旋风分离器内旋转流湍流特性的实验分析

蔡香丽，杨智勇，马玉苗，管述哲，魏耀东,2

(1.新疆工程学院 化学工程系，新疆 乌鲁木齐 930091；2.中国石油大学 化工学院, 北京 102249)

旋风分离器内旋转流湍流特性的实验分析

蔡香丽1，杨智勇1，马玉苗1，管述哲1，魏耀东1,2

(1.新疆工程学院 化学工程系，新疆 乌鲁木齐 930091；2.中国石油大学 化工学院, 北京 102249)

采用热线风速仪(Hot wire anemometry，HWA)测量了φ300 mm×2000 mm旋风分离器内的瞬时切向速度，进而分析旋转流的湍流特性。基于测量的瞬时切向速度计算的湍流强度表明，切向湍流强度是由气流自身湍流脉动产生的湍流强度和气流旋转波动产生的湍流强度两部分构成。在壁面附近，切向湍流强度主要是旋转流自身的湍流脉动作用，旋转流波动对其影响较小；而在几何中心附近，切向湍流强度不仅有旋转流自身的湍流脉动，而且更主要是旋转流摆动的影响。由于旋风分离器内旋转流的旋转中心与几何中心不重合，形成了旋流的摆动，使中心区域的计算切向湍流强度骤增，远大于壁面区域的切向湍流强度。

旋风分离器；热线风速仪(HWA)；旋转流；湍流强度；波动特性

旋风分离器作为一种广泛使用的气-固分离设备，特别适用于一些高温、高压的气-固分离工艺，如炼油催化裂化装置中净化烟气和油气的旋风分离器、丙烯腈反应器内分离催化剂的旋风分离器等。旋风分离器是利用气流旋转离心力使固体与气体分离，其旋转流流场的研究是强化分离性能的重点。旋风分离器内部是一个三维湍流强旋转流流场，旋转流的三维速度分布和湍流特性存在一定的变化规律[1-6]。但是相关的研究多局限在宏观参数，即稳态流场静态特性的描述上，缺少对流场瞬态特性的分析，尤其是对湍流强度的分析基本上只基于时均统计的方法。Hoekstra等[6]、王建军等[7]采用激光多普勒测速仪(Laser doppler velocimetry, LDV)，王甜等[8]利用热线风速仪(Hot wire anemometry，HWA)，吴小林等[9]采用粒子图像测速仪(Particle image velocimetry，PIV)分别测量了旋风分离器内旋转流切向速度的湍流强度。测量结果表明，在外旋流区，湍流强度较小且分布均匀；进入内旋流区，湍流强度显著增大。对旋风分离器内流场的数值模拟结果也表明，湍流强度在内旋流区域急剧增大[9-11]。虽然上述研究有助于认识旋风分离器流场的湍流特性，但仅停留在现象的描述上，缺乏对湍流特性机制的分析。实际上，旋风分离器内旋转流的中心和旋风分离器的几何中心不重合，旋转中心在横截面上作不规则的摆动，形成了旋转流波动[12-15]。这种旋转流动形式的湍流不同于一般直管内的湍流，更需要考虑旋转流波动对湍流的影响。为此，笔者在实验测量瞬时切向速度的基础上，分析了旋转流波动与切向速度湍流特性之间的关系，以及旋转流摆动对湍流强度分布的影响。

1 旋风分离器内旋转流特性的实验装置和测量方法

研究旋风分离器内旋转流特性的实验装置如图1所示。采用吸风负压操作，气体在旋风分离器内形成旋转流，然后从排气管流出。气体为常温空气，设定入口速度Vi=10 m/s。

图1 研究旋风分离器内旋转流特性的实验装置示意图

图2为旋风分离器模型。为了考察旋转流波动特性，在结构上将常规旋风分离器的锥体部分取消，以消除锥体对切向速度的加速作用。旋风分离器采用整体筒体结构，用有机玻璃制造，筒体尺寸φ300 mm×2000 mm，进气口尺寸178 mm×92 mm，排气管直径φ90 mm。轴向坐标Z原点在升气管入口截面的中心处，向下为正。筒体轴向上选择Z分别为322 mm、572 mm和1072 mm 3个测量截面，主要测量0°～180°径向方向的切向速度，径向测量点间隔20 mm。采用美国TSI公司IFA100/200热线风速仪，采样频率5000 Hz，采样时间1 s。切向速度是旋风分离器流场的主要分量，并能直接反映旋转流的摆动变化，因此通过测量瞬时切向速度的波动变化考察旋转流的湍流特性。

图2 旋风分离器尺寸和测量点

2 结果与讨论

2.1 旋风分离器内的时均切向速度和瞬时切向速度

图4为旋风分离器3个测量截面上不同测量点的瞬时切向速度随时间的变化曲线。其中，图4(a)、(c)、(e)是1s测量时间内所有数据绘制的曲线，而图4(b)、(d)、(f)是其对应1s测量时间0.4～0.6s区间的局部放大图。由图4可知，旋转流的瞬时切向速度是由高频的湍流脉动速度和低频的波动速度叠加构成，其脉动速度反映了气流自身的湍流，是无规则和高频的，而波动速度是一种低频高幅的速度变化，具有类周期性，由旋转流的波动造成，即由旋转流的旋转中心偏离旋风分离器几何中心摆动造成。

