直径和底流口直径对旋流器的分离效果产生较大影响。     

Improvement of hydrocyclone separation performance by incorporating a conical filtering wall

In this work, the performances of conventional hydrocyclones have been compared with a new configuration, known as filtering hydrocyclone. This non-conventional solid–liquid separator consists of a hydrocyclone whose conical section is replaced by a conical filtering wall. Thus, during the operation of these devices, besides the underflow and overflow streams, there is another stream of liquid, resulting from the filtrate produced in the porous cone. The experimental and CFD results, obtained in 25 different configurations of both conventional and filtering hydrocyclones, show that the performance of hydrocyclones is significantly influenced by the replacement of the conical section of the conventional device by a conical filtering wall. The separation performance and the capacity can be enhanced with the filtering hydrocyclones, as compared with similar conventional.     

插入圆柱状丝网管对单相对流传热的强化

提出在传热管内插入圆柱状丝网管调控流场进而强化传热的方法。通过在管内同心插入圆柱状丝网管,将流通截面分成中心区和环隙区,流体流经丝网入口处时受到阻力较大,大部分流体流向环隙区,使得速度场受到调控。环隙区与中心区内冷热流体掺混,强化传热。为验证这一思想搭建强制对流换热实验台,以去离子水为工质,Reynolds数为2392～20175,热通量为50.18～282.88 kW·m^-2。通过对局部、平均Nusselt数及摩擦压降数据的研究,结果表明：同光管传热相比,插入丝网管后平均Nusselt数提高,传热强化系数为1.21～1.84,且最大强化系数发生在过渡流内。入口段强化效果明显,局部传热强化系数最高可达到2.64。而强化传热的同时摩擦压降增大6.1～10.6倍。同时对该结构的传热强化机理进行分析：流场受到丝网管的调控作用,进而强化传热。     

Enhancement of Hydrocyclone Classification Efficiency for Fine Particles by Introducing a Volute Chamber with a Pre‐Sedimentation Function

A new hydrocyclone was designed with a volute chamber positioned prior to the inlet. Since the volute chamber prior to the inlet has a pre‐sedimentation function due to the centrifugal sedimentation effect, coarse particles are concentrated on the outer side and fine particles are concentrated on the inner side as the particles reach the entrance of the hydrocyclone. Consequently, coarse particles in the hydrocyclone are easily separated into the underflow and fine particles are easily transferred into the overflow. As a result, the separation or classification performance of the hydrocyclone was improved effectively. Compared with the traditional type of hydrocyclone, this new type of hydrocyclone with a volute chamber before the inlet was shown to possess a much higher classification efficiency for fine particles.     

水力旋流器能耗机制与节能原理研究 Ⅴ.流场结构与能量耗损

采用正交试验设计,系统地研究了水力旋流器流场结构对其能量耗损的影响。结果表明,在水力旋流器结构中,中心插入部件结构对能量耗损影响最大,而底流管结构的影响最小;在中心插入部件中,中心翅片节能效果最佳。最后优化出了可使能耗系数最小的水力旋流器优化结构组合。     

Experimental Study of a New Hydrocyclone for Multi-Density Particles Separation

Abstract

A new structure of hydrocyclone is designed to meet the demand of separating particles heavier or lighter than water simultaneously. Based on the conventional hydrocyclone, the structural modifications with a section in the middle and a volute chamber on the top of the hydrocyclone to accumulate the separated low density particles. Some factors that influence the separation efficiency of hydrocyclone were investigated in this paper. For the heavy phase, those influencing factors included the inlet flow rate and underflow split ratio. For the light one, different outlets for discharging the light phase were taken into account. The results show that there exists an optimum inlet flow rate for a series of underflow split ratios. The top outlet for separating light phase particles is better than the side outlet's.