基于平衡轨道模型和CFD的旋风分离器除尘特性分析

基于平衡轨道模型和CFD的旋风分离器除尘特性分析 基于平衡轨道模型和CFD的旋风分离器除 尘特性分析 2011年第11期总第38卷 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与研究 基于平衡轨道模型和CFD的 旋风分离器除尘特性分析 李成林,王琪.,吴中连,单烈 (1.江苏科技大学机械工程学院,江苏镇江212003;2.江苏悦达专用车有限公司,江苏盐城224002) 摘要:运用平衡轨道模型(Barth模型)和计算流体力学仿真分析技术(CFD),对全吸式干湿两用扫 路车用旋风分离器的除尘性能进行了理论计算和仿真分析.主要从旋风分离器的除尘效率方面,对其初 始设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 进行了评价.通过相关的理论模型计算,得到了该型旋风分离器的分级效率曲线.通过数值 仿真分析,得到了不同粒径的颗粒在旋风分离器内部的停留时间.最后将模型计算和仿真分析的结果进 行了对比验证.同时,也为该型旋风分离器下一步的实际应用提供了理论依据. 关键词:旋风分离器;平衡轨道模型;CFD;除尘效率;切割粒径 中图分类号:U418.6+1文献标识码:A文章编号:1006—0316(2011)11—0009—05 Analyzingofdustremovalcharacteristicsforthecycloneseparatorbasedontheequilibrium orbitmodelandCFD LICheng—lin,WANGQi,WUZhong—lian,SHANLie (1.SchoolofMechanicalEngineering,JiangsuUniversityofScienceandTechnology,Zhenji ang212003, China;2.JiangsuYuedaSpecialVehicleCo.,Ltd.,Yancheng224002,China) Abstract:Weareusingtheequilibriumorbitmodel(Barthmode1)andthecomputationalfluid dynamics(CFD) technologytocalculateandsimulatedustremovalperformanceofthecycloneseparatorinwe tanddrysuctions sweeproadcar.Fromthedustremovalefficiency,initialdesignschemeisevaluated.Throught hecalculation,we getthegradeefficiencyCUlWeofthecycloneseparator.Throughthesimulation,wegetthepa rticleresidencetime ofdifferentsize.Atlast,wecomparetheresultsofcomputingandsimulation.theresultsprovi dethetheoretical basisfornextapplication. Keywords:cycloneseparator;equilibriumorbitmodel;CFD:dustremovalefficiency:cuttin gsize 颗粒污染物是城市大气污染的首要污染 物,其中交通扬尘对颗粒物浓度的影响最大. 通过对国内外多种清扫车的排放浓度和吸尘 效率进行测试研究 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,采用先进的清扫设备 可以有效地控制交通扬尘…. 全吸式干湿两用扫路车具有吸扫效率高, 能耗低,环保性好,无二次扬尘,全天候,成 本低且适应性强的特点.特别适合干旱少雨或 连绵阴雨的地区.从功能上,彻底解决了二次 扬尘和二次排尘所造成的环境污染.因此,全 吸式干湿两用扫路车具有广阔的发展前景和 极高的实用价值. 收稿日期:2011—02—26 基金项目:江苏省自然科学基金项目(BK2008576) 作者简介:李成林(1985一),男,山东济南人,硕士研究生,主要研究方向为特种车辆 没计与制造技术. ? 10?设计与研究2011年第11期总第38卷 旋风分离器作为全吸式干湿两用扫路车 除尘系统的关键部件,对于提高除尘效率和实 现整个气路系统的功能都有决定性的作用.经 过初步设计的旋风分离器,依据现有的理论模 型对其除尘性能进行理论计算并结合流场仿 真分析技术加以验证,可以有效地对旋风分离 器的主要性能指标进行评价. 本文着重研究旋风分离器的除尘效率和 可分离的最小颗粒(包括固体粉尘和液滴)粒 径一一切割粒径.采取理论模型计算和CFD 相结合的方法进行研究.首先,应用旋风分离 器的平衡轨道模型(Barth模型),对初步设 汁的旋风分离器的分离效率和切割粒径进行 计算.