基于Fluent软件模拟分析旋风筒的工作性能

  摘要：采用Fluent软件模拟分析旋风筒内气相流场及颗粒运动轨迹。模拟过程中采用RNG k-ε模型模拟湍流流动，采用随机轨道模型模拟颗粒运动，并对不同颗粒粒径的分离效率进行分析。结果表明，旋风筒下料口部位速度最小，内筒插入点中心位置压力最小，内筒插入点附近湍流动能最大；旋风筒的分离性能与颗粒粒径有关。

  旋风预热器系统必须具备使气固两相充分均布分散、迅速换热和高效分离等功能。理论和实践表明，物料与气流间的热交换主要在各级旋风筒之间的连接管道中进行，旋风筒的主要作用是气固分离，其分离效率的高低直接影响到系统的热效率 ^[1-3]。因此对旋风筒本身结构的设计，应在保证使用寿命的前提下，充分考虑如何获得较高的分离效率。研究表明，影响旋风筒分离效率的因素是复杂的，在操作参数一定的情况下，旋风筒的几何形状和流体本身的物理性能是主要的影响因素 ^[4,5]。因此，除了旋风筒本身结构参数的合理性外，控制流体性质也将直接决定其工作性能。

  本文借助Fluent软件，通过对某厂5000t/d水泥熟料生产线C3级旋风筒物理建模，模拟分析旋风筒内气相流场及气固两相流场，并通过改变颗粒粒径对比分析旋风筒的工作性能，以期为合理使用并优化旋风筒性能提供参考依据。

  1 模型与计算方法

  1.1 物理模型

  图1和图2分别为该旋风筒的实体图和网格模型。该旋风筒的基本尺寸来源于某厂5000t/d水泥熟料生产线C3级旋风筒，其进风口采用五边形结构，结合270°三心大蜗壳旋转向下，减少了因进风而造成的阻力损失。该旋风筒处于窑尾预热系统的中间级，其特点是分离效率和压力损失都较低，并存在斜下锥体。采用数值模拟技术，研究旋风筒内速度场，压力场，颗粒云的轨迹，以及通过改变颗粒粒径探讨分离效率，优化使用旋风筒。在数值模拟前，需采用Fluent前处理器Gambit软件对几何模型进行网格划分，所划分网格的质量将直接影响模拟的结果。在本研究中，利用非结构化网格技术和混合网格技术对旋风筒进行网格划分，共生成543680个网格，经检查，网格质量良好。

  1.2 数学模型

  1.2.1 气相湍流模型

  旋风筒内的气体流动以强旋流为主，故采用RNG k-ε 湍流模型进行模拟，三维流动的控制方程主要包括连续性方程、动量方程、k 和ε 输运方程，其通用形式如下：

  方程中Φ分别代表速度u、v、w，湍流动能k，湍流动能耗散率ε；SΦ是由气相引起的源项。方程中扩散系数和源项的具体形式参考文献^[6]。

  1.2.2 气固两相流场模型

  为更好的模拟旋风筒内颗粒运动，采用随机轨道模型模拟颗粒的运动，其方程可以写为：

  其中，ρ是气体密度，ρp是颗粒密度，F是附加力，下标i分别代表x,y,z方向，FD是x,y,z方向单位质量的拽力。

  2 数值求解过程

  运用Gambit软件对几何模型划分网格后，将其导入到Fluent软件内，依次选择求解模型和设定边界条件。在湍流发展不充分的壁面边界，采用壁面函数半经验公式进行求解；在湍流充分的核心区域，采用RNG κ-ε模型求解。采用标准壁面函数，无滑移边界条件，壁面粗糙度为0.5。采用控制体积法进行离散，速度-压力耦合采用SIMPLE算法，压力梯度采用PRESTO!离散格式，其他项采用First Order Upwind格式，离散化的方程组采用TDMA法求解各变量，采用欠松弛迭代直至收敛。根据实际生产，采用速度入口，其速度为16.8m/s，采用压力出口，并假定出口处的流动为充分发展。

  3 模拟结果及分析

  3.1 气相模拟结果

  图3 给出了该旋风筒的速度分布云图，从图中可以清晰的看出，速度自旋风筒进风口至下料口逐渐减小，且对称性分布较好。尤其在锥体部位出现了较好的抛物线形分布，说明该处湍流发展比较完全，是强旋流状态。速度在斜下柱体部位较小，对称性不佳，速度梯度相对变小，这样可以降低气体对已收集物料的扰动，有利于气固分离。另外，在内筒下边缘处，由于运动空间的突然缩小，使得该处速度增大，并出现强旋流。而在内筒内部，由于内筒的完美对称，其速度也对称性完好，中间处较小，边缘处较大。气体在内筒插入点的强旋流，通过压力云图和湍流动能图予以直观解释，如图4和图5所示。图4为压力云图，从图中可以清晰的看出，压力在旋风筒内的分布为中心小，边缘大，且沿旋风筒的中心近似呈对称分布，但是，由于内筒的存在，扰乱了发展较好的湍流流场，使得插入点附近的湍流动能迅速增大，超过周围的湍流动能，因此该处造成了强旋流。从湍流动能云图（图5）中可以看出，强湍流动能分布在内筒插入点附近，沿内筒中心对称分布，因此在强湍流动能之间的空间便形成了低压区，即：压力在内筒插入点中心处最小。由于该处低压区的存在，才使得气体顺利的通过内筒排出旋风筒。

