论文总字数：36714字

摘 要

旋风分离器是一种通过离心力的作用从含有杂质的气体中分离出固体颗粒或液滴的静止机械设备。它结构简单、没有运动部件，在实际应用中分离效率高且压降适中，可以广泛应用于高温高压以及颗粒浓度高的场合，在催化裂化工艺、发电及加工制造业、涡轮进气等方面均发挥着重要的作用。

提高旋风分离器的分离效率，是其研究中的一项重要内容。本文提出一种在中心筒内部加装导流叶片的方法来达到提高分离效率的目的。通过在导叶参数优化设计中使用正交试验设计方法，本文选取排气管偏心比例e、叶片数目Z、轮毂进口安放角、轮毂安放角中点比例系数k、轮缘进口安放角增量，建立了五因素四水平共16个试验组合的的正交表，并据此设计试验。

本文利用CFX 14.5对旋风分离器进行数值模拟，湍流模型选用RNG k-epsilon模型，通过气固两相耦合计算得到了未加装中心筒导叶的传统旋风分离器以及16个加装中心筒导叶后的旋风分离器的分离效率，并将未加装中心筒导叶的传统旋风分离器的数值模拟结果与理论计算结果、实物实验结果进行了比较。数值模拟结果显示，加装导叶后，分离效率可以提高7.04%，而压降增加不超过15%。

通过直观分析的正交试验分析方法，本文分析得到了每种因素的最优水平，并分析了各因素对分离效率的影响程度，最终得到了最优的参数组合。最后，对加装最优导叶的旋风分离器与未加装导叶的传统旋风分离器，分析了其压力场、速度场和湍流动能的分布，并分析了变工况下的分离器性能曲线。

关键词：旋风分离器；导流叶片；正交试验分析；数值计算

Optimal Design of Guide Vane in the Cyclone Center Tube

03012421 Liu Ming

Supervised by Yuan Zhulin

Abstract: Cyclone separator is a kind of stationary machinery, which can separate solid particles or liquid drop for dusty gas under the impact of centrifugal force. Because of its simple structure, no moving parts, high separate efficiency and moderate pressure drop, it is widely used in the occasion of high temperature, high pressure and high dust content. It plays an important role in catalytic cracking, power generation and manufacturing, gas turbine and other fields.

It is a vital content in cyclone research that improving its separate efficiency. In this article, an approach of installing guide vanes inside the center tube is proposed. An orthogonal method is employed to organize the guide vane design parameters. The factors of eccentric ratio e, blade number Z, hub inlet installing angle , middle coefficient of hub installing angle k, shroud inlet installing angle increment are chosen to design an orthogonal table of five factors and four levels. The orthogonal array of 16 experiment group is used for experiment design.

The CFD software CFX 14.5 is applied to solve the numeric analysis problem. Based on the turbulent model of RNG k-epsilon model and gas-solid coupled, the separate efficiency of conventional cyclone and 16 cyclones of installing guide vanes inside the center tube is computed. The result of conventional cyclone is compared with theoretical calculation and physical experiment. Numeric computation shows that, after installing guide vanes in the center tube, separate efficiency can be increased by 7.04%, whereas the pressure drop increment is less than 15%.

With the method of direct orthogonal analysis, the optimal level and the influence of each factor are obtained. Thus, optimal guide vanes are designed. Furthermore, the pressure filed, velocity field and turbulent kinetic energy filed of conventional cyclone and optimal cyclone are simulated and analyzed. The performance curve of variable working condition is also analyzed.