然后,在三维建模软件中对初步的设计 方案进行建模,然后导入到CFD软件中进行 分析.通过这样的方法对设计方案的性能进行 评价,可以有效地减少试验的重复次数,降低 设计成本,缩短设计周期. 1工作原理与平衡轨道模型概述] (1)旋风分离器的工作原理 含尘气体由旋风分离器进气口沿切线方 向进入分离器内部后,气流沿外壁从上向下作 旋转运动,通常称这股旋转向下的气流为外漩 涡.外漩涡到达锥体底部后,转而向上,沿轴 心向上旋转,最后从排气管排出.这股向上旋 转的气流称为内漩涡. 内,外涡旋的旋转方向相同.含尘气体中 的尘粒在气流旋转过程中受到离心力的作用, 而向旋风分离器的外壁运动.到达外壁的尘粒 在下旋气流和重力的共同作用下沿壁面落入 灰斗而分离出来. (2)旋风分离器的平衡轨道模型 如图l所示,将旋风分离器的升气管向下 延伸到旋风分离器的底部形成一个圆柱面 CS,"平衡轨道"模型是对于半径为R=0.5Dx 圆柱面CS上的旋转颗粒建立力的平衡分析得 到的,即在此圆柱面CS上的旋转颗粒同时受 到向外的离心力与向内流动气流的阻力,两力 之问形成平衡.由于离心力正比于颗粒质量, 即正比于X;而阻力(斯托克斯力)正比于粒 径X,结果较大粒径的颗粒在离心力的作用下 向旋风分离器器壁运动被捕集,而较小粒径的 颗粒则被带入升气管而逃逸,处于平衡位置的 颗粒(在圆柱面CS"平衡轨道"上的颗粒) 粒径就是旋风分离器的x.或切割粒径,它是 一 个代表具有50%的概率被捕集的颗粒粒径. 这个颗粒粒径是旋风分离器的一个重要参数, 是旋风分离器分离性能的一个量度. 图1平衡轨道模型(Barth模型)原理示意图 2性能指标 旋风分离器的性能指标主要有:处理气量 ,分离效率叩,压降AP.下面将分别给予 详细介绍. 2.1处理气量Q 旋风分离器处理气体能力的大小一般用 处理气体流量来表示.考虑到旋风分离器在运 行过程中会产生漏气,旋风分离器的处理气量 一 般用进口和出口的气体流量平均值来进行 计算,用Q?表示,即: o:?! '2 式中:为旋风分离器的处理气体流量,m/h; QM为旋风分离器进口处气体流量,m/h;QNo 2011年第?期总第38卷设计与研究 为旋风分离器出El处气体流量,m/h. 旋风分离器的漏风率可通过下式计算: :二×100% Q 2.2分离效率r/ 分离效率是旋风分离器分离性能的重要 衡量指标.通常用总分离效率和分级分离效率 来表示. (1)总分离效率 通常情况下,旋风分离器的总分离效率可 以表示为: 导 式中:Gc为从旋风分离器排出口排出的物料 量,kg/h;G为从旋风分离器进口进入的气流 中所含的物料量,kg/h. 总分离效率与分离器结构,颗粒性质,气 体性质和运行条件等因素有关.因此,除非入 口条件完全相同,总分离效率用来评价旋风分 离器的分离性能具有很大的局限性. (2)分级分离效率 分级分离效率表示的是旋风分离器对直 径为的颗粒的分离效率,是对某一特定直 径的颗粒而言的.分级分离效率与总分离效率 相比,它更能说明分离器的分离性能.分级分 离效率可以表示为: rL::— QX— <- 1-— Co&— C.XtClXl 式中:G为进入分离器的物料量,kg/h,Cc 为被捕集下来的物料量,kg/h,Co为逃出旋风 分离器的总物料量,kg/h;,,Xo分别为 与G,,对应的粒径为的物料份额, 无量纲. 总分离效率与分级分离效率的关系为: rl=?~]xXi 式中:为粒径出的颗粒筛分份额. 3基本结构和主要性能计算 (1)旋风分离器的结构 常规的旋风分离器结构,一般都是由进气 管,排气管,排尘管,圆筒体和圆锥体等几个 部分组成.各部分的结构又都有多种形式,从 而又组成了各种类型的旋风分离器,但是它们 的分离原理都是一样的,只是在性能上有些差 异,以适应各种不同的用途. 本文计算所采用旋风分离器的物理模型 和几何结构尺寸如图2和图3所示.图中的几 何结构尺寸参数为:a=95mm,b=38mm,h =285mm,B=72.5mm,D=190mm,D: 64mm,H=760mm,S:95mm,T=55mm 图2旋风分离器 物理模型 图3旋风分离器 几何结构尺寸 (2)旋风分离器的主要性能计算l2】 旋风分离器在旋风分离器的入口结构中, 由于入口流道的收缩作用使器壁上的气体切 向速度高于入口速度.为了考虑这个因素引入 系数,的计算 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 为: = 1—0.4Xf=0.747(1) 由系数和入口速度入口中心的径 向位置和旋风分离器简体半径尺可计算出 器壁速度v为: 9m/, 依据相应的公式,可计算出旋风分离器 CS面上的切向速度为: ? 12?设计与研究2011年第11期总第38卷 (R) V0cs———H— cs — R— gfvo~o1—,一 旋风分离器CS面上的径向速度为: cs= Q= 1.66rn/s(4) 综上,可得旋风分离器的切割粒径为: s.,』V, 眦 cs9#D z x一 = 3?235m 旋风分离器的分级效率曲线为: 1 rl(x1=——一(5) 1+A50) 如图4所示,横轴代表颗粒的粒径,纵轴 代表旋风分离器的分级效率.