減阻桿對旋風分離器流場特性的影響

1、清華大學學報(自然科學版 2007年第47卷第2期CN 1122223 N . 47, N o . 2J T singhua U niv (Sci &Tech , 2007, V o l 32 342932296減阻桿對旋風分離器流場特性的影響劉成文, 王連澤, 王建軍, 劉秋生(清華大學工程力學系, 北京100084摘要:為了解減阻桿對旋風分離器流場特性的影響, 利用激光多普勒測速儀(LDV 流場進行測量, 得到了時均速度、均方根速度、數(shù)分布。結果表明:本一致, 在所, 脈動降低, 強。關鍵詞:旋風分離器; 減阻桿; 流場; 激光多普勒測速儀中圖分類號:TQ 051. 8文章編號:1

2、00020054(2007 0220293204文獻標識碼:A2, 為深入分析減阻, 但這一分析方法需要了解流場參數(shù)分布的詳細信息。因此, 正確認識安裝減阻桿前后流場參數(shù)變化的特點是進行減阻機理研究的前提。關于減阻桿對時均流場的影響, 已進行了大量的實驗研究1, 36。關于減阻桿對流場湍流特性的研究還很少, 認識很不充分, 王連澤等人1根據(jù)粒子圖像測速儀(p article i m age veloci m etry , P I V 實驗結果, 發(fā)現(xiàn)減阻桿削弱了中心區(qū)域的湍流強度。W ang 等人6利用激光多普勒測速儀(laser Dopp ler ve 2loci m etry , LDV

3、研究了減阻桿對旋風分離器內湍流結構的影響, 發(fā)現(xiàn)在減阻桿后的尾渦區(qū)湍流脈動增大, 而在其它區(qū)域幾乎保持不變。本文利用二維LDV 對安裝不同尺寸減阻桿的旋風分離器內流場進行測量, 深入分析減阻桿對流場時均和湍流特性的影響規(guī)律, 并對減阻桿影響湍流脈動的機理進行初步分析。Effect of a reduc i ng pressure drop stick i n the f low f ield of a cyclonesepara torL I U C hengw e n , W ANG L ia nze , W ANG J ia njun , L I U Q iushe ng(D epart

4、men t of Eng i neer i ng M echan ics , Tsi nghua Un iversity ,Be ij i ng 100084, Ch i na Abstract :L aser Dopp ler veloci m etry (LDV w as used to m easure the flow field in a cyclone separato r w ith and w ithout a reducing p ressure drop stick (R epds to exp lo re the effect of the R epds on the f

5、low field characteristics . T he distributi ons of the m ean velocity, roo t m ean square (RM S velocity, and R eyno lds stress are p resented . T he results show that the effects of the R epds on the ti m e 2averaged characteristics of the flow field are si m ilar to p revi ous results,w hilethe ef

6、fects ofthe R epds ontheturbulentcharacteristics are related to the size of the R epds . In the range of the studied R epds sizes, the R epds w ith s m aller cro ss secti ons reduce the turbulence in mo st flow fields, w h ile R epds w ith larger cro ss secti ons increase the turbulence . T he m ech

7、anis m by w hich the R epds affects the turbulence is also analyzed .Key words :cyclone separato r; reducing p ressure drop stick(R epds ; flow field; laser Dopp ler veloci m etry (LDV 1實驗裝置和實驗方法實驗裝置見文6。旋風分離器模型和減阻桿安裝位置如圖1所示, 旋風分離器筒體內徑為170mm , 排氣管內徑為85mm , 實驗用減阻桿選用直徑為5mm 和10mm 兩種類型。采用T S I 公司的二維LDV 系

8、統(tǒng)。示蹤粒子由粒子發(fā)生器產生, 發(fā)煙劑為乙二醇。本實驗測量了6個截面, 如圖1所示, 分別從100°和200°兩個方位沿半徑進行測量。因各截面上相同參數(shù)分布規(guī)律基本相同, 這里只給出z =165mm 和z =315mm 兩個代表性截面的測量結果 。收稿日期:2006203210基金項目:國家自然科學基金資助項目(10172055 作者簡介:劉成文(19692 , 男(漢 , 山東, 博士研究生。通訊聯(lián)系人:王連澤, 副教授, E 2m ail :w anglz tsinghua . edu . cn旋風分離器減阻桿(reducing p ressu re dropstick

9、 , R ep ds 技術已在工程實際中得到成功應用, 取得了很好的經濟效益1。為了使該技術更好地服務于生產實際, 搞清其減阻機理是目前亟待解決的294清華大學學報(自然科學版 2007, 47(2保持入口平均流速11. 47m 不同直徑減阻桿的旋風分離器內的時均流場和湍流場進行s 不變, 分別對無桿、測量 。圖1 (mm 2實驗結果及分析2. 1減阻桿對時均速度分布的影響時均切向速度U z 如圖2和圖3所示, 軸向R ank ine , , 中心具有明顯的滯流現(xiàn)象。圖3時均軸向速度安裝減阻桿后, 切向速度呈完全不對稱分布, 其剖面形狀及數(shù)值大小都發(fā)生了明顯變化。 5mm 減阻桿使內旋流區(qū)域減

