旋轉(zhuǎn)圓管顆粒濃度管理論文

導(dǎo)語：旋轉(zhuǎn)圓管顆粒濃度管理論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要測試了圓管內(nèi)旋轉(zhuǎn)流的流場分布，在此基礎(chǔ)上計算分析了顆粒在旋轉(zhuǎn)流場中的徑向運動軌跡，得到流動輸運方向上含塵氣流深度場分布的改變。給出旋轉(zhuǎn)流對顆粒的預(yù)分離基本發(fā)生在旋轉(zhuǎn)流入口后3倍管徑長度上。

關(guān)鍵詞旋轉(zhuǎn)流顆粒運動軌跡濃度場改變

1前言

固體顆粒進入旋轉(zhuǎn)流場后主要受到慣性離心力和空氣阻力的作用，大一些的顆粒被甩向邊壁，小一些的顆粒則被流體帶向下游。在這個運動過程中，旋轉(zhuǎn)流流場的不同軸向位置上顆粒相的濃度將發(fā)生變化。一般認為顆粒進入管道邊壁附近的某個區(qū)域后，不再發(fā)生徑向位移，即滯留在了顆粒層里，可以被捕集下來。旋轉(zhuǎn)流場對顆粒的分離作用與旋轉(zhuǎn)流強度有關(guān)，也和顆粒尺寸有關(guān)。因此，可以通過分析一這粒度分布的顆粒群在給定的旋轉(zhuǎn)流流場中不同軸向位置處的濃度變化來確定顆粒最佳預(yù)分離效果的管段長度。

采用渦切向起旋器（如同切向進氣旋風分離器的進氣渦殼）引入旋轉(zhuǎn)流，參見圖1。氣流由渦切向進氣口進入起旋器產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流，由排出口進入圓管測試段。改變氣流在起旋器中旋轉(zhuǎn)通道的長度將延長氣流的強制旋轉(zhuǎn)時間，起到助旋作用，有利于含塵氣流中顆粒的分離。而對稱性的起旋器切向入口可以改善旋轉(zhuǎn)氣流的偏心狀態(tài)。

根據(jù)上述思想，設(shè)計了3種不同的起旋器，按吸入氣流在旋轉(zhuǎn)通道中的旋轉(zhuǎn)角度分為0°、90°、270°，以及具有對稱進口的雙進口起旋器。

2顆粒在旋轉(zhuǎn)流場中的運動分析

由于顆粒尺寸dp相對較小，可以將顆粒徑向運動看作Stokes運動（Rep≤1.0）有

其中，。代入得

解得：

式中F、FD分別為顆粒受到慣性離心力、顆粒運動受到的空氣阻力，N；Utp、Uzp、Urp分別為顆粒運動切向速度、軸向速度、徑向速度，m/s；m顆粒質(zhì)量，kg；ρp為顆粒真密度，kg/m3；A顆粒投影面積，m2；Urp0顆粒徑向速度的初值，m/s。為顆粒運動的松弛時間，s；μ氣體黏性系數(shù)，Pa·S。

考慮顆粒沉降時已達到沉降速度，即。就有

在旋轉(zhuǎn)流場Ut、Ur已知的條件下，就可得出任意時刻任意位置顆粒的徑向運動速度Urp。

3顆粒分離模型的建立

根據(jù)本人測試[1]旋轉(zhuǎn)流自起旋器出口截面繞圓管軸旋轉(zhuǎn)180°，即旋轉(zhuǎn)了半圈時，軸向的運動距離約為1.3倍管徑長度（400mm）。將這段圓管沿軸向展，如圖2所示。氣流運動的跡線為線段OM，長度、時間分別為

作為分析顆粒在旋轉(zhuǎn)氣作用下沿徑向的位移，將軸向Z=0～400mm管段等距離劃分，單元尺寸為20mm。切向起旋器進口徑向?qū)挾葹?4mm，假定顆粒群在起旋器出口截面半徑150～100mm上均勻分布，以不同半徑（網(wǎng)格r0(n)={100,間距5，150}mm，n=1，11）上顆粒運動計算顆粒運動軌跡。當顆粒運動到（z(m),r(n)）位置后，在氣流速度Ut(m,n)、Uz(m,n)、Ur(m,n)的作用下，有顆粒徑向速度

顆粒自網(wǎng)格點(m,n)運動到下一個網(wǎng)格點(m+1,n)時沿管壁運動的距離為L=L0·20/400=0.05L0，運動時間為：

所以在Δt時間內(nèi)，顆粒沿徑向的運動距離為

即顆粒將運動到網(wǎng)格點（z(m+1),r(n)+Δr(m,n)）處，由此可以確定顆粒運動軌跡。

4顆粒運動軌跡及濃度分布分析

取顆粒的直徑范圍15～30μm，顆粒濃度C0；粒度分布為正態(tài)分布，分散度dc50=20μm，σ=6μm。計算用顆粒群的粒徑分為7種：5μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm。

4．1顆粒運動軌跡的計算

不同結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)起旋器，90°起旋器、270°起旋器和雙進口起旋器產(chǎn)生的流場內(nèi)顆粒運動軌跡如圖3、圖4、圖5。

圖390°起旋器流場中顆粒運動軌跡

圖4270°起旋器流場中顆粒運動軌跡

圖5雙進口起旋器流場中顆粒運動軌跡

由圖可知，在90°起旋器中，小于10μm顆粒的切向進入管道后，一部分開始向軸心偏離，即混入軸心區(qū)氣流中被帶走；其他顆粒進入管道后均能被離心力甩到邊壁處堆積起來。15μm的顆粒運動到邊壁所走路程最長，軸向距離達到0.75D。在270°起旋器中，一部分小于15μm的顆粒在切向進入管道后開始向軸心偏離。雙進口起旋器的流場中，發(fā)生軸心偏離的顆粒尺寸小于90°起旋器；且15μm顆粒運動到邊壁的軸向距離大于90°起旋器。即對同樣分布的顆粒群來說，90°起旋器的分離效果顯著，又進口起旋器次之。

4．2旋轉(zhuǎn)流場中顆粒濃度的分布假定在Z=0處，顆粒群均勻分布，濃度為C0，則根據(jù)顆粒正態(tài)分布的頻率計算公式[2]可以得到各粒級的質(zhì)量百分比濃度，見表1。

顆粒分布頻率表表1

粒徑（μm）5101520253035

百分比濃度0.29%1.66%4.7%6.65%4.7%1.66%0.29%

在不同的徑向位置上，根據(jù)顆粒運動軌跡圖網(wǎng)格點上不同粒級顆粒權(quán)重不同，得到濃度變化曲線。如圖6所示，各圖中數(shù)據(jù)線的單位顆粒群的初始濃度C0。

圖6不同起旋器流場內(nèi)的顆粒濃度分布

（a）90°起旋器；（b）270°起旋器；（c）雙進口起旋器

5結(jié)論

在Z=100m范圍內(nèi)，各粒級顆粒得到了很大程度的分離，濃度場發(fā)生了變化。邊壁處的顆粒濃度急劇增加內(nèi)側(cè)顆粒在流場的作用下向軸心區(qū)域擴散。在3倍管徑長度后，顆粒在管壁處的堆積基本上不再發(fā)生變化，而小顆粒向軸心區(qū)的擴散仍在增加。因此，旋轉(zhuǎn)流的預(yù)分離管段不必很長，可取3倍管徑的長度。