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  3.2 颗粒运动轨迹模拟分析

  图6给出了颗粒在旋风筒内的运动轨迹，从图中可以清晰的看出，颗粒进入旋风筒后，在蜗壳的作用下形成旋转流，在后方流体的推动下向下做旋转运动，颗粒在运动的同时，与旋风筒的壁面发生碰撞，动能消耗，部分粒子在重力的作用下由下料管排出旋风筒，完成分离；而动能较大的部分颗粒被流体携带，在旋风筒中心旋转向上运动，由经内筒排出旋风筒。图7给出了旋风筒内颗粒运动的速度矢量图，颗粒在旋风筒内是三维运动，在切线方向呈“M”型分布，即旋风筒中心处切向速度最小，该处速度梯度大，偏离中心后速度迅速增大，由于受到内筒的限制，在内筒插入点附近压力达到最大，继而受强旋流的影响，速度开始降低，但边缘速度大于中心处的速度。轴向速度呈“V”型分布，沿轴向变化很大，同时存在着转向，在不同位置的轴向速度的分布沿x 轴方向近似对称，在中心处速度最小，靠近边缘速度增大，并呈现正负转变，这是向下的“外旋流”和向上的“内旋流”共同作用的结果。而径向速度分布是不连续的，并且径向速度在三维空间内的分布呈现的规律性较弱。在蜗壳的环形区域内的径向速度出现正、负交替，变化幅度较大。而锥体部分的径向速度的分布趋于直线，其径向速度都趋近于零。

  为更好的研究颗粒在旋风筒内的运动状态，本文研究了粒径为1.0μm，5.0μm，10.0μm，15.0μm，20.0μm，30.0μm，40.0μm，50.0μm的颗粒在旋风筒内的运动状态，如图8所示。从结果中可以看出，在相同的速度下，颗粒粒径越小，被旋风筒收集的量越少，在内筒排出的量越多。这表明，旋风筒对物料颗粒的分离具有选择性的，即当颗粒粒径很小，旋风筒不能很好地收集颗粒，其分离效率明显下降，当颗粒尺寸较大，被旋风筒收集的量也增多，其分离效率也相应较高。将旋风筒对以上尺寸颗粒的分离情况绘成分离效率曲线，如图9所示。从曲线图中可知，当颗粒粒径小于20μm时，旋风筒的分离效率较低，在50%以下，而当颗粒粒径为大于20μm，其分离效率明显升高，尤其是粒径达到50μm时，旋风筒几乎可以收集所有颗粒，其气固分离效率接近100%。模拟结果充分展现了适于该旋风筒气固分离的颗粒粒径范围，在实际生产中，在不影响正常工况的情况下，可以通过控制生料磨出磨粒度调节分离效率，以节约能源，优化生产。

  4 结 论

  本文以某厂5000t/d水泥熟料生产线的C3级旋风筒为例，利用Fluent软件，采用RNG κ-ε模型及随机轨道模型对旋风筒的气相流场和气固两相流场进行了模拟分析，结果表明：内筒附近的强旋流场，使该区域产生低压，利于流体从中流出；颗粒在旋风筒内做旋转运动，切向速度呈“M”型分布，中心处速度最小，内筒附近速度最大；轴向速度呈“V”型分布，沿轴向变化很大，同时存在着转向；径向速度不连续，在三维空间内分布的规律性较弱；旋风筒对颗粒的分离具有选择性，对小于20μm的颗粒分离效率较低，大于20μm的颗粒分离效率较高。因此，在设计旋风筒时，应遵循其内流场运动规律，合理设计其结构尺寸，并根据旋风筒的实际工作性能合理调节需分离的颗粒尺寸，以达到节约能源，高效生产的目的。

  参考文献

  [1] 彭学平, 陶从喜. 旋风预热器阻力特性机理的研究[J], 水泥, 2008.6: 13-15.

  [2] 万古军, 孙国刚, 魏耀东等. 压力对旋风分离器内颗粒浓度分布影响的模拟[J], 石油学报, 2008. 24(6): 689-696.

  [3] 姜洪舟. 无机非金属材料热工设备[M]. 武汉: 武汉理工大学出版社, 2010.8.

  [4] 耿宗俊. 5000t/d水泥熟料生产线C1-C5旋风筒的数值分析[D]. 济南大学, 2013.

  [5] 杨沛浩,程峰. 旋风筒分离效率浅论[J]. 四川建材,2010,03:15-18.

  [6]邢宁宁. 基于Fluent软件模拟水泥分解炉热工过程[D]. 济南大学, 2012.