旋轉(zhuǎn)流顆粒運動軌跡濃度場改變論文
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)流對顆粒的預分離基本發(fā)生在旋轉(zhuǎn)流入口后3倍管徑長度上。
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)流的預分離管段不必很長，可取3倍管徑的長度。
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