图3 旋风分离器内时均切向速度分布曲线

2.2 旋风分离器内瞬时切向速度的概率密度分布

湍流理论[16]认为，湍流速度场在时间点上具有不规则性，但在时间区间上具有规则性的概率分布和平均特性。旋转流的湍流脉动速度作为一个连续型的随机变量，在时间区间上的数值分布符合高斯分布函数，对应旋转流瞬时切向速度Vt的高斯分布函数P(Vt)如式(1)所示。

(1)

通过对Z=322mm和Z=1072mm测量截面上的瞬时切向速度进行类似分析，也可以得到具有同Z=572mm测量截面相同的结果。

图5 旋风分离器内的瞬时切向速度的高斯分布函数(P(Vt))拟合曲线

为了进一步分析旋转流摆动对瞬时切向速度的影响，将旋风分离器3个测量截面(Z=322 mm，Z=572 mm，Z=1072 mm)不同径向位置测量点在1 s测量时间内5000个测量数据分别通过式(1)进行高斯函数拟合，结果如图6所示。当r/R>0.40时，高斯拟合曲线分布比较窄，σ比较小，即切向速度数据分布比较集中；当r/R<0.40时，高斯拟合曲线开始变宽，σ比较大，说明切向速度数据分散度增大。这是由于旋转流波动造成的数据分散。

图6 旋风分离器内的瞬时切向速度的高斯分布函数拟合曲线沿径向的变化

2.3 旋风分离器内切向速度的湍流强度

反映气流湍流特性的主要参数是湍流强度。湍流运动在空间任意点上的湍流强度是该点湍流脉动速度的均方根值。这里仅考虑旋转流切向速度的切向湍流强度，其均方根Trms的定义及计算如式(2)所示。式(2)中，N为采样数据数，N=5000。

(2)

图7 旋风分离器内切向湍流强度沿径向的变化

(3)

旋风分离器内中心区域的湍流强度的剧增，一方面增加了流体流动的能耗，使压降增大；另一方面加剧了中心区域已被分离颗粒的扩散返混，使分离效率下降。同时旋转流的摆动也形成旋风分离器系统振动的激振力，诱导旋风分离器系统发生共振造成设备的疲劳断裂。

2.4 旋风分离器内旋转流波动对切向速度的湍流强度的影响

图8 旋风分离器内旋转流波动对瞬时切向速度的影响示意图

3 结 论

(1) 采用HWA测量了旋风分离器内旋转流的瞬时切向速度。结果表明，旋风分离器内旋转流瞬时切向速度是高频的湍流脉动速度和低频的波动速度的叠加，中心区域的瞬时切向速度随时间的速度波动较大，而靠近边壁区域瞬时切向速度随时间的速度波动较小。

(2) 切向速度的湍流强度是由气流自身脉动产生的切向湍流强度和气流旋转波动导致的切向湍流强度两部分构成。在壁面附近，切向湍流强度主要是旋转流自身的湍流脉动作用；在几何中心附近，切向湍流强度不仅有旋转流自身的湍流脉动，而且更主要受旋转流波动的影响，导致了旋转流湍流强度的急剧增加，对旋风分离器的分离性能不利。

符号说明：

k1——常数；

k2——常数；

N——采样数据个数；

n——常数；

P——切向速度概率密度；

R——旋风分离器半径，mm；

r——径向坐标，mm；

Trms——均方根速度，m/s；

T″rms——旋转流波动而导致湍流强度增加部分，m/s；

Vi——入口速度，m/s；

Vt——瞬时切向速度，m/s；

Z——轴向坐标，mm；

σ——标准差；

ΔVt——切向速度波动值，m/s；

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Experimental Analysis of Turbulence Characteristics of Swirling Flow in Cyclone

CAI Xiangli1, YANG Zhiyong1, MA Yumiao1, GUAN Shuzhe1, WEI Yaodong1,2

(1.DepartmentofChemicalEngineer,XinjiangInstituteofEngineering,Urumqi930091,China;2.CollegeofChemicalEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249，China)

The turbulence characteristics of swirling flow in the cyclone were studied based on measured real tangential velocity by hot wire anemometry (HWA). The mechanics of turbulence intensity of the real tangential velocity was analyzed. The measured results showed that the turbulence intensity of the tangential velocity was affected largely by the fluctuation of swirling flow, and the turbulence intensity in the center region was higher than that near the wall. As the real tangential velocity was composed of the high frequency turbulence velocity and low frequency fluctuation velocity, the turbulence intensity was not only influenced by the turbulence flow itself, but also by the fluctuation of swirling flow resulted from gas swirling flow center deviating geometry center. So, the real tangential velocity fluctuated significantly in the center region of cyclone, and a little near the wall of cyclone, resulting in the great increase of turbulence intensity in the center region.

cyclone; hot wire anemometry(HWA); swirling flow; turbulence intensity; fluctuation characteristics

2014-04-29

新疆自然科学基金项目(201233146-1)资助

蔡香丽，女，讲师，硕士，从事多相流动的数值模拟与实验研究

魏耀东，男，教授，博士，从事气-固分离，流态化及化工过程装备优化等方面的研究，E-mail:weiyd@cup.edu.cn

1001-8719(2015)04-0983-08

TQ051.8

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2015.04.022