由旋风分离器的 分级效率曲线可以看出,当颗粒粒径在4.5lam 左右时,分离效率可以达到90%. 粒径/um 图4旋风分离器的分级效率曲线 4分离性能的流场仿真分析 使用Fluent软件多相流模型中的离散相 模型来分析该旋风分离器内不同直径颗粒被 筒壁捕集而停留所用的时间.进入旋风分离器 1人】部的物料体系是悬浮在空气中的水滴和煤 粉的混合物,为了便于分析将水滴的密度取为 ???,,t 图54pm颗粒停留时间 1000kg/m,煤粉的密度也取为1000kg/m, 旋风分离器进气道的入口浓度为2.5g(煤粉 和水的混合物)/kg(空气),旋风分离器进 气道入rj速度为12m/s.因为煤粉表面附着水 滴后相互黏连使颗粒直径变大,反而更易被旋 风分离器分离出来,所以,为了通过CFD验 迁理论计算所得的切割粒径是否合理,这里只 考虑纯煤粉或水滴的情况.取颗粒(煤粉,水 滴)粒径分别为3pm,4pm和5pm. 设置进气道的入口平面为速度入[j (velocity—inlet)边界条件,速度大小为12 m/s,设置出气管出I_J平面为出流(outflow) 边界条件.计算过程中,选择RNGk-epsilon 双方程作为湍流模型].Fluent的流场仿真 分析结果如图5,图7所示. 5仿真计算结果分析 从5,7中可以看出,旋风分离器排 气口出u处的4pm颗粒停留时问很短,只有 大概0.159S,还有很多4pm的颗粒随空气一 起排出.6pm颗粒虽然也有一部分随空气通 过排气u排出,但和4pm的颗粒相比,绝大 多数6pm颗粒都在0.324S左右停留在了旋风 分离器的筒体和锥体壁内部.而8LLm的颗粒 则基本七全部停留在了旋风分离器的筒体和 锥体壁内部,没有从升气管中随空气一起排 出.仿真的结果说明6pm和8pm颗粒在旋 风分离器内部的停留时间较长,大部分被旋风 分离器捕集,分离效率较高,基本反映了图4 分级效率曲线的变化趋势. I==__…,?…1 图66tam颗粒停留时间 要 黪誉 图78pm颗粒停留时间 (下转第24页) ? 24?设计与研究2011年第11期总第38卷 : {22.36+15[一]}sin+20cos 兀兀 y:f22.36+】5一]}cos8,20sin2 兀2兀, 式中:0三兀. 回程: : {22.36+2[1+COS])sin6+20cos 】,:{22.36+15[1+cos三]}c.s-20sin 式中:兀?三兀. 在CAXA中绘制出凸轮的平面曲线,并 在Pro/E中生成三维模型,根据式(2)求出 最小曲率半径点,如图l所示 图1最小曲率点 载入ANSYS,进行材料属性设置后网格 化,如图2所示.加载后得凸轮应力云图如图 3所示. ??图2凸轮网格化图图3凸轮应力云图 6结论 对于凸轮这样设计相对比较精密的零件, 上述方法分别发挥CAXA软件绘制平面图怏 捷精密的优势和Pro/E软件三维建模快速方便 的优势.ANSYS软件的运用充分发挥了其强 大的计算功能和分析功能,对零件的设计与优 化提供很大的便捷度和可靠度.该方法操作方 便陕捷,模型精确,分析结果可靠,而且非常 实用,完全可以在其他行业的应用中推广. 参考文献: …孙恒.机械原理(第五版)[M].北京:高等教育出版社,】996. [2]王沫然.MATLAB60与科学计算[M].北京:电子工业出版 社,200I. 【3]王湘江.综合运用CAXA,Pro/ENGINEER和ANSYS优化 没汁齿轮[J】_CAD/CAM与制造业信息化,2006,(6):48.49. [4]王湘汀,李必文.盘形凸轮CAD/CAM的应用[Jll南华大 学(工版),2003(2):97.100. [5]李黎明ANSYS有限元分析实用教程[M】.北京:清华大学 出版社,2005. 【6]宋勇,等.精通ANSYS7.0有限元分析[M】.北京:清华大 学出版社,2004. [7]苏亚辉.基Pro/E的盘形凸轮参数化设计和数控]JuJ2[J]. 机械研究与应用,2010,23(6):10l一102. [8】李周平.弧而,轮加工专用数控铣床设计机电工, 2010.27(2):64.67. (上接第12页) 6结论 结合实际的物理模型,本文对全吸式干湿 两用扫路车上旋风分离器的除尘性能进行了 研究.通过流场仿真分析结果与理论计算结果 的比较,对所用旋风分离器的分离性能进行了 分析,对今后的实际应用提供了理论指导. 参考文献: [1】李钢,樊守彬,等.北京交通扬尘污染控制研究….城市 管理与科技,2006,(4):151-152. [2]AC.霍夫曼,L?E.斯坦.旋风分离器——原理,设计和工 程应用[M].北京:化学出版社,2004. [3]于勇,等FLUENT入门与进阶教程[M】北京:北京理工 大学出版社,2008. 【4】王海刚,刘石.不同湍流模型在旋Jx【分离器三维数值模拟 中的应用和比较fJ_.热能动力工程,2003,18(4):337—342 [5]江帆,黄鹏.Fluent高级应用与实例分析fM】.北京:清华 大学出版社,2008.