10、小, 外旋流的切向速度梯度降低, 最大切向速度大幅度降低, 相對于無桿時最大切向速度降低了約33%; 而 10mm 減阻桿則使內、外旋流的切向速度梯度都降低, 相對于無桿時最大切向速度降低了約47%。兩種減阻桿后的局部區(qū)域(200°方位 都呈現(xiàn)出尾跡型速度分布, 出現(xiàn)切向速度極小值, 這里速度梯度很大。截面尺寸大的減阻桿, 其尾跡區(qū)范圍大, 切向速度極小值小。相對于切圖 2時均切向速度向速度, 外旋流軸向速度變化較小, 只在中心區(qū)域有劉成文, 等: 減阻桿對旋風分離器流場特性的影響295較大升高, 速度梯度減小, 滯流現(xiàn)象減弱或被消除。因此, 從整體上來說, 減阻桿截面尺寸大, 切向

11、速度降低幅度大, 切向和軸向速度梯度小, 減弱或消除滯流的能力強, 這與文1, 36中的結論是一致的。2. 2減阻桿對湍流脈動的影響切向均方根脈動速度u 、軸向均方根脈動速度u z 和雷諾切應力u u z 分布分別如圖4至圖6所示。無桿時, u 和u z 沿徑向分布比較平坦, 數(shù)值大都為1. 53m s , 中心軸線附近數(shù)值稍大。u u z 沿徑向分布也比較平坦, 且數(shù)值較小, 大都在±0. 5m s 之內, 但在內旋流區(qū)數(shù)值稍大。22安裝減阻桿后, 數(shù)的影響不同。 5mm , 10mm 在減阻桿后尾跡區(qū)內及中心軸線附近, 兩種尺寸的減阻桿都使均方根脈動速度有較大增加, 增加幅度約為

12、23m s , 減阻桿截面尺寸越大, 脈動速度增加越大 。圖5軸向均方根脈動速度2. 3大尺寸減阻桿增強湍流脈動的原因湍能產生P k =-u i u j 9U i 9x j 表示從平均流動向湍流脈動提供的能量, 與雷諾應力u i u j 和平均速度梯度9U i 9x j 有關。均方根脈動速度的平方表示雷諾正應力的大小, 本實驗僅可得到3個雷諾應力22分量u 、u z 和u u z , 因此, 只能利用現(xiàn)有實驗數(shù)據(jù)對P k 進行估計。如前所述, 除了在中心附近和桿后局部區(qū)域兩種減阻桿都引起雷諾應力增大外, 5mm 減阻桿使流場大部分區(qū)域的雷諾應力減小, 10mm 減阻桿使流場大部分區(qū)域的雷諾應力

13、稍有增加; 兩種減阻桿都使切向和軸向速度梯度大幅度降低。由此可推斷出, 除了在桿后局部區(qū)域減阻桿引起湍能產生增大外, 減阻桿將會使流場大部分區(qū)域的湍能產生降低。為什么 10mm 減阻桿在使湍能產生降低的情況下, 反而使流場的湍流脈動增強呢? 由于帶有減阻桿的旋風分離器內流場極為復雜, 難于對流場各處的湍流輸運過程進行分析, 這里僅從整體上對總湍流脈動變化情況進行可能性分析。積分形式的湍圖4 切向均方根脈動速度 296清華大學學報(自然科學版 2007, 47(23結論1 減阻桿使時均切向速度及其速度梯度大幅度降低, 減弱或消除了中心滯流現(xiàn)象。除在減阻桿后局部區(qū)域外, 大尺寸減阻桿引起的切向速度

14、及其速度梯度降低幅度大, 對滯流現(xiàn)象的消除效果好。2 減阻桿對旋風分離器內湍流的影響與其截面尺寸有關。, 小尺寸, 大尺寸減阻桿則, 在采用大, 需要考慮其對分離效率的影響。參考文獻(References 1王連澤, 彥啟森, 王建軍, 等. 旋風除塵器減阻節(jié)能技術的研究與應用J. 硫酸工業(yè), 2005, (2 :2226.WAN G L ianze, R esearchandenergy 2savingYAN Q isen, WAN G J ianjun, app licati on of techno logystick in a cycloneet al . and J.drag 2re

15、ducti onseparato rS u lp hu ric A cid Ind ustry , 2005, (2 :2226. (in Ch inese incyclone2L I U Chengw en, WAN G L ianze, WAN G J ianjun, et al .Investigati onofenergy 1190.lo sses m echanis mseparato rs J. 3C he m ica l E ng ineering and T echnolog y .2005, 28(10 :1182王連澤, 彥啟森. 旋風分離器減阻桿對流場的影響J. 粉體技術

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17、ds and flow field in a cyclone separato r J. J ou rna l ofE x p eri m en ta l M echan ics ,1998, 13(4 :469475.(in Chinese 5W ang L Z, Yan Q S, L iu L L. Effect of a stick on the flowfield in a cyclone and the p ressure drop reducti on m echanis m J. A erosol S cience and T echnolog y , 2001, 35:909turbulence structure in a cyclone separato r J.S cience &T echnolog y , 2005, 39(8 :713913.A erosol6W ang J J , W ang L Z, L iu C W. Effect of a stick on the gas721.7Yo sh izaw a A , Yoko i N