Key Words: cyclone separator; guide vanes; orthogonal analysis; Numeric computation

目录

1、绪论 4

1.1 旋风分离器简介 4

1.2 数值模拟研究 5

1.3 旋风分离器性能优化方法 5

1.3.1 分离器本体结构 5

1.3.2 分离器进口结构优化 6

1.3.3 排气管结构优化 7

1.3.4 排尘口结构优化 8

1.3.5 结构优化小结 8

1.4 带导流元件的旋风分离器研究 8

1.5 本文研究目标及内容 9

2、旋风分离器工作原理及其数学模型 11

2.1 旋风分离器的工作原理 11

2.1.1 旋风分离器中的流动 11

2.1.2 主要性能参数 11

2.2 流场模型 12

2.2.1 准自由涡模型 12

2.2.2 Barth模型 12

2.3 压降模型 12

2.3.1 建立在耗散损失上的模型 12

2.3.2 涡核模型 12

2.4 分离效率模型 13

2.4.1 平衡轨道模型 13

2.4.2 停留时间模型 13

2.5 计算流体力学分析 13

2.5.1 气体相数值模拟 13

2.5.2 气固两相数值模拟 14

2.6 正交化试验方法 16

2.6.1 正交化试验方法概述 16

2.6.2 正交试验设计的基本步骤 16

2.6.3 正交试验设计结果的分析 17

3、导流器的优化与设计方案 18

3.1 旋风分离器几何尺寸设计 18

3.2 优化参数 20

3.2.1 优化方案选择 20

3.2.2 叶片型线的参数化表示 22

3.2.3 中心筒优化结构设计 23

3.3 正交化试验表设计 24

3.4 导叶建模 26

3.4.1 BladeGen软件概述 26

3.4.2 正交试验导叶建模 27

4、旋风分离器性能计算 30

4.1 网格划分 30

4.1.1 导叶网格划分 30

4.1.2 分离器主体结构网格划分 31

4.2 网格无关性验证 33

4.3 分离性能计算 34

4.3.1 数值模拟设置 34

4.3.2 颗粒喷入设置 35

4.3.3 分离性能计算结果 36

5、正交试验结果分析 38

5.1 因素主次分析 38

5.2 优选方案 39

5.2.1 极差排序 39

5.2.2 最优方案 40

5.3 不同设计方案下内部流场分析 43

5.3.1 颗粒运动轨迹 43

5.3.2 旋风分离器内部压力场 45

5.3.3 旋风分离器内部速度场 47

5.3.4 旋风分离器内部湍动能分布 49

5.3.5 旋风分离器内部流场分析 51

6、旋风分离器分离性能分析 52

6.1 加装最优导叶的旋风分离器设计 52

6.2 旋风分离器分离性能理论经验模型 52

6.3 旋风分离器分离性能优化结果 54

6.3.1 分离效率理论计算结果与实物实验结果 54

6.3.2 分离效率数值模拟结果 54

6.4 旋风分离器分加导叶前后流场分析 55

6.4.1 切向速度分析 55

6.4.2 流场的改善 56

6.4.3 不同横截面上的速度分布 58

6.5 旋风分离器压降性能比较 59

6.5.1 传统旋风分离压降理论计算 59

6.5.2 加装导叶后的分离器压降 60

6.6 变工况分离性能分析 61

7、总结与展望 63

7.1 总结 63

7.1.1 导流元件优化设计方案 63

7.1.2 性能优化结果 63

7.1.3 流场改善 63

7.2 展望 64

致谢 65

参考文献： 66

旋风分离器中心筒内导流元件优化设计

1、绪论

旋风分离器简介

旋风分离器是一种常用的气固分离设备。它结构简单、没有运动部件，在实际应用中分离效率高且压降适中，可以广泛应用于高温高压和颗粒浓度高的场合，在催化裂化工艺、发电及加工制造业、涡轮进气等方面均发挥着重要的作用。

最基本的旋风分离器，是一种通过离心力的作用从含有杂质的气体中分离出固体颗粒或液滴的静止机械设备。气流从旋风分离器的进气口进入分离器内部，该进气口一般沿切向布置，有的还会在进气口装设导流叶片。进入分离器内，气流便开始向下做旋转运动，在气流旋转的过程中，颗粒由于受到离心力的作用而向分离器器壁运动，被甩向器壁的颗粒也就从气体中分离了出来。这些被分离器出来的颗粒最终将从下部的排尘口被排出。而气体将在分离器底部附近从外侧的向下旋转转变为内侧的向上旋转，并从中心筒也就是排气管被排出。^[1]

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