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旋风分离器大涡数值模拟及分离性能研究

作　者: 蒋海华
导　师: 赵宏强
学　校: 中南大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 旋风分离器 分离效率 Fluent 大涡模拟 离散相模型
分类号: TQ051.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 334次
引　用: 6次
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内容摘要


旋风分离器是一种利用气固两相流体的旋转运动使固体颗粒在离心力的作用下从气流中分离出来的设备,因其具有结构简单、高效、能承受高温高压等优点,在能源、化工、冶金、环保等许多领域有着广泛的应用。系统地研究旋风分离器内部的流场以及性能的影响因素,对改善和提高旋风分离器的性能有着重要的意义。本文首先对国内外旋风分离器的发展及研究现状进行总结,指出旋风分离器研究中存在的一些问题以及数值模拟的必要性。通过查阅研究大量旋风分离器气—固两相数值模拟文献,本文采用大涡模拟方法对旋风分离器的流场进行模拟,采用相间耦合的随机轨道模型对固体颗粒运动轨迹进行研究。通过前处理软件Gambit建立切向入口的旋风分离器的几何模型,针对旋风分离器内部复杂流场的模拟,确定合适的计算区域和边界条件,得到合适的计算网格文件。通过Fluent软件,本文的湍流模型采用基于各向异性的大涡模型(LES),差分格式采用QUICK格式,压力梯度项插补格式采用PRESTO格式,计算方法采用SIMPLEC算法,对旋风分离器气相流场进行数值模拟。包括气流速度场及压力场的研究分析,系统分析分离器内切向速度、轴向速度、径向速度、静压、动压及总压降的分布规律,并将数值模拟数据与文献中实验数据对比,确定数值模拟的正确性。针对旋风分离器内气—固两相分离性能研究,本文采用拉格朗日坐标系下的相间耦合的DPM模型,模拟研究粉尘颗粒在旋风分离器内的分布及运动规律。研究内容包括:模拟分析粉尘微粒运动轨迹,不同微粒粒径、不同入口速度、不同颗粒浓度等微粒参数和分离器操作参数对分离效率的影响,以及不同排气管直径和排气管插入深度等结构参数对分离效率的影响。通过实验研究表明:旋风分离器的分离效率较高,不同颗粒浓度及入口速度对分离效率的影响与数值模拟结果一致。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章 绪论  8-17
  1.1 旋风分离器的基本结构与工作原理  8-9
  1.2 旋风分离器的发展概况  9-10
  1.3 旋风分离机理及其进展  10-11
  1.4 旋风分离器设计研究中现状分析  11-14
  1.5 旋风分离器气固两相流数值模拟进展  14-16
  1.6 本文研究意义及研究内容  16-17
第二章 旋风分离器数值模拟方法研究  17-32
  2.1 CFD简述  17-18
  2.2 Fluent软件简介  18-20
  2.3 旋风分离器气体相的数值模拟计算方法研究  20-26
    2.3.1 控制方程  20-21
    2.3.2 湍流模型  21-24
    2.3.3 动量方程离散格式和压力插补格式的选择  24-25
    2.3.4 压力与速度的耦合  25-26
  2.4 旋风分离器颗粒相的数值模拟计算方法研究  26-30
    2.4.1 单颗粒运动控制方程  26-27
    2.4.2 颗粒随机轨道模型  27
    2.4.3 FLUENT中的DPM模型  27-28
    2.4.4 气体相和颗粒相的相互作用  28-29
    2.4.5 颗粒与固体壁面间的相互作用  29-30
  2.5 本章小结  30-32
第三章 旋风分离器内气相流场的大涡数值模拟  32-46
  3.1 计算模型与方法  32-35
    3.1.1 计算模型的几何结构  32-33
    3.1.2 网格划分  33-34
    3.1.3 边界条件  34-35
    3.1.4 加快收敛的方法  35
  3.2 气相流场的速度分布的研究  35-40
    3.2.1 切向速度分布  36-38
    3.2.2 轴向速度分布  38-39
    3.2.3 径向速度分布  39-40
  3.3 旋风分离器压降的研究  40-44
  3.4 本章小结  44-46
第四章 旋风分离器两相分离性能的数值模拟  46-62
  4.1 引言  46
  4.2 计算模型与方法  46-48
  4.3 微粒运动轨迹模拟与分析  48-51
  4.4 旋风分离器颗粒二次流分析  51-52
  4.5 微粒参数及操作参数对旋风分离器性能的影响  52-57
    4.5.1 不同微粒粒径对分离效率的影响  52-53
    4.5.2 入口速度对旋风分离器性能的影响  53-55
    4.5.3 颗粒浓度对分离效率的影响  55-57
  4.6 结构参数对旋风分离器性能的影响  57-60
    4.6.1 排气管管径对旋风分离器性能的影响  57-58
    4.6.2 排气管插入深度对旋风分离器性能的影响  58-60
  4.7 旋风分离器结构改进措施  60-61
  4.8 本章小结  61-62
第五章 实验研究  62-69
  5.1 实验意义和目的  62
  5.2 实验原理  62-64
  5.3 实验设备及操作流程  64-66
  5.4 实验结果分析  66-68
  5.5 本章小结  68-69
第六章 全文总结与展望  69-71
  6.1 全文总结  69-70
  6.2 展望  70-71
参考文献  71-75
致谢  75-76
攻读学位期间的主要研究成果  76

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中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 一般性问题 > 化工机械与仪器、设备 > 化工过程用机械与设备 > 物质分离机械
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