气固两相动态旋风分离的试验研究
因为旋风分离器具有结构简单、安装成本低、操作维护简便、性能稳定等优点，自问世以来就在诸如，火力发电厂、焚烧厂、矿石冶炼厂、砂厂、水泥厂、粉体加工厂等领域发挥着举足轻重的作用。日益严苛的性能要求限制了普通旋风分离器的进一步发展，在过去的几十年中，大批学者在提高旋风分离器性能方面从事基础研究，这些工作基本上可以分成两部分:一方面，一些学者致力于改善旋风分离器的相关配置和几何形状;另一方面，一些学者开始在旋风分离器相关研究中添加额外的部件。 本文延续加入额外部件的研究思路，在普通旋风分离器中增加了旋转叶片，设计了一种高效的动态旋风分离器，其分离性能与普通旋风分离器相比显著改善。在第2章中，使用Gambit软件对动态旋风分离器进行建模和网格划分，通过Fluent软件设置基本守恒方程、湍流模型、颗粒相模型、旋转模型及边界条件。进而研究了入口气速、叶片转速及叶片结构对动态旋风分离器装置切向速度场、压降分布和分离效率的影响。模拟结果表明，在某些试验工况下，动态旋风分离器分离性能远远优于普通旋风分离器，但动态旋风分离器的压降与普通旋风分离器相比也存在一定程度的提高。 在第3章中，通过试验的方法验证了第2章中数值模拟计算模型的准确性。在实验室中搭建了试验台架，进口气速由导流阀门控制，通过ZRQF系列F30J型热球式风速仪测量;进出口总压通过SYT2000型数字微压计配合AS-T-1型皮托管测量;SAG410气溶胶发生器控制颗粒的给料量;ELPI(Electrical LowPressure Impactor)对动态旋风分离器进出口气体中不同粒径颗粒的质量分布进行分别测量，从而获得相应单一粒径颗粒的分级分离效率。试验结果与模拟结果相比略有差异，文中分析了产生偏差的可能原因，但总体而言，试验和模拟结果之间有相同的变化趋势。 在第4章中，基于响应面分析和期望函数的多目标优化原理，使用Design-Expert这一软件对动态旋风分离器的叶片结构进行了优化。文中把装置的叶片结构提炼为叶片长度、叶片个数和叶片倾角三个变量，通过Box-Behnken原理设计了响应面试验组，分别进行了变量分析、主效果分析、Pareto图分析和独立变量效果分析，进一步通过期望函数多目标优化方法获得的最优叶片结构能同时满足较高的分离效率和较低的装置压降。最后根据最优结构重新进行建模计算，模拟结果与预测结果之间的偏差在3％以内，证明了响应面分析和期望函数多目标优化方法能够较好的优化装置结构，具有一定的工业应用价值。 文章的最后对数值模拟与试验研究中获得的关于切向速度场、装置压降、分离效率，以及装置结构尺寸优化等方面的相关结论进行了总结，分析了研究中存在的部分问题，并对课题的发展方向提出了展望。
气固两相流;动态旋风分离器;旋转叶片;数值模拟
山东大学
硕士
工程热物理
马春元
2015
中文
TQ028
75
2015-10